超高層建筑電氣設計分析

北京森磊源建筑規劃設計有限公司深圳分公司

摘要：隨著經濟的不斷發展，超高層建筑在城市所有建筑當中具有一定象征性意義。而超高層的電氣設計所涉及的功能及用途面更廣，更復雜一些。本文主要對某超高層的電氣設計進行分析，供同行借鑒參考。

關鍵詞：超高層；電氣設計

一、工程概況

超高層為辦公樓、裙房為商業的大型綜合建筑，總共46層，地下有2層，地上5層裙房商業，1棟180m超高層辦公、1棟高層辦公樓，地下室為設備房及車庫等。

二、供配電系統

（1）負荷等級、負荷計算及供電電源

①本工程為超高層綜合樓，用電負荷等級劃分詳見表1

表1負荷等級分類表

負荷名稱負荷

等級備注

消防水泵、消防電梯、防排煙風機、消控室電源等消防設備用電，走道照明、值班照明、警衛照明、障礙用電，客梯用電，排污泵、生活水泵用電；一級負荷雙路市電末端互投+柴油發電機（其中應急疏散照明設置EPS電源系統，弱電機 房根據要求設置UPS

普通辦公室、空調、一般動力負荷三級負荷

②供電電源

電源由供電局提供兩獨立回路10KV高壓電源（來自兩個區域變電站）。本工程開閉所設在地下一層，供電局提供的高壓電纜先引入開閉所，再從開閉所引兩路10KV電源至變配電室。變配電室10KV主接線采用單母線分段的接線方式，系統設有分段母線聯絡開關，兩路10KV電源同時供電，互為備用，當其中一路電源因故障停電時，由另一路電源供給全部一、二級負荷。

低壓主接線采用單母線分段的接線方式，兩臺變壓器為一組，互為備用，分別設有母線聯絡開關，兩只低壓進線開關及母聯開關兩通一斷，采用電氣、機械聯鎖。

為保證消防等用電設備的供電可靠性，該項目中設置了柴油發電機作為工程中的第三電源，以確保消防等重要負荷的供電可靠性。

（2）供電變配電所設置

超高層建筑供電變電所的設置按照《民用建筑電氣設計規范》（JGJ16—2008）第 4.2.1；4.2.2；4.2.3條所確定的原則設置。

由于本工程的主要用電負荷如中央空調機房、水泵房等均設在地下二層，裙房有大型的超市、電影院。超高層地上建筑高度為180m，16層及28層為避難層，避難層及屋頂設計有空調機房及水泵房。為使變壓器盡量靠近負荷中心，綜合供電半徑、技術、經濟指標分析。本工程設計中將變配電所設在地下一層，而將柴油發電機房設在變配電機房附近。大型超市應商家的需求在地下室獨立設置了變配電房。28層避難層設置了變配電房。在避難層設置變電所應考慮變壓器的垂直運輸通道以及設備對樓板荷重的影響，單臺變壓器的容量不宜超過800KVA。

（3）供電變壓器選擇

超高層建筑供電變壓器的選擇，應根據《民用建筑電氣設計規范》（JGJ16—2008）第4.3.1～4.3.3條的規定選擇。當單體建筑規模比較大，供電負荷較大時，有可能選擇多臺大容量供電變壓器，多臺變壓器宜組成每兩臺成一組的組合。低壓供電母線為“兩進線-母聯”的接線形式，平時變電所的變壓器均分列運行，當其中一臺變壓器故障或檢修時，則可以切除部分空調等非保證負荷，閉合低壓母聯開關，由另一臺變壓器負擔大樓的消防、照明等重要負荷的供電。所有消防設備、重要機房均采用雙回路放射供電，并按規范要求在末端設ATS自動切換裝置。對于空調等季節性負荷，根據實際的設備容量，設計中將該部分負荷集中設置，在過渡季節，可以根據需要切除部分負荷，停用相應的變壓器，以降低變壓器損耗，達到節能的目的。

綜上述分析，在地下一層設置3個變配電室，1#變配電室變壓器總裝機容量為7300KVA，采用3臺1600KVA和2臺1250KVA干式節能型電力變壓器，供超高層辦公與地下室及商業用電；2#變配電室變壓器總裝機容量為2800 KVA，采用2臺1000KVA和1臺800KVA干式節能型電力變壓器，供高層辦公與地下室及商業用電；3#變配電室變壓器總裝機容量為3200KVA，采用2臺1600KVA干式節能型電力變壓器供超市用電；在28層避難層處設1個變配電房，變壓器總裝機容量為3200KVA，采用4臺800KVA干式節能型電力變壓器。整個建筑物的總裝機 容 量 為16500KVA。變 壓 器 接 線 組 別DYn/11，10KV/0.4KV，帶強制風冷系統及溫控溫顯裝置，保護等級為IP40。

現行大型的商業綜合體已經從以往的純購物模式，轉變成體驗、娛樂、餐飲為一體的模式。由于大量的餐飲存在，故本設計中商業的容量取值相對大些。

（4）應急柴油發電機組設置

超高層建筑有大量的一級負荷，考慮設置柴油發電機組作備用電源。備用電源宜靠近各區域配電中心設置。該工程設置柴油發電機組，一種情況是將其作為用以保證二路市政供電故障同時火警又發生時有關消防設備的供電。其中消防設備包括消控中心、消防水泵、消防電梯、排煙風機、正壓風機、火災自動報警、漏電火災報警、自動氣體滅火系統、防火卷簾門、應急照明、消防潛水泵等。另一種情況是將其作為用以保證二路市政供電故障而停電時，對一級負荷和某些重要的二級負荷的供電。設計時柴油機組容量的選擇正是按以上兩種情況進行比較，且需對發電機進行電壓降校驗選，從而確定發電機組容量的依據。經計算，同時應甲方管理需求，于本工程地下一層1#變配電設置一臺容量為1200KW柴油發電機作為自備應急電源，超市獨立設置一臺800KW發電機作為自備應急電源。機組在兩路市電停電后30s內自起動投入供電，其相序與市電相序一致。發電機與市電互鎖，以防倒送電。

三、電纜電線選擇和敷設

超高層建筑干線電力線路的選型和敷設方式是電氣設計中比較煩瑣的問題。由于封閉式母線載流量大，對于大容量配電干線而言，封閉式母線的應用就更能體現它的優勢，故本工程的普通電源、空調動力大容量用電干線均采用封閉式母線。根據《民用建筑電氣設計規范》（JGJ16-2008）第7.4.3條導體敷設的環境溫度要求，在封閉的強電間發熱量大，會造成導體載流量下降，故暖通專業應予考慮適當排風。配電干線在變配電室內段的敷設用開敞式電纜托盤，變配電室到電氣豎井間段采用封閉式防火電纜橋架敷設，在電氣豎井內的敷設全部采用電纜明敷固定在階梯式電纜梯架上。這樣，就比較有效地解決了安裝施工及上述問題，也方便于今后的檢修和維護。在樓層間的分支干線導線敷設根據所配設備的消防負荷等級選擇防火類型，并盡可能地采用鋼管暗敷在墻壁和樓板內，明敷防火線路在外套保護鋼管上噴涂防火涂料。各層電氣豎井內的樓板孔洞和各處墻壁上的電氣安裝孔洞，在設備安裝施工的后期一定要用防火膠泥等防火材料嚴實封堵，這是相關設計規范明確要求需設計時留意的。

我國發生的火災中，因電氣引起的火災占了很大的比例，其主要原因也是由于電纜電線的老化和過載使用引起的。同時，因火災時引燃電纜電線中可燃的絕緣和護套材料，致使火災進一步擴大，絕緣和護套材料燃燒所散發的有毒氣體也會導致大量的人員傷亡，并可能阻礙消防人員的及時滅火。

目前，在建筑工程的防火設計中選用的電纜主要有耐火電纜和阻燃電纜。對于消防設備如消防水泵、消防送風機、排煙風機、消防電梯及應急照明等，在火災時必須繼續工作，相應的供電線路應保證安全可靠，避免因供電線路的損壞而影響消防設備的正 常功 能，根據 《民用建筑電氣設計規范》（JGJ16-2008）第13.10.4.1條，消防設備用電干線及分支干線，應采用礦物絕緣電纜。對于一般的動力設備和普通照明回路，為防止火災時因電纜的絕緣及護套層的著火延燃而造成更大的人員和財產損失，在超高層建筑中應選用阻燃型的電纜和電線。

為了盡量減少因電纜絕緣及護套的燃燒引起的煙霧及有毒氣體對人員造成的傷害，工程設計中應根據建筑物的重要程度和使用性質，盡可能的選用低煙無鹵的環保電纜，在火災發生時，可減少煙霧及有毒氣體的產生，為大樓內的人員疏散爭取更多的逃生時間。根據《民用建筑電氣設計規范》（JGJ16-2008）第7.4.1.2.3）條，本工程選用阻燃低煙無鹵交聯聚乙烯絕緣電力電纜、電線。

四、消防負荷和重要保證性負荷配電

超高層建筑所有的消防負荷和重要保證性負荷的配電線路，按照 國 標 《工程建設標準強制性條例及應用示例 》（04DX002）中的明確解釋，采用兩路分別為常用、備用低壓電源的耐火電力電纜引到最末級雙電源自動切換配電箱，再以單獨的放射式供電回路引到相關設備。這里需注意的是消控室、消防水泵房、消防電梯等重要的消防設備，必須分別直接從變配電室的低壓配電屏引來專線到指定專用的雙切箱。其他的地方則可根據防火分區和消防負荷等級就近接線，如避難層里同一風機房里的消防排煙風機、消防正壓送風機等可接在本區內一臺雙切配電箱上，不需要各自采用獨立的雙切配電箱。這樣可簡化配電系統和線路，減少設備投資。

應急照明燈具均要滿足消防產品的要求，可以在火災狀態時通過消防聯動裝置強制全部點亮，確保人員疏散時的疏散通道照明。根據《民用建筑電氣設計規范》（JGJ16-2008）第13.8.5條規定：應急照明在正常供電電源停止供電后，其應急電源供電轉換時間應滿足：備用照明不應大于5s，金融商業交易場所不應大于1.5s，疏散照明不應大于5s。當采用蓄電池作為疏散照明的備用電源時，在非點亮狀態下，不得中斷蓄電池的充電電源。

這里需要注意的是，疏散誘導指示燈無論是采用自帶應急蓄電池，還是供電雙切箱內采用集中式應急電源EPS，該自備應急電源的持續供電時間t一定要符合燈具安裝場所的消防安全要求，根據《高層民用建筑設計防火規范》（GB5004-95）第9.2.6條和《民用建筑電氣設計規范》（JGJ16-2008）表13.8.6條與表13.9.13條規定：超高層建筑t≥30 min；消防設備機房t≥180min；火災時繼續工作的備用照明≥180 min；避難層備用照明>60 min。消防主管部門對本樓明確要求的一般場所疏散應急燈的t≥90 min，凡要求超過90 min的必須按高的標準定。另外要注意的是安全疏散出口標志燈在樓道間和電梯前室間的疏導設置。在確認火災消防狀態時，火災自動報警控制系統會聯動迫降所有的電梯到首層，并切斷非消防電梯的電源，此時的消防電梯僅供消防人員控制使用。由此理解，樓內的普通人員撤出的路徑只能是依靠疏散樓梯，即各層安全出口標志燈的導向只能是走道或電梯前室→疏散樓梯間（或消防電梯前室→疏散樓梯間）。

五、航空障礙燈的設置

按照《民用建筑電氣設計規范》（JGJ16-2008）和有關民用機場航空安全通則，以及各城市規劃的具體要求，一般高出地面100m的建筑物應設置航空障礙標志燈。其設置的原則是自頂部最高處開始，以屋面外側墻轉角處為第一圈，自上到下的水平、垂直間距≤45m間隔設置。這些燈的供電負荷等級是由大樓內最高供電負荷等級電源配電箱供電，在設計中應考慮到。本工程在16層、28層和屋頂層均預留航空障礙燈照明箱，航空障礙標志燈的設計應符合國家現行標準《民用機場飛行區技術標準》MH5001和《航空障礙燈》MH/T6012的規定，并應具有相關認證。

六、防雷、接地、等電位聯結

超高層建筑物往往孤立地聳立在城市高空中，遭受雷擊的幾率比普通高層建筑物更大，故應加強超高層建筑物的防雷接地和總等電位聯結，切實做好直接防雷保護和間接防雷保護。超高層建筑防雷等級的定性，按照《建筑物防雷設計規范》（GB50057-2010）。在計算建筑物年預計雷擊次數時，其每邊的擴大寬度應按等于建筑物的高度H計算，建筑物的等效面積應按下式確定：經計算（年預計雷擊次數為1.1048次/a），且屬于人員密集地方，故按第二類防雷設計。防直擊雷措施應《建筑物防雷設計規范》（GB50057-2010）的要求設置。屋頂應設置防直擊雷的避雷針和避雷帶相結合防雷網，屋頂所有金屬管道設備外殼均應可靠接地。在設計接地時不應忘記航空障礙燈等設施的要求。

超高層建筑的接地保護應采用防雷接地與弱電系統共用接地極的共用接地方式。電源系統考慮設置三級浪涌保護裝置，弱電信號線纜系統在引入建筑處設置適配的信號線路浪涌保護器。

等電位聯結在在防人身的電擊、防雷、防火、防爆以及電子信息設備防干擾等電氣安全方面起著重要的作用。在設計中尤其注意。

七、結束語

綜上所述，超高層建筑火災危險性大、人員密集，在電氣設計時應遵守電氣設計規范，確保其電氣系統的安全、可靠性。

參考文獻：

[1]《民用建筑電氣設計規范》（JGJ16-2008）

[2]《建筑物防雷設計規范》（GB50057-2010）

[3]《高層民用建筑設計防火規范》（GB5004-95）

[4]《工程建設標準強制性條例及應用示例 》（04DX002）