超高層建筑供配電系統(tǒng)設計

張 斌

(1.上海交通大學, 上海 201100;2.華東建筑設計研究院有限公司, 上海 200002)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟高速發(fā)展,超高層地標建筑不斷涌現(xiàn),并逐漸演變成衡量城市現(xiàn)代化和經(jīng)濟發(fā)展水平的重要標志。相比一般高層公共建筑,超高層建筑功能更多、用電負荷總?cè)萘扛蟆⒐╇娋嚯x更遠,其供配電系統(tǒng)相應更為復雜。超高層建筑供配電系統(tǒng)方案的確定是一個綜合的設計過程,其中如何確定高壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、設置分配變電所、選擇應急電源電壓等級顯得尤為重要。

1 超高層建筑供配電設計特點

超高層建筑相較于其他民用建筑,最顯著的特點是樓層數(shù)多,建筑高度達100 m以上,相應的供電距離較遠。近年來,超高層建筑的高度往往都超過250 m,其供配電系統(tǒng)特點更為典型。本文主要圍繞高度超過250 m的超限高層建筑進行討論分析。

超高層建筑體量規(guī)模往往很大,單位面積用電負荷多在80～138 VA[1],通常需要采用多個10～110 kV電源供電[2]。同時超高層建筑多為商業(yè)、酒店、公寓、辦公等多種功能的綜合體,各業(yè)態(tài)常規(guī)根據(jù)機電設備層按區(qū)段分開,故供配電系統(tǒng)一般按業(yè)態(tài)劃分。

此外,超高層建筑對供配電可靠性要求較高,故除市電外還應設置柴油發(fā)電機作為應急或備用電源。柴油發(fā)電機的電壓等級取決于其供電距離[3-4]。

2 供配電系統(tǒng)設計難點

2.1 供電距離

依據(jù)相關規(guī)范[5],供電線路電壓降不應大于5%,而LEED認證的ASHRAE標準要求更高,規(guī)定“支流導線粗細應適應于設計荷載2%的最大電壓下降”。電壓降計算公式:

式中:Un——電壓等級;

R——電阻;

X——感抗;

I——計算電流;

L——供電距離。

0.38 kV電壓等級下(以1 000 A密集銅母線及240 mm2電纜為例),線路電壓損失供電距離計算如表1所示。

表1 0.38 kV線路電壓損失供電距離計算

由表1可見,0.38 kV低壓配電系統(tǒng)電纜供電距離不應大于256 m,1 000 A母線供電半徑不大于155 m。如根據(jù)LEED標準,兩者供電半徑分別減少至102 m和62 m。

2.2 周邊電壓條件

超高層建筑電源電壓等級通常為10 kV、20 kV、35 kV、110 kV,但電源數(shù)、電壓等級、單路電源容量實際還受地區(qū)周邊供電電壓條件限制。

2.3 地上變配電所設置條件限制

超高層上塔樓變電所通常按業(yè)態(tài)或物管要求分設,還受建筑空間條件限制。地上變配電所需設置在各設備層,而設備層設置樓層以及凈高往往是由建筑專業(yè)決定,故對地上配變電所設置位置有所限制。此外,機電設備層面積有限,對地上分配變電所面積有一定限制。

2.4 地上變壓器運輸

超高層建筑地上變壓器常規(guī)可通過貨梯直接運輸或利用電梯井道運輸,變壓器單臺容量受電梯載重量及井道空間限制[6]。

3 變配電所設置分析

超高層建筑高壓電源電壓等級通常為10～110 kV,本文按10 kV為例計算分析。

3.1 高壓供配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

超高層高壓供配電通常采用主分、放射式、二級配電[3]或兩種混合型。主分結(jié)構(gòu)即在超高層建筑中設一個或多個高壓總配變電所(多設于地下室)。放射式是向各分變電所變壓器供電。二級配電即由高壓第一級變電所先向中壓第二級變電所供電,再由二級變電所向下級變壓器供電。兩者主要區(qū)別是二級配電多一級高壓配電,前者高壓電纜較多,簡單可靠;后者高壓柜多,可靠性稍低。

以10/0.4 kV配電系統(tǒng)為例,根據(jù)供電距離及下級變壓器數(shù)量不同,線路電壓損失供電距離計算如表2所示。

由表2可見,當下級變壓器數(shù)量為4臺時,供電距離小于475 m,采用主分結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性較好,供電距離大于475 m時,可考慮采用二級配電結(jié)構(gòu);但下級變壓器數(shù)量為6臺時,供電距離超過235 m時,二級配電結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性開始好于主分結(jié)構(gòu)。

表2 10/0.4 kV線路電壓損失供電距離計算

綜上所述,供電距離遠且下級帶的變壓器數(shù)量較多時,二級配電結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性更好,否則宜采用簡單可靠的主分配電結(jié)構(gòu)。此外,高壓供配電結(jié)構(gòu)還取決于各業(yè)態(tài)分變配電所需是否需獨立管理。對于綜合性較高多業(yè)態(tài)獨立管理的超高層建筑,也可采用兩者混合型配電結(jié)構(gòu)。

3.2 配變電所設置

超高層建筑變電所設置問題較為復雜,一方面變電所設置應盡量縮短供電電纜長度,同時因條件限制宜盡量減少設置在塔樓上的分變電所數(shù)量及變壓器臺數(shù)。本文主要討論超過250 m超限高層建筑,因塔樓上設置分變電所的比選方法較為簡單,故本文僅分析更為復雜的情況。

以某300 m超高層項目為例,每層面積約為2 200 m2,業(yè)態(tài)均為辦公,樓層數(shù)為60層,其中設備層為10F、20F、30F、40F及50F,不計地下室及集中冷熱源負荷。不同變電所設置方案如圖1所示。

圖1 不同變電所設置方案

為簡化計算,平均層高按5 m估算,干線電纜數(shù)量按變壓器容量乘以校正系數(shù)(取0.02),假設建筑內(nèi)負荷分布均勻,即干線電纜長度取供電距離均值,線路年有功損耗按文獻[7]相關公式計算,根據(jù)辦公建筑負荷運行特點,τ取4 000 h[8],線路選用240 mm2銅芯交聯(lián)聚乙烯電纜,消防、備用負荷數(shù)按總電纜1/3考慮。

按文獻[7]變壓器節(jié)能評價的年平均費用法對上述4種方案進行經(jīng)濟技術比選(設備、電纜價格均按經(jīng)驗值,高低壓柜、變壓器等設備經(jīng)濟使用周期取20 a,電價取1元/kWh)。4種方案經(jīng)濟比選如表3所示。

表3 4種方案經(jīng)濟比選

由比選結(jié)果可見,方案三經(jīng)濟性最佳,其次為方案二、方案四。即有條件時,應在每個避難/設備層設置樓層分變電所,這樣供電半徑最小,減少低壓電纜用銅量及線路損耗。但大多數(shù)情況下,超高層建筑僅有部分避難層有條件設置配變電所,此時可選次優(yōu)的方案二或方案四。另外,方案二與方案四經(jīng)濟性計算結(jié)果相近,但方案二變壓器相對集中設置,分變電所數(shù)量較少,且更有利于靈活調(diào)配用電負荷。

4 柴油發(fā)電機電壓選擇

以1 000 kW柴油發(fā)電機組為例,對柴發(fā)電壓等級作計算分析,假設在停電或火災時應急線路計算電流為1 600 A。根據(jù)電壓降計算公式,不同電壓等級下線路壓降與供電距離如表4所示。

由表4可得,選用0.4 kV低壓柴油發(fā)電機組在保證線路電壓降不超過5%時,采用電纜供電極限距離約為242 m,采用母線供電最大半徑約為192 m,放大規(guī)格后約為254 m。

表4 不同電壓等級下線路壓降與供電距離

在上述設定條件及壓降計算基礎上進行經(jīng)濟性分析。線路壓降與供電距離經(jīng)濟性分析如表5所示。

表5 線路壓降與供電距離經(jīng)濟性分析

由表5可見,方案二的總造價最低,其次為方案三。柴發(fā)電壓為0.4 kV時,在保證電壓降不超過5%條件下,最大供電距離約為240 m,否則需要進一步放大線纜截面,經(jīng)濟性隨之下降。此外,發(fā)電機容量較大時線路計算電流隨之增大,采用多路或多拼電纜供電不合理,需采用防火母線供電,會增加線路造價。而采用10 kV線路壓降小,在供電距離大于250 m時經(jīng)濟性較高,但高壓發(fā)電機控制維護較為復雜,對操作人員要求較高。

綜上所述,超高層建筑在發(fā)電機容量較小且供電距離小于250 m時電壓等級宜選擇0.4 kV,反之可以考慮選用經(jīng)濟技術性更好的10 kV方案。

5 結(jié) 語

本文介紹了超高層供配電系統(tǒng)的幾大特點,對主要的設計難點問題進行了計算分析,通過經(jīng)濟技術比選總結(jié)出了一些規(guī)律和結(jié)論。超高層建筑供配電系統(tǒng)較為復雜,在實際設計過程中還會遇到許多限制條件,還需電氣設計人員結(jié)合具體情況,靈活運用本文提供的方法思路,反復論證比選方案,以期做到供配電系統(tǒng)安全、經(jīng)濟、合理。