針對(duì)高層建筑供配電技術(shù)方案及其可靠性分析

梁子劍（中鐵二院重慶勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，重慶 400023）

針對(duì)高層建筑供配電技術(shù)方案及其可靠性分析

梁子劍
（中鐵二院重慶勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，重慶 400023）

摘 要：高層建筑在近些年來(lái)大量出現(xiàn)基于兩個(gè)原因，其一是城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)已經(jīng)達(dá)到了一定高度；其二是城市中土地及其他資源的日益匱乏，就是在這兩種矛盾下，我國(guó)城市建筑逐漸在向高層發(fā)展。但是，直沖云霄的高層建筑也為建筑內(nèi)的相關(guān)配套系統(tǒng)帶來(lái)了新的難題，其中最為主要的技術(shù)難題就是供配電技術(shù)。本文主要探討了高層建筑供配電系統(tǒng)的特點(diǎn)、要求及具體供配電方案設(shè)計(jì)，并結(jié)合應(yīng)用分析了方案的可靠性。

關(guān)鍵詞：高層建筑；供配電技術(shù)；方案；電源安全；可靠性

在我國(guó)，10層及10層以上，房屋高度超過(guò)24m的混凝土結(jié)構(gòu)建筑就被視為是高層建筑。為了保證高層建筑的功能性，一般都配有相當(dāng)系統(tǒng)化、自動(dòng)化的電氣設(shè)施及供配電系統(tǒng)來(lái)維持高層建筑的正常運(yùn)作。所以高層建筑的供配電技術(shù)方案不但要合理高效，而且還要考慮到它的可靠性因素。保證包括電梯、照明、通訊、泵房及消防在內(nèi)的所有重要負(fù)荷電氣都能得到持續(xù)不間斷的供電，避免事故發(fā)生時(shí)的萬(wàn)無(wú)一失。

一、高層建筑對(duì)供配電系統(tǒng)的需求

（一）基本需求

高層建筑由于建筑空間大、功能復(fù)雜且用電設(shè)備多，所以它對(duì)供配電系統(tǒng)具有供配電可靠性高、持續(xù)性強(qiáng)、安全穩(wěn)定、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理等高要求。一般來(lái)說(shuō)，高層建筑都是大負(fù)荷用電戶，所以通常以一級(jí)負(fù)荷的要求來(lái)規(guī)劃供配電。除了保障建筑內(nèi)的日常電氣設(shè)備運(yùn)行，之所以定級(jí)為一級(jí)負(fù)荷還因?yàn)樗袚?dān)消防供配電系統(tǒng)、排煙設(shè)施、電梯、照明和污水處理等設(shè)備的運(yùn)行，保證建筑在遭遇火災(zāi)等大型事故時(shí)可以自我救助，也為消防機(jī)構(gòu)在建筑內(nèi)展開(kāi)救援提供了良好環(huán)境。上述這些電氣設(shè)備系統(tǒng)都要求供配電系統(tǒng)具有超高的連續(xù)性，所以為了避免電源在關(guān)鍵時(shí)刻出現(xiàn)問(wèn)題，高層建筑內(nèi)都會(huì)設(shè)計(jì)雙電源互投供電，以樹(shù)干式與放射式的配電模式來(lái)保障高層建筑的絕對(duì)安全。

（二）高層建筑供配電系統(tǒng)的技術(shù)需求

作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，供配電系統(tǒng)涉及了電力系統(tǒng)中電能的配送和使用兩個(gè)環(huán)節(jié)。考慮到供配電系統(tǒng)是直接面向于高層建筑中的使用者及電氣設(shè)備的，所以必須考慮供配電系統(tǒng)的安全可靠性。

在供配電系統(tǒng)中，功率流動(dòng)方向一般都是從電源向用戶端的單向流動(dòng)，這就是電能通過(guò)降壓的分配方式傳送給用戶的用電設(shè)備，產(chǎn)生電能供人使用。目前在我國(guó)，供配電系統(tǒng)的電壓都在100kV或以下。所以在對(duì)供配電系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，一定要按照負(fù)荷的性質(zhì)、用電量的大小來(lái)安排所供電地區(qū)的電力分配情況，結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)方案。而且這種供配電方案的設(shè)計(jì)要考慮其長(zhǎng)久性，使它具備一定的可持續(xù)性發(fā)展可能性。

二、高層建筑供配電系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)方案

（一）高層建筑概況

本文選擇了某城市一棟21層的高層民宅，它的地下一層為人防地下室，從1-21層均為住宅區(qū)域。該建筑所采用的配電電壓是10kV的電源通過(guò)變壓器后升級(jí)成的380/220V電壓等級(jí)，主配電方式為常見(jiàn)的樹(shù)干式與放射式相結(jié)合的供電方式。它的電纜進(jìn)線則從變配電室開(kāi)始一直到地下的配電室內(nèi)，地下配電室設(shè)有電纜從架橋敷設(shè)一直到豎井，為整棟建筑提供電力。

（二）負(fù)荷等級(jí)

本高層建筑雖然屬于民用建筑，但是用電設(shè)備相當(dāng)齊全，包括了消防設(shè)備、應(yīng)急照明系統(tǒng)、生活水泵、排污泵、消防電梯及民用電梯，在主電路干路方面屬于一類負(fù)荷。而其它電氣設(shè)備被定性為三級(jí)負(fù)荷。整棟高層建筑由市政提供一路10kV的電源作為建筑主要供電電源，而備用電源則采用了應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組。

（三）照明系統(tǒng)供電

1 電壓選擇

該建筑內(nèi)的普通照明采用220V額定電壓，主要由380/220V三相四線制的方法進(jìn)行系統(tǒng)供電。考慮到高層建筑內(nèi)照明網(wǎng)絡(luò)配電線路可能會(huì)較長(zhǎng)而造成線路電壓損失變大，所以從硬性上規(guī)定了照明網(wǎng)絡(luò)的電壓損失不能低于以下各個(gè)允許值：首先，每一個(gè)照明設(shè)備的電壓都不能小于額定電壓的97%，而屋外及事故照明則不可以小于額定電壓的95%。如果不能滿足以上條件，也可以通過(guò)降低燈端電壓到94%Un的方式來(lái)調(diào)節(jié)照明設(shè)備，但是必須要按照實(shí)際電壓水平中的光通量來(lái)進(jìn)行照度計(jì)算；其次如果電壓處于12V～36V之間，那么照明設(shè)備的低壓出線的線路電壓損失不能大于15%Un。

2 照明供電的方式選擇

本建筑使用了一級(jí)負(fù)荷電源，因?yàn)榻ㄖ?nèi)所應(yīng)用的是雙電源雙電路供電模式，所以在對(duì)供配電系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮電力一級(jí)負(fù)荷與照明一級(jí)負(fù)荷兩方面的負(fù)荷功率比較，當(dāng)兩種負(fù)荷功率都較大時(shí)，就要采用雙電路高電壓供電；如果都不大，則可以采用一路電源供電，另一路備用的應(yīng)急發(fā)電模式。如果供配電系統(tǒng)中只有照明負(fù)荷且沒(méi)有電力負(fù)荷時(shí)，就要考慮將蓄電池組作為優(yōu)先選擇的備用電源。

3 照明供電系統(tǒng)負(fù)荷計(jì)算的方法

為了合理選擇照明電器設(shè)備，要進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算。本高層建筑采用了需用系數(shù)法進(jìn)行負(fù)荷的用量統(tǒng)計(jì)。

式中：Pjs表示系統(tǒng)有功就算功率，KEP選取值為0.8-0.85，而Kxi則表示需用系數(shù)。再用二項(xiàng)式法來(lái)進(jìn)一步計(jì)算系統(tǒng)電流則得出：

公式中b和c都表示照明設(shè)備的二項(xiàng)式系數(shù)，Px表示用電設(shè)備組中X臺(tái)大功率設(shè)備的總設(shè)備附加功率，Pjs表示系統(tǒng)的有功計(jì)算功率，Ojs表示系統(tǒng)的無(wú)功計(jì)算功率，Sjs為系統(tǒng)的視在計(jì)算負(fù)荷，通過(guò)上述公式計(jì)算出系統(tǒng)計(jì)算電流Ijs。

（四）設(shè)計(jì)方案流程

該住宅供電的電纜是由變配電室引至地下配電間的，所以整個(gè)建筑的照明插座配電箱在每6層中都分配6個(gè)回路供電直到18層，而從19～21層為3個(gè)回路，這其中每一層的配電箱都采用樹(shù)干式配電。每條主配電干線又分為六路支線，而且每一個(gè)支干線還會(huì)連接一層電表箱AW。還因?yàn)楸窘ㄖ捎昧酥鞲眱陕冯娫矗髋渥冸娯?fù)責(zé)樓層間照明以及配電間照明，而副電則與主電一同負(fù)責(zé)整個(gè)消防系統(tǒng)、地下一層排水泵、排風(fēng)機(jī)和送風(fēng)機(jī)的供電。

三、高層建筑供配電技術(shù)的可靠性

（一）高層建筑供電電源及備用電源的配置可靠性

根據(jù)我國(guó)《高層建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》中的要求，以及負(fù)荷原則上應(yīng)該提供兩路電源進(jìn)行供電，以備不時(shí)之需。而對(duì)于一些非常重要的負(fù)荷電路，不但要增設(shè)應(yīng)急電源，還要禁止其它負(fù)荷接入應(yīng)急供電系統(tǒng)，必要是要根據(jù)各級(jí)負(fù)荷的實(shí)際需求來(lái)判定周圍地區(qū)的供電條件，采用同級(jí)電壓的供電形式來(lái)達(dá)到互相備用的效果，提高整體供電的可靠性。

具體來(lái)說(shuō)，高層建筑電路的應(yīng)急電源在選擇上要符合以下要求：首先，可以允許斷開(kāi)供電15s以上，此時(shí)選擇快速啟動(dòng)備用發(fā)電機(jī)組；其次，電源自投裝置的動(dòng)作時(shí)間必須滿足所允許的中斷供電時(shí)間；第三，允許中斷供電時(shí)間為毫秒級(jí)別的電源供電。實(shí)際操作中可以選擇蓄電池這種靜止型供電裝置。

（二）提高高層建筑供配電技術(shù)的可靠性方法

為了防止高層建筑所存在的火災(zāi)隱患，建筑內(nèi)應(yīng)該備用自動(dòng)切換的安保電源，這種安保電源比傳統(tǒng)電源更加穩(wěn)定且具有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)。

第一，安保電源的連接與斷開(kāi)完全是自動(dòng)的，不需要人為操作。在自動(dòng)化的電源管理方面反映較為靈敏，且一旦電路發(fā)生任何異常時(shí)都會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，最大限度的提高供配電系統(tǒng)的可靠性。

第二，安保電源也有兩個(gè)發(fā)電機(jī)電源，它也可以在主電源出現(xiàn)故障時(shí)自動(dòng)切換到備用發(fā)電機(jī)進(jìn)行持續(xù)供電。發(fā)電機(jī)一般都是由柴油進(jìn)行發(fā)電的，所以可以在高層建筑整體電力完全供應(yīng)失效的時(shí)候維持備用電力，保證建筑中消防系統(tǒng)的功能正常，以保證救援工作順利展開(kāi)。

第三，安保電源的開(kāi)關(guān)兩側(cè)的電壓是進(jìn)行自動(dòng)切換的主要依據(jù)，它能夠?yàn)楣┡潆姷碾妷杭半娏鬟M(jìn)行量化分析，降低人為預(yù)估的誤差，并獲得最為安全的電源切換保證。

第四，安保電源的的主電源與備用電源是串聯(lián)連接，所以切換速度更快，這大大增加了電源的實(shí)用效果，并且也能一定程度的降低切換電路時(shí)存在的風(fēng)險(xiǎn)。

結(jié)語(yǔ)

高層建筑在不斷發(fā)展，其內(nèi)部的供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)用技術(shù)也在不斷完善。城市的高層建筑在追求高度的同時(shí)也要考慮建筑精度，也就是說(shuō)，它的供電系統(tǒng)是否與它的高層功能相匹配，是否在技術(shù)性上已經(jīng)滿足了安全可靠性。所以在未來(lái)的電氣設(shè)計(jì)與建筑施工中，還要研究和發(fā)現(xiàn)更加可靠的高層建筑電氣設(shè)計(jì)方案，將高層建筑的供配電系統(tǒng)安全可靠性提升到盡可能的高度，從內(nèi)到外的保證高層建筑質(zhì)量安全及生命財(cái)產(chǎn)安全。

參考文獻(xiàn)

[1]張東方，姚鋒鋼.高層建筑供配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].科技致富向?qū)В?012（02）. [2]侯慧敏.高層住宅樓電氣設(shè)計(jì)與研究[D].長(zhǎng)安大學(xué)，2013.

[3] 易明隆.高層建筑供配電技術(shù)可靠性研究[J].企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)，2013（1）.

中圖分類號(hào)：TU97

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A