超高層建筑供配電淺述

裘海晶（現代建筑設計集團－上海建筑設計研究院有限公司,上海 200070）

1 引言

我國自改革開放以來，高層建筑的建設數量日益增多，尤其是超高層建筑，更有競爭高度的態勢，如在建的“上海中心大廈”，總高度632m，建成后將是中國第一高度。這其中既有其技術、經濟和社會需求快速發展等方面的因素，主要也是因為城市人口密度的增大和有效土地資源緊張而引起的。但在國際上，或僅相對于亞洲來說，我國高層建筑的建設起步仍是較晚的，對高層建筑的研究工作也是近十幾年來才開展起來的，有許多需要進一步學習和研究的地方。

超高層建筑的明確定義，基本上是在經過了1972年聯合國教科文組織下屬的世界高層建筑委員會的討論后，才認定40層以上（高度在100m以上）的屬于超高層建筑[1]。但在不同的國家，仍是以各自的具體情況，如建筑類別、防火要求等，對高層及超高層建筑的定義有不同的規定，而我國的《民用建筑設計通則》中也已明確規定“建筑高度大于100m的民用建筑為超高層建筑”。

2 超高層建筑的供配電設計特點

超高層建筑和一般高層建筑相比，因為建筑體量的巨大化，使得其中的用電設備的種類更多，用電量更大，供電可靠性要求和智能化程度要求也更高，因此其電氣線路和設備機房也更多更復雜。而電氣設計的基本是要穩定、可靠地接受電力和信息，并在高智能化的技術支持下以達到高舒適性的目的。因此，供電電源的可靠安全是整個電氣設計的基礎條件，要打好基礎，則必須了解超高層建筑的特點，有針對性的進行供配電設計。

超高層建筑的最大特點就是“高”，這點引申到供配電設計上來說就是要考慮供電半徑的問題，不同容量的變壓器，其遠距離帶負荷能力不同，且供電距離與負荷密度大小是成反比關系的。現代的超高層建筑大多為功能多樣的綜合性大樓，可以同時包括有商業、辦公、酒店、餐廳等性質和使用功能完全不同的建筑類型，這使得整個建筑的用電設備復雜而多樣，負荷密度變化較大。通常來說，電力設備中用電負荷比重最大的往往是空調通風設備，經常占到整個用電負荷的50%～60%甚至以上，其設備機房經常集中設于地下室內或屋頂層，這是用電負荷較為集中的區域。另外對超高層建筑來說，電梯的數量不僅多且通常會設置有分區電梯來適應各種不同使用功能的要求，從而使得部分電梯機房布置在大樓的中部位置，再加上可能會有的中間泵站和分區空調設備，這使得超高層建筑的中部也會成為一個用電負荷密度較高的區域。設計的關鍵原則就是變壓器的設置盡量靠近用電負荷中心，最大化地利用變壓器的帶負荷能力；因此在建筑物的恰當位置設置中間機房層是非常重要的，超高層建筑的中部機房層通常會與避難層結合設置，即作為一個應急疏散的重要場所，也為各個設備系統的轉換、接力提供必要的空間。

超高層建筑的另一個特點是火災情況下火勢蔓延速度快、撲救難度大且疏散困難，針對這個特點，建筑結構、給排水及通風等專業都采取了相應措施。如設置避難層、提高建筑耐火等級，屋面設救援停機坪，設置噴淋、排煙系統等等。電氣專業作為建筑中的基礎服務專業，在提供安全可靠的正常電源的前提下，自備的應急電源的可靠連續運行也是非常必要的。因此自備柴油發電機的設置在超高層建筑中是非常普遍的，這是超高層建筑供配電系統的一個特點。當建筑物定位在為高端客戶服務的基礎上時，預留自備柴油發電機的設置空間及一些縱向垂直通道的空間，對將來的招商也是非常有利的。

另外還有超高層建筑內設備的運輸和安裝問題，由于變壓器等大型電氣設備安裝在大樓中部，根據超高層建筑的規模程度不同，變壓器和高低壓開關設備及大型用電設備的運輸和安裝對施工來說也存在著一定的難度，需要在設計階段適當的考慮合理的運輸通道等以減緩施工難度。通常考慮以電梯井道作為縱向運輸通道，與建筑、結構專業緊密配合，并在水平運輸通道的適當位置預留部分水平牽引拉環等裝置。

3 實例介紹

上海塘東地區某地塊工程，基地內主要包括五棟高層建筑D1～D5，其中D1建筑高度為190m，建筑面積約11萬m2；D2和D3（互為鏡向）建筑高度為130m，建筑面積分別約9.3萬m2；D4和D5（互為鏡向）建筑高度為80m，建筑面積分別約6.8萬m2。五棟樓均為辦公樓性質，其建筑結構及使用功能相似，都是地下3層車庫加設備用房，地上1～2層商業及物業管理用房，3層以上均為標準層辦公，屋頂1～2層的機房層，其中三棟超高層建筑的中段部位均設有避難層加設備用房。

由于超高層建筑通常體量都較大，其供電電壓等級有一定的選擇性，在設計初期合理地確定其供電電壓等級是非常重要的。《上海電力供電營業細則》有相關的規定，“客戶受電變壓器總容量在6300kVA以上至4萬kVA，采用35kV電壓供電”。但是“根據電網情況或客戶用電特殊要求，經過經濟、技術比較后，供電電壓的界限可作適當變動”。本項目中業主要求D1～D5均能獨立運營且產權獨立，各樓的變壓器裝接容量可詳見表1。可以看出D1～D3按規定都需要以35kV電壓供電，但顯然這樣的做法從經濟技術等各方面來說都不合理，最終與當地供電部門進行多次的協商討論后，決定在基地內建設一座35kV/10kV的電業變電站（由供電部門負責建設和運營管理），再從站內向各棟樓分別送專用的10kV電源至樓內10/0.4kV用戶變電站，10kV電源進線側設電業計量表計。

表1 變壓器容量

以下主要介紹超高層建筑D1～D3的供配電方案：

根據業主的要求，D1建筑的高度最高，其整體定位要求也最高，不管是從體形還是使用功能上都必須在地塊內起到龍頭的作用。因此設計時考慮的其電源可靠性要求也最高；設計采用了三路10kV電源引入，二用一備，之間設手動聯絡開關，每路電源均可帶全部一、二級負荷正常運行；另外在地下1層設2組1250kVA柴油發電機組作為應急電源，直接供至低壓應急母線，并在機房內預留高端客戶自備柴油發電機的安裝空間；大樓的10kV高壓配電系統詳見圖1。

D2和D3互為鏡關系，以D2為例，采用兩路10kV電源引入，同時供電，之間不設聯絡開關，每路電源均可帶全部一、二級負荷正常運行；另外在地下1層設2組1000kVA柴油發電機組作為應急電源，直接供至低壓應急母線；大樓的10kV高壓配電系統詳見圖2。

圖1 層難避于設分部內框線虛（圖線單統系電配壓高1D ）

圖 2 層難避于設分部內框線虛（圖線單統系電配壓高2D）

以上兩種供電方案均為放射式配電，由地下1層主變配電室放射式配出專路10kV電纜至避難層副變配電室內的變壓器。其中D1采用了三路10kV電源進線，二用一備。當其中一路常用電源故障或檢修時，備用電源可代替其100%的全部用電負荷正常運行，而無需切除任何負荷。三個電源間聯絡開關均設置為手動操作方式，以防止誤動作；從主變配電室不同的母線上分別引出一路10kV專路電源送至避難層副變配電室分段母線，母線之間同樣設置手動聯絡開關，當其中一路電源故障或檢修時，另一路可帶其中一、二級負荷正常運行。可以說D1的整個電源系統的供電可靠性在滿足規范的要求之上是有進一步提高的，這種方式比較適合于對電源有特殊要求或有較多特別重要用電負荷的情況，但也考慮到建設費用相對較高，因此對D2、D3建筑仍采用了常規的兩路獨立電源供電外加應急柴油發電機的配電模式。

當超高層建筑的高度繼續向上發展或者建筑的使用功能發生變化，如從辦公轉換為酒店，建筑內可能會在中部設有多個避難層（機房層），用電負荷密度也同樣隨之分散發展。除了仍可采用放射方式向各個避難層的分變配電室分別配電外，也可選擇采用環網方式進行配電，將各個分變配電室以開環連接，形成縱向網絡，這種配電方式在橫向的城市供電網絡中應用非常廣泛。其特點是網絡中任一變壓器的故障和檢修都可不影響其他變壓器的正常運行，同樣也具有較高的供電可靠性。具體可結合工程的具體性質和要求以及投資費用等各方面綜合考慮，選擇適當的安全可靠的供電方案。

4 結束語

超高層建筑的建設正在快速發展，其安全性、耐久性和舒適性都將有進一步的發展，但僅上海地區，超高層建筑有近1/3以上是由境外設計公司負責設計建設的，國內的設計研究工作仍不能完全滿足要求，希望通過不斷的學習、交流和研究能使我們的設計技術發展與建設同步。

[1] 三棲邦博. 超高層辦公樓[M]. 劉樹信，譯.北京: 中國建筑工業出版社, 2003.

[2] 中華人民共和國公安部.GB 50045-95高層民用建筑設計防火規范（2005年版）[S]. 北京: 中國計劃出版社, 2005.