超高層建筑電氣設計的幾點體會

傅勇平 朱亮亮

（1.香港華藝設計顧問（深圳）有限公司，深圳 518031；2.重慶市設計院，重慶 450000）

近年來，全國各地大量涌現超高層建筑，幾乎都成為當地城市的重要標志。但是，超高層建筑人員密集，機電設備多，用電負荷大，對電能質量及用電可靠性要求高，對消防用電也有更高的要求，同時由于超高層建筑面積大（一般在20萬平米以上），對超高層建筑的使用及管理要求有也更高，這就給超高層建筑的電氣設計提出了新的挑戰。筆者有幸負責深圳及天津兩處建筑高度200米以上的超高層建筑的電氣設計，現將設計中出現的一些問題及采取的措施整理出來，與同行分享及探討。

中壓供電方式

中壓供電等級由建筑物所在的城市決定，例如深圳中心區采取10KV供電，天津大型建筑采用35kV供電，蘇州工業園區采用20kV供電等。不同的電壓等級相應每路電源的容量不同，要求進線回路數也可能不同，下面以35kV及10kV供電加以說明。

1.35kV 供電：

天津的超高層建筑采用35kV供電時，超高層建筑通常由2路獨立的35kV電源，兩路電源互為備用，單母線分段帶聯絡開關。筆者設計的項目采用35kV直接降至0.4kV，可以減少35/10kV及10kV/0.4的多級轉換帶來的設備投資增加及設備房占用面積的增加，35kV供電每個供電回路可帶用電負荷容量也加大(例630A的出線開關，35kV供電負荷可達38MVA，10kV供電負荷不到 11MVA)，因此兩個35kV供電回路基本可滿足要求，具體線路如下圖：

圖1 35kV供電系統圖

2.10kV 供電：

深圳中心區由于采用10kV供電方式，考慮到10kV區域變電站每個回路容量及出線情況，采用了圖2的方式供電：進線采用3路10kV電源供電。系統有下列四種運行方式：（1）正常運行時，兩路主供電源(1DL、2DL))同時供電，負荷均衡分配，聯絡開關斷開，備用電源(3DL)熱備用；（2）當其中1路主供電源失電時，該路電源與備用電源間的聯絡開關自動投入，當失壓電源回路恢復電壓時，手動斷開聯絡開關，手動合上已恢復供電回路的電源開關，轉換成正常情況下的供電方式；（3）當兩路主供電源均停電，10DL聯絡開關自動投入，備用電源供電；（4）當其中1路主供電源失壓，同時備供電源失壓，另1路主供電源供電，該側聯絡開關保持斷開。

圖2 10kV供電系統圖

二、變電所的設置及設備的垂直運輸

超高層建筑變電所設置需要考慮到以下三個方面：

1.超高層建筑地下室層數一般都會超過1層以上，考慮到首層面積的商業價值，變配電房考慮在地下一層設置，既可以解決洪水時浸水的問題，同時不占用首層價值商業面積。

2.建筑高度超過150米的超高層建筑，應考慮在上部的避難層設變配電房。可以有效解決電能質量的問題（根據甲級寫字樓的標準，穩態電源偏差不大于±2%），同時避免大量的電纜及母線從地下一層穿過電井到頂層，從而減少管井面積，節約電纜投資，同時也可以減少電纜使用中電能的損耗。

3.要考慮避難層變配電房變壓器的運輸問題，包括首次吊裝運輸及日后更換運輸：

（1）盡量利用現有的電梯（消防電梯/貨梯）運輸。筆者設計的深圳超高層項目，貨梯（兼消防梯）運輸重量2.5噸，避難層變壓器選擇SGB-R-10/0.4-1000kVA的變壓器，鐵芯材料為卷鐵芯（R型），線圈絕緣為H級絕緣（SGB型），不帶保護罩重量小于2.4噸，用貨梯可以很好的解決運輸問題，當然用SCB-10/0.4-1000kVA(線圈為樹脂C級絕緣、鐵芯為疊加片式)型變壓器重量近3噸，直接用貨梯運輸就有問題。

（2）利用電梯井道運輸。本人設計的天津超高層項目，貨梯（兼消防梯）運輸重量2.5噸，由于采用35kV供電，考慮避難層的面積等問題，變壓器臺數受到限制，避難層選用35/0.4-800kVA的變壓器，不帶保護罩重量大于3.5噸，變壓器的更換考慮用專業的吊裝設備從電梯井道內吊裝到避難層的配電房內。這種方法要臨時安裝吊裝設備，施工工序比較麻煩。

（3）把變壓器拆分后到避難層安裝。對于鐵芯為疊片式的變壓器，按國家標準要求在車間安裝測試后，把疊片鐵芯拆開，線圈及鐵芯分別用電梯運輸至避難層變配電房，把安裝工具及變壓器檢測設備運至避難層配電房內，將干式變壓器重新組裝。按照變壓器運行前規定的要求,作驗收試驗,內容包括.1.直流電阻；2.絕緣電阻；3.變比；4.工頻耐壓；5.空載試驗。此方法比用電梯井運輸方便。據資料珠海的華力通在廣州及深圳的多個大的樓盤使用此方法安裝運輸。當然此方法不適合鐵芯不能拆開的卷鐵芯變壓器。

三、自備發電機的電壓選擇及設置

1.電壓選擇：

建筑高度超過250米高的建筑，當低壓（0.4kV）發電機組在地下一層設置時，頂層用電設備的電壓需要作電壓降校驗及短路電流校驗，當超過電壓要求時，這時高區的應急電源要考慮用中壓(10kV)的柴油發動機組。由于中壓發電機需設在地下層，10kV電纜通過電井敷設到高區的配電房內，通過變壓器轉換為低壓（0.4kV）電源。接入高區配電房的應急母線段。低壓(0.4kV)應急電纜或母線改為中壓（10kV）供電,可以節省大量到高區配電房的低壓電纜或母線，缺點就是在高區增設相應的變壓器。當然對于低區變配電房的應急電源還是采用低壓（0.4kV）發電機組供電。

2.柴油發電機的啟動條件：

一般的設計都是要求給一級負荷供電的兩臺變壓器母線均停電時，柴油發電機啟動，這種要求沒有把柴油發電機組充分利用。對于3路10kV供電的情形(圖2)，當2路電源同時失電時，應要求發電機啟動，由發電機組帶一級負荷，同時通過電力監控系統減少部分空調、通風、采暖負荷，兩兩聯絡的變壓器聯絡開關合上，由另外1路電源帶所有的低壓配電柜的所有負荷。這種方法充分利用了發電機的電力，減少了一般電力的停電范圍，具體見圖3。

圖3 發電機啟動條件圖 (當其中1路10kV失電時發電機啟動)

四、EPS供電時間(用于應急照明)的確定

關于超高層建筑應急照明的供電持續時間，很多同行根據整個建筑的高度重新計算，疏散時間可能要1小時或2小時，以此推導出EPS的持續供電時間。筆者對這個觀點有不同的看法，超高層建筑在設應急柴油發電機的情況下，第二路電源為柴油發電機組(暫且把2路35KV或10KV電源當成第一電源)，但柴油發電機作為應急照明的供電轉換時間不能滿足規范要求的5秒要求(見《民用建筑電氣設計規范 JGJ16-2008》13.8.5條)，增加EPS電源，在應急柴油發電機啟動并穩定供電后，EPS電源退出供電。理論上說EPS電源的持續供電時間滿足發電機啟動前的轉換時間就可以。同時EPS電源為消耗品，即使一直處于備用的情況下，也是有一定的使用壽命 (一般鉛酸免維護電池使用壽命5～10年)，對新電池的生產及舊電池的處理都會對環境造成很大的污染，不時可以從媒體上看到電池廠發生鉛中毒或鉛污染的事件就可說明污染的問題。

考慮到EPS電源的衰減及其他不確定因素，EPS電源按10分鐘設置。EPS電源作為發電機啟動前的轉換電源，10分鐘完全可以滿足要求。

五、豎向配電干線設計

對于一般的高層建筑，豎向配電盡量用母線供電，來滿足不同樓層用戶用電可能的負荷變化。特別對于裙房的商業，由于功能很不確定，利用母線可以很好的解決二裝的功能變化問題，母線的載流量要考慮低壓柜開關出線連接的方便，以不超過1600A為宜。

對于超高層建筑來說，會有新的問題出現，超高層建筑遇到強風時，會出現左右晃動，而且幅度會比一般樓大，只是這種晃動一般人用肉眼很難發現，例如深圳的標志性建筑地王大廈地面和建筑物頂部水平振幅可以達到0.8米，這時在設計上要考慮采用電纜連接銅母線槽配電的方式，以減低超高層建筑物在搖擺時對銅母線槽接駁組件位置的拉扯壓力，減少發生故障及維修的機會，也相對地增加了主干系統的壽命。

六、諧波治理及電抗器的選擇

諧波源及諧波抑制措施與一般的辦公樓沒有原則的區別，用電設備以單相設備為主，使用2脈沖裝置，如電腦、顯示器、單相的UPS、帶電子整流器的節能燈，此類設備會產生 3、5、7…(3次及以上諧波)，并以 3 次諧波為主。此外還會有一些三相整流設備如弱電機房(中心計算機房、電信機房等)的UPS電源、電梯變頻器、變頻空調、變頻水泵等，此類會產生 5、7、9…(5 次及以上諧波)，并以 5 次諧波為主。

在盡量控制諧波源的情況下，首先在低壓配電柜設置調諧濾波電容器組，要求XL=14%XC，抑制3次及以上的諧波。同時在諧波污染嚴重的中心計算機房、電信機房(UPS為在線式工作)等弱電機房設置有源濾波器，實現對諧波的動態補償。

七、浪涌保護器設置時應注意的問題

超高層建筑一般為總部辦公樓、證券中心等，雷電防護等級應在B級及以上，除在變壓器出線、各層總配電箱設置電源線路浪涌保護器（SPD）外，在各樓層交換機房(綜合布線設備間)、計算機房、通訊機房等弱電機房需設置電源線路浪涌保護器及信號線路浪涌保護器。

上述電源線路及信號線路浪涌保護器（SPD）數量繁多，經過長時間的使用雷擊后，僅在設備現場顯示劣化及劣化程度顯然不能滿足管理的要求，靠人力進行設備巡檢、評估和維護耗時費力，也帶來了安全隱患。對于上述問題，筆者在超高層建筑設置總線式智能化的浪涌保護器，可以對SPD的使用情況進行在線跟蹤，并對劣化情況進行分析、報警，以便及時更換。

八、弱電消防設計中應注意的問題

從規范上講，超高層建筑的火災聯動報警系統，跟普通建筑的報警系統沒有根本的區別。但由于超高層建筑火災時的特點，在投資增加不多的情況下，應該考慮完善下面的功能：

1.主動抽氣式煙霧探測系統的設置：

火災的發生，從醞釀到產生高熱大火，一般經歷4個階段：悶燃、可見煙、閃燃和高熱大火階段，傳統的火災探測器在第2個階段才能探測到火災情況。抽氣式煙霧探測系統，在極早期就能對空氣進行采樣，對粒子進行分析，其探測靈敏度高（0.005%～20%obs/m），探測范圍寬，可以幫助我們在火災的第1階段（悶燃階段）發現火災并采取行動。由于超高層建筑特殊性，發生火災時只有靠大樓本身自救，而現有大樓的自救設備中幾乎都離不開電力，如果供電系統出線中斷，以電力為動力能源的消防設備幾乎不能運行，所以變配電房要考慮設置主動抽氣式煙霧探測系統。主動抽氣式煙霧探測系統還適合設置于網絡通信機房等其他重要機房、檔案室等處。把抽氣式煙霧探測器上的4級報警信號接入傳統火災報警的輸入模塊中，不設專門的主動抽氣式煙霧探測主機，在達到要求的前提下減少投資。

2.增加電纜溫度的測量：

超高層建筑電氣豎井內豎向配電容量大，干線電纜多。由于長期過載或電纜接頭質量問題，電纜容易長期處于高溫狀態，是火災的重要隱患。此部位溫度檢查可以采用下列的方法:a.纜式感溫探 測器，把感溫電纜在電纜橋架上安裝，根據檢查溫度報警。b.利用剩余電流動作報警系統，增加電纜溫度傳感器（圖4），把一級及二級所有配電箱的漏電電流及電纜溫度同時傳送到剩余電流動作報警系統中。第二種方法檢測點數多，檢測溫度范圍大，一般產品都能達到25～150OC,可根據不同的電纜類別設置報警溫度，同一電纜也可進行多溫度報警，對長期處于臨界溫度運行的電纜進行分析，找出原因。同時利用了剩余電流動作報警系統，投資更加節省。

圖4 增加了電纜溫度測量的電氣火災監控系統

節能設計問題

1.照明燈具選擇：

設計采用了高效能的T5節能熒光管，它的特點是把電能轉化為光能的效果比較好，比起以前那些T8、T10的熒光管，T5熒光管將在日后使用過程當中發揮更好的節能效應。

2.照明控制：

超高層建筑公共照明區域大，燈具繁多，靠人工管理是不現實的。公共區域如大會議廳、室外泛光照明、室外LED顯示屏、公共走道、大堂等的燈具采用總線(BUS總線)控制技術控制，可根據時間及管理的不同要求對相應的燈具開關進行自動控制（也可現場控制）避免長明燈及節約能源。

3.能源管理系統：

超高層建筑同時也是能耗大戶，傳統的水、電、氣、熱量是分別進行計量計數，這種方法不能滿足超高層建筑節能的要求。超高層建筑設置能源管理系統，是對抄表數據進行后期管理和服務，對數據進行分析，分析建筑設備的運行狀態。實際上，能源管理系統不僅是數據收集，而是應該經提升到判斷、評估這樣的能耗智能識別的功能。并提供各種類型的報表，為節約節能提供決策依據。

結語

超高層建筑的機電設計是各個專業協調配合的過程，例如變壓器容量的選擇就要考慮電梯的載重，機房的位置要考慮層高等。同時在設計中還要考慮投資成本等，只有這樣設計成果才能獲得認同。

[1]變壓器制造技術叢書編審委會.變壓器裝配工藝[M].北京：機械工業出版社 2009.

[2]GB/T50314-2006.智能建筑設計標準[S].

[3]JGJ16-2008.民用建筑電氣設計規范[s].

[4]GB 21714.2-2008，雷電防護第2部分：風險管理[S].

[5]中國航空工業規劃設計研究院.工業與民用配電設計手冊[M].北京:中國電力出版社,2005.