超高層民用建筑電氣設計要點探討

陳華堅

摘要：隨著我國社會經濟快速增長、建筑業技術日益強大，越來越多的超高層民用建筑涌現在我國各大城市。在供電安全可靠性、經濟合理性、雷電防護等方面相應提出了更高的要求。其內部電氣系統設計合理與否，密切關系到用戶用電的安全性、可靠性、經濟性。筆者根據設計規范并結合工程設計經驗，從供配電系統、變配電所、核心筒電氣豎井、防雷接地等方面闡述了電氣設計要點內容，對設計中普高存在的一些問題、矛盾進行探討。

關鍵詞：超高層民用建筑;供配電系統;變配電所;電氣豎井;防雷接地

規范對超高層民用建筑定義：大于100m的民用建筑物。相對而言，超高層民用建筑體量大、用電負荷種類多、用電容量大、對供電可靠性的要求高。本文以超高層商業綜合體為例，詳細闡述了電氣設計要點，針對存在的一些矛盾、問題提出相應建議、對策。

一、設計原則

首先，遵循安全可靠性原則。安全、可靠，是電氣系統設計的最基本要求。在超高層民用建筑電氣設計時，首先應保證用戶用電正常，確保用戶正常生活工作、設備正常運轉。

其次，遵循經濟性原則。經濟性是業主最關心的要素之一。在進行電氣設計時，要合理配置各電氣系統，優先采用先進的節能新技術，降低能耗和運行管理費用，提升經濟效益。

再次，遵循功能性原則。超高層民用建筑功能種類繁多，一個優秀的電氣設計作品，應當與其建筑功能相匹配。滿足建筑、業主功能需求，配合建筑將其功能發揮到極致，將建筑空間功能襯托到最優。

二、建筑電氣設計內容

（一）供配電系統設計

供配電系統，作為電氣設計的核心，其系統的合理性影響到供電安全可靠性、經濟性，直接影響業主的切身利益。因此，在超高層建筑設計中，應按照負荷性質、用電容量、工程特點和地區供電條件，統籌兼顧，合理確定供配電系統設計方案。主要包括：負荷等級、負荷計算及供電電源的確定。

1、 負荷等級

負荷等級的確定，應結合建筑類型、建筑體量、負荷種類、對供電可靠性的要求及中斷供電在對人身安全、經濟損失上所造成的影響程度進行分級。相對而言，超高層建筑體量大，負荷種類多、對供電可靠性的要求高。負荷分級如下：

1） 一級負荷：消防設備、走道照明、公共照明、大型商場備用照明、航空障礙照明、客梯、排污泵、生活水泵、安防系統、智能化系統、地下車庫照明等用電;

2） 二級負荷：商場照明用電、自動扶梯、商場空調用電;

3） 三級負荷： 塔樓普通照明及小動力、開水器、普通風機、廣告照明、景觀照明、泛光照明等用電。

2、 負荷計算

對水泵、風機、電梯等動力用電設備按其設備容量進行統計，對照明、辦公用電等負荷按負荷密度法進行統計。采用需要系數法進行負荷計算，從而確定變壓器總安裝容量。

3、 供電電源

供電電源主要確定供電容量和供電回路數。應根據當地市政電網現狀、用戶用電負荷重要程度及需求、各級負荷計算結果等進行綜合考慮。基本上，每路高壓線路最多能負擔約10000kVA的容量。如市政電網能滿足嚴格意義上的雙重或多重電源，可考慮雙電源供電，互為備用，也可考慮三路電源，兩用一備，具體視變壓器總安裝容量而定。可滿足一、二級負荷供電要求。

（二）變配電所設計

變配電所設計應根據工程特點、負荷性質、用電容量、所址環境、供電條件和節約電能等因素，合理確定設計方案，并適當考慮發展的可能性。

1、所址選擇

變配電所位置選擇應以深入負荷中心、方便進出線、方便設備運輸等因素為原則，同時，需滿足國家或地區相關規范要求。

1）當建筑物高度小于250m時，優先考慮在建筑物首層設置變配電所（當首層無條件設置時，可考慮設置在地下一層，但不能為最底層），為地下室、裙樓及塔樓供電;

2）當建筑物高度大于250m時，除在建筑物首層設置變配電所為地下室、裙樓及低區中區塔樓供電外，建議在避難層設置變配電所為高區塔樓供電，此舉主要考慮電壓降以確保電能質量。

3）空調制冷主機房變配電所盡可能與其貼鄰設置。

2、主接線型式

變壓器每兩臺為一組，低壓側采用單母線分段結線型式，兩變壓器低壓側設聯絡斷路器柜。平時分列運行，當一臺變壓器發生故障時，自動或手動切除其三級負荷，由另一臺負擔其全部一、二級負荷，故障排除后恢復常態。各組兩低壓進線斷路器與聯絡斷路器設電氣及機械聯鎖。

（三）核心筒電氣豎井設計

核心筒電氣豎井主要包括：低壓電纜井、高壓電纜井、消防電纜井等。電氣豎井主要以方便設備安裝與操作、方便進出線等為原則，合理確定其位置及面積。

1）各層核心筒內設置低壓電纜井，上下對齊，一般面積約6～9平方，主要與變配電所設置所分布情況有關。如變配電所集中設置在首層或地下一層，由于有大量的母線、電纜供電至塔樓各層，核心筒內低壓電纜井需要占用的面積較大;如變配電所分散設置在首層及各避難層，低壓電纜井占用的面積較小。

2）如塔樓避難層設置有變配電所，需在核心筒設置高壓電纜井，由高壓配電房所在樓層通至塔樓變配電所所在樓層，上下對齊，面積一般約為1平方米。

3）為滿足《建筑高度大于250 米民用建筑防火設計加強性技術要求（試行）》公消〔2018〕57號要求，如建筑物高度大于250m時，核心筒內除設置低壓電纜井、高壓電纜井外，另需設置消防電纜井，此井專門敷設消防用電雙回路中其中一回路。

（四）防雷接地系統設計

為防止或減少雷擊建筑物造成人身傷亡和文物、財產損失，以及雷擊電磁脈沖引發的電氣和電子系統損壞或錯誤運行，設置防雷接地系統。

1、防雷等級

防雷等級分為一類、二類、三類防雷。應根據項目所在地區年平均雷暴日、建筑物幾何尺寸計算出年預計雷擊次數，從而確定建筑物防雷等級。絕大部分超高層民用建筑按二類防雷設計。

2、防雷措施

二類防雷建筑應設置防直擊雷、防側擊雷、防閃電電涌侵入等措施，并設置等電位聯接。

2.1防直擊雷：

接閃器：沿屋頂女兒墻四周設明敷接閃帶，在屋頂外突角等部位設接閃桿，在屋面設接閃網，網格不大于10m×10m或12m×8m，敷于屋面隔熱層下。

引下線：利用建筑外圍鋼管柱金屬體或砼柱子豎向主筋（φ≥16者2根，或16>φ≥12者4根）作防雷引下線，引下線間距不大于18m。

接地裝置：利用基礎樁及承臺鋼筋作接地極，利用底板及地下層外圍砼墻主筋連成接地網，接地極與接地網相連形成接地裝置。電氣接地、防雷接地、各弱電系統接地共用該接地裝置。系統接地電阻不得大于1Ω。

2.2防側擊雷：

超高層民用建筑，其上部占總高度20%并超過60m的部位應防側擊雷。

利用幕墻金屬龍軟骨作接閃網，網格橫向每層連接成環，豎向為幕墻立柱引下線。塔樓每層均設樓層等電位聯接。利用樓層外圍圈梁、框架梁或樓板主筋連接成網格，形成樓層等電位聯接網，并與引下線連接。

2.3防閃電電涌侵入：

進出本建筑的金屬管道，電纜金屬外皮均在入戶處與接地系統連接。中壓進線設避雷器。屋面金屬物體均與接閃帶、網連接。屋面其它金屬物體均與接閃網焊連。

三、存在問題及對策

1、我國絕大部分地區市政電網現狀條件難以為用戶提供嚴格意義上的雙重或多重電源，基本上僅由同一變電站為用戶提供多路電源，一路電源發生故障時，無法確保其余回路正常。

2、大部分超高層民用建筑中，首層、地下一層的功能往往是商業，在業主心目中屬黃金樓層，商業價值高，業主強烈反對將變配電所設置在首層，而地下一層設備區域又無法滿足所有變配電所的布置。這種情況下，建議在建筑物地下一層（不能是最底層）設置變配電所，為地下室、裙樓供電，在避難層設置變配電所為塔樓供電，滿足規范的同時又可滿足業主的需求。

3、大部分業主追求商業利益最大化，那就意味著塔樓核心筒面積最小，這一矛盾就成為設計師一大難題。核心筒中除了電氣豎井外，還有大量的空調、水專業的管井，面積緊張。面對這一問題，建議將變配電所分散設置在地下室及塔樓各避難層。此舉不僅可減少電氣豎井面積，還可使變配電所深入負荷中心，減少電壓降，提高電能質量。

4、由于土壤不同，部分地區項目在接地電阻測試時，電阻值無法滿足規范要求。設計師可提供一些應對措施如：通過加降阻劑等方式使其達到要求。

四、結束語

總而言之，在超高層民用建筑電氣設計中，需遵循一定的設計原則，滿足建筑物的功能需求與安全性能。合理配置供配電系統，使電氣系統簡單、安全、可靠。

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（作者單位：華南理工大學建筑設計研究院有限公司）