簡述高層住宅建筑電氣系統設計

劉洪斌

山東大眾報業（集團）有限公司 山東 濟南 250014

引言

隨著我國經濟和社會的快速發展，人民生活水平的提高。住宅小區中的高層建筑越來越多，人們的居住環境得到改善，更希望居住的安全、舒適。由于高層住宅建筑普遍的樓層高，居住人員密集。與普通的住宅相比，支持高層住宅建筑正常運轉的電氣設備也多，增加了消防設備、用戶電梯；生活用水加壓泵等維持高層住宅正常運轉的必備設備，而可靠的電力對供應是維持這些設備運行的必要條件。因此，對高層住宅建筑電氣系統設計提出更高要求。

對高層住宅建筑電氣系統進行設計時，首先根據設計要求，充分調研、獲取相關資料和數據，依據要嚴格遵守國家現行的相關標準和設計規范進行設計。要掌握和了解高層建筑內用電設備的功能和重要程度，用電設備的數量和額定功率等參數。根據獲取的技術資料和參數，對用電設備進行負荷分級和負荷估算。確定電力變壓器的容量、型號；電壓等級、電源的供電方式；輸電電纜或導線，各種斷開關等配電設備的選型。結合高層住宅建筑內用電設備運行的特點，采取的措施對電氣系統進行科學、合理、規范的設計。確保電氣設備安全、可靠的運行，確保人員和建筑的安全。

1 高層住宅建筑電氣系統設計的特點和基本內容

1.1 高層住宅建筑電氣系統設計的特點

相比于其他住宅建筑，高層住宅建筑電氣系統設計是同高層建筑的特質以及建筑內的電氣設備有緊密的聯系。它增加了消防設備、用戶電梯；生活用水加壓泵等維持高層住宅正常運轉的必備電氣設備。還有為保障居民在高層住宅建筑內正常、安全、舒適的居住生活的各種安全保障控制系統和信息網絡系統等弱電設備。具有用電設備多，用電量大，各種用電設備功能繁雜，對居民、建筑物和電氣設備的安全性、可靠性要求高等特點，也因此對高層住宅建筑電氣系統的設計提出更高的要求[1]。

1.2 電氣系統設計的基本內容

高層住宅建筑的電氣系統內容包括：①供電電源的選擇和分配。②用電負荷及用電比例的估算。③低壓配電系統。包括變壓器；計量方式；功率補償；低壓配電方式；防雷與安全接地；照明系統等。④弱電設備包括：消防報警及消防聯動系統。⑤樓宇門禁、報警燈管理與監控系統、通訊、信息網絡系統、有線電視等。

2 用電負荷分級及估算

住宅小區的高層住宅建筑是各種電氣設備的集中地，各種功能的電氣設備多，用電量大，是電氣系統設計的重要部分。科學合理地設計供配電系統，對維持高層住宅建筑電氣系統的正常、穩定性起著至關重要的作用。在對電氣系統設計前，首先需要對高層住宅建筑的用電設備的性質、數量和功率統計匯總，將用電設備分出用電負荷等級，對各種用電負荷及比例進行估算，為下一步各種電氣設備選擇供電電源、設備的選型、配電方案等提供依據。

2.1 用電負荷分級

根據現行的國家技術標準和規范要求，按照對中斷供電在政治經濟所造成的影響程度和可能造成人身傷亡事故的嚴重程度，將用電負荷分為3個等級，按照負荷等級選擇供電電源和配電方案。其中將不允許中斷供電的特別重要場所的用電設備，以及停電將造成人員傷亡或設備損壞，造成重大經濟損失的用電負荷劃分為一級負荷。將負荷中斷供電會在經濟上造成較大損失和影響的用電負荷，及二類高層民用建筑的用電負荷劃分為二級負荷。三級用電負荷對供電無特殊要求，采用單電源供電。住宅小區的供電電源由供電管理部門根據當地電網的實際確定通常為10kV高壓電源。同時根據負荷允許中斷時間考慮可以選擇發電機、UPS、蓄電池按等級設置備用電源以滿足供電[2]。根據負荷分級的原則，推薦對住宅小區主要用電設備的負荷分級參見表1。

表1 住宅小區用電設備的負荷分級

2.2 用電負荷估算

高層住宅建筑用電負荷的估算是供配電系統設計依據。在工程設計中，變壓器的容量、斷路開關、輸電導線的選型是否安全、經濟、合理，都需要對電氣系統的用電負荷進行估算并以此為依據。

在計算高層住宅建筑的用電負荷時，通常將用電負荷分為公共部分和住宅部分進行計算。公共部分用電負荷通常采用改進的需要系數法計算。

需要系數法的公式為：

式中Pjs——計算有功功率（kW）

Kl——有功功率同時系數

Kx——設備組需要系數

Pe——設備組的設備功率（kW/戶）

這樣計算出的用電負荷在理論上可以作為住宅建筑選擇變壓器的依據。

住宅部分用電設備繁多、使用隨機性大。目前住宅部分的用電負荷通常采用單位指標法計算[3]。單位指標法計算有功功率的公式為：

式中Pjs——住宅計算有功功率（kW）

Kx——住宅建筑用電負荷需要系數

Pe——單套住宅用電負荷（kW/戶）

N——住宅戶數

變壓器容量的計算公式如3所示：

式中Sjs——變壓器所需容量

Pn——變壓器供電的住宅部分有功功率之和（kW）

Kx——住宅建筑用電負荷需要系數

Kl——變壓器負載率：85%

另一種估算用電負荷方法是將已建同類高層住宅建筑的變壓器裝機容量作為設計師的參考。住宅高層建筑按以下估算：建筑面積≤80m2，6kW/戶；80m2<建筑面積≤120m2，8kW/戶；120m2<建筑面積≤150m2，10kW/戶；150m2以上住宅，超過面積部分按照50w/m2的標準配置。基本供電容量最高為160kW/戶。住戶數量不同，需要系數不同。

高層住宅用電負荷的比例一般為：照明占15%～30%；空調等動力用電占50%～65%（不含中央空調），一般電力占15%～25%。

3 電氣系統的設計

3.1 變壓器選擇

當電力變壓器設置在高層住宅建筑時，電力變壓器應選用干式變壓器，它具有體積小、易維護、防火性能好的特點。國間標準推薦使用連接線組別為Dyn11型變壓器，它具有限制三次諧波，降低零序阻抗，提高斷路器動作靈敏度的優點。

住宅小區變電站位置應根據用電負荷的密度和分布情況，盡量選在結晶負荷中心的位置，通常設在高層住宅家住的地下層活下去的專用建筑內。地下層是共層建筑用電負荷較為集中的地方，給、排水泵；消防水泵；排風機等大用電量的設備多集中安裝在地下層，這樣選擇可方便進出輸電電纜并降低線路損耗，提高電能質量[4]。

3.2 計量方式

高層住宅建筑的總用電計量采用高供、高計方式，供電管理部門在10kV電源進線處設置專用計量裝置，現在大多采用通過無線遠程抄表系統計量收費。在低壓側按甲方要求(便于物業管理)設電力分表和住戶電度表。為便于管理，我國要求高層住宅小區實行住戶電度表一戶一表集中管理方式。多采用IC卡充值電度表或無線遠程抄表系統。

3.3 功率因數補償

高層住宅小區用電設備的功率因數大多位于0.8～0.85之間，需要采取相應措施進行無功補償提高功率因數，已滿足國家標準。高層住宅建筑通常采用低壓集中自動補償方式，在變電室低壓側設功率因數自動補償裝置，電容器組采用自動循環投切方式，要求補償到高壓側的功率因數在0.9以上[5]。

3.4 配電方式

高層住宅小區的供電電源，通常由供電部門提供一路10kV高壓交流電源，進戶高壓電纜的規格、型號由供電部門確定并安裝敷設。高壓交流電源進入高層建筑的變電室后，經變壓器轉換為220/380V的低壓交流電源，通過配電系統向各級負荷供電。

每臺變壓器采用放射式供電，低壓為微單母線分段運行。消防用電單獨設母線段，以提高消防設備供電的可靠性。弱電機房采用UPS電源，地下車庫應急照明采用EPS電源；障礙標志燈采用太陽能光伏電池；應急電源要確保一級負荷中特別重要的負荷的用電。對于消防控制室、消防負荷、用戶電梯、弱電機房等較重要的一級負荷，采用專用雙路電源供電。對于照明及一般負荷則多采用樹干式、放射式、水平是相結合的布線方式，由變電室之各樓層配電間敷設。

3.5 防雷與接地

在設計防雷裝置前，需要對高層住宅建筑及附近可能產生的雷電風險以及可能產生的損壞進行評估確定防雷類別，再根據防雷級別采取相應的雷電防護措施。根據《民用建筑電氣設計標準》防雷類別的劃分原則，住宅小區內高層民用建筑高度超過100m的屬于第二類及防雷等級。100m以下19層及以上的民用建筑和高度超過50m的民用建筑屬于第三類防雷等級。

高層住宅建筑的防雷裝置要滿足防直擊雷、側擊雷、防雷感應及雷電波的侵入，并設置等電位聯結，由接閃器、引下線、接地極等構成避雷裝置。裝置要鍍鋅防腐，可靠焊接。通常高層住宅建筑將防雷接地、變壓器中性點接地、電氣設備的保護接、電梯機房、消防控制室、弱電機房等共用統一接地裝置，接地電阻不大于1Ω。實測不滿足要求時，需增設人工接地極[6]。

3.6 照明系統設計

高層住宅建筑照明系統的設計有：照明光源選取、主要場所照度值計算、照明配電線路、應急照明選取安裝等內容。

高層住宅建筑內照明設計：一般的場所光源推薦以節能型熒光燈、LED燈或其他節能型燈具等為主，動力設備機房的光源推薦采用金屬鹵化物燈等防爆型燈具。各場所照明度值的選擇，推薦一般住宅日常照明照度值取100lx～200lx；建筑物公共部位照度值取50～150lx；設備機房照度值取150lx～500lx。高層住宅建筑應急照明設計：消防控制室、消防泵房、通信機房變電室都要設置應急照明。公共場所、走廊、樓梯間、主要出入口應設置疏散照明。消防控制室、變電室、設備機房應急照明持續供電時間應大于180min。其他部位應急照明燈具多采用內置鎳鎘電池燈具，應急照明持續時間應大于30min。

4 結束語

隨著高層住宅建筑增多，人們對高層住宅建筑電氣系統的安全、穩定運行提出更高的要求設計。設計人員設計時要遵照“以人為本”的設計理念，嚴格遵守國家相關強制性規范和技術標準，積極借鑒國外先進技術和理念，始終把保障人員用電安全放在第一位。要結合實際項目特點合理選擇設計方案，滿足對高層住宅建筑電氣系統的設計要求，充分實現電氣系統的功能。與此同時，要適當考慮設備的經濟運行和產生的經濟效益，在保障人員用電安全和設備安全、運行穩定的前提下，根據國情綜合考慮，處理好安全、綠色節能和經濟效益三方面的關系。