高層建筑電氣設計中常見問題探討

楊 春 霞

(太原市城市規劃設計研究院，山西 太原 030012)

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高層建筑電氣設計中常見問題探討

楊 春 霞

(太原市城市規劃設計研究院，山西 太原 030012)

結合某高層建筑工程實例，介紹了建筑設計中電梯電纜的選型方法，探討了民用供電系統中四極開關的使用范圍，并闡述了應急照明的設計要求，為類似工程的設計提供了思路。

電梯，電纜，四極開關，應急照明

隨著城市化進程的推進，城中村的改造深化，越來越多的高樓拔地而起，不但美化了城市，方便了生活，而且對實現工業化、現代化、縮小城鄉差別、推動社會經濟發展做出了重要貢獻，而且高層建筑的興起也帶動了各行各業。下面就高層建筑設計中常見的幾個問題進行探討。

以一實際工程為例，某市一城中村改造項目，住宅地上34層，地下1層為停車庫。地上1層為商業服務網點，2層～34層為住宅，屋頂有電梯機房。屋面結構標高為101.2 m，地下車庫高度為5.15 m，設有變配電室。

1 電梯電纜的選型

每單元屋頂機房里設有消防電梯和普通客梯。根據國家規范，分開供電。由建筑專業提供電梯型號，一般一部電梯按20 kW考慮(已含電梯機房插座，電梯井道照明，插座，轎廂照明插座等)。通常按經驗選WDZB-YJY-4×25+1×16的電纜，以此為例計算一下末端短路電流和電壓損失。

本樓座變壓器型號選為SCB9-1 250 kVA,母線選用變壓器出線母排選用LMY-3[2(100×10)]+100×10，長度為5 m，母排上饋線選用3(WDZB-YJY-4×185+1×95)長度為并聯至本樓座低壓配電室，長度為72 m，低壓配電室配電柜母排LMY-4[100×10]，2 m，配電柜到末端電梯控制箱的距離為112 m，由當地供電局提供的數據，系統短路容量為200 MVA，如圖1所示。

計算整個線路的短路電流如下：

1)三相短路電流：根據《工業與民用配電設計手冊》第3版，P154表4-21，查得高壓側系統短路容量換算到400 V時的阻抗值(單位均為mΩ)，高壓側的系統電抗Xs=0.80，系統電阻Rs=0.08；查P155表2-23，變壓器電阻Rt=0.93，變壓器電抗Xt=7.62；變壓器母排，查表4-24得知，LMY-3[2(100×10)]+100×10，母排1電阻Rx1=0.016×5=0.08 mΩ，母排1電抗Xm1=0.181×5=0.905 mΩ；饋線1，3(WDZB-YJY-4×185+1×95)，查表4-25，Rkx1=0.095×72/3=2.28 mΩ,Xkx1=0.076×72/3=1.824 mΩ；低壓配電室的母排LMY-4[100×10]的阻抗，查表4-24，母排2電阻Rm2=0.033×2=0.066 mΩ，電抗Xm2=0.181×2=0.362 mΩ，末端饋線，WDZB-4×25+1×16，查表4-25，電纜電阻Rmd=0.702×112=78.6 mΩ，Xmd=0.08×112=8.96 mΩ。系統總電阻R=82.0 mΩ，系統總電抗X=20.5 mΩ。根據162頁，式(4-54)計算出三相短路電流為2.72 kA，由P179小于電動機額定電流的0.01倍，所以需要計算電動機對短路電流的影響。由P151公式(4-26)，(4-28)，(4-29)，(4-30)得，考慮異步電動機(該工程電梯選用異步電機)對短路點的影響，異步電動機啟動電流倍數取5，I″p=5×0.055=0.275 kA。計算的三相短路電流交流分量初始值為：I″=2.72+0.275=3.0 kA。本工程電梯電動機回路末端選用NM7-125S/63塑料外殼式斷路器，短路電流最小持續時間為0.15 s。由P211，式(5-25)，(5-26)算得電纜熱穩定允許的最小界面。

熱穩定系數C查P212表5-9為137,計算出Smin≈10 mm2，滿足熱穩定要求，且33.0 kA<35 kA斷路器的分斷電流。

2)接地故障電流：根據工業與民用配電設計手冊第3版，P154表4-21，查得高壓側系統短路容量換算到400 V時的阻抗值(單位均為mΩ)，高壓側的系統相保電阻Rphp.s=0.05，系統相保電抗Xphp.s=0.53；查P155表2-23，變壓器相保電阻Rph.p=0.93，變壓器相保電抗Xph.p=7.62；變壓器母排，查表4-24得知，LMY-3[2(100×10)]+100×10，母排1相保電阻Rphp1=0.048×5=0.24 mΩ，母排1相保電抗Xphp1=0.366×5=1.83 mΩ;饋線1，3(WDZB-YJY-4×185+1×95)，查表4-25，Rphpk1=0.285×72/3=6.84 mΩ,Xphpk1=0.152×72/3=3.648 mΩ；低壓配電室的母排LMY-4[100×10]的阻抗，查表4-24，母排2相保電阻Rphpm2=0.066×2=0.132 mΩ，相保電抗Xphpm2=0.366×2=0.732 mΩ，末端饋線，WDZB-4×25+1×16，查表4-25，電纜相保電阻Rphpk2=2.106×112=235.87 mΩ，Xphpk2=0.164×112=18.37 mΩ。系統總相保電阻Rphp=244.1 mΩ，系統總相保電抗Xphp=32.73 mΩ。根據162頁，式(4-54)計算出低壓單相接地故障電流Id=893.3 A。根據低壓配電線路的保護和斷路器的選擇，瞬時過電流脫扣器整定電流Iset3≥1.2I′stM(電動機全啟動電流，取啟動電流的2倍)=1.2×5×55×2=660 A。按短路電流校驗低壓斷路器動作的靈敏性，893.3=Idmin≥1.3Iset3=1.3×660=858 A,滿足靈敏性。

3)計算電壓損失：從始端母線到末端電纜的電壓損失，由《工業與民用配電設計手冊》第3版，P551表9-78和P555續表9-83算得總的電壓損失ΔU%=3.1%<7%，滿足規范要求。

綜上所述，選用WDZB-YJY-4×25+1×16是滿足大部分一類高層普通功率為20 kW左右電梯的供電，應滿足三相短路和單相接地故障的要求。

2 四極開關的選用

為了便于供電局的統一管理，一類高層電源進線一般有居民用電進線，公共用電進線兩類。根據GB 50016—2014中10.2.7條款，一類高層民用建筑非消防用電負荷宜設置電氣火災監控系統，采用剩余電流動作保護器保護出線回路。根據GB 50054—2011低壓配電設計規范3.1.11條款，除在TN-S系統中，當中性導體為可靠接地電位時可不斷開外，應能斷開所保護回路中所有帶電導體。3.1.12條，采用剩余電流動作保護電器作為間接接觸防護電器的回路時，必須裝設保護導體。所以居民用電配電柜的出線回路選用四極開關，同時斷開中性導體。

一般民用供電系統，由于廣泛存在三相不平衡，零線有一部分電流存在，投切時會引起相電壓波動，影響用電穩定，所以需采用四極開關。根據JGJ 16—2008民用建筑電氣設計規范7.5.3條三相四線制四極開關的選用：

1)保證電源轉換的功能性開關應作用于所有帶電導體，均不得使這些電源并聯；

2)TN-C-S，TN-S系統中的電源轉換開關，應采用切斷相導體和中性導體的四極開關；

3)正常供電電源和備用發電機之間，其電源轉換開關應采用四極開關。

本工程為一類高層，消防負荷、普通客梯、應急照明、走道照明、值班照明、安防系統、排污泵、生活水泵為一級負荷，采用雙電源供電，當一路電源發生故障時，另一電源不應同時受到損壞，且備用電源為供電網絡中獨立于正常電源的專用的饋電線路，且兩者之間要求采取防止并列運行措施，消防負荷要求末端切換，普通一類負荷選用CB級，消防負荷選用PC級，所選用的電源轉換開關均為四極開關。

在民用建筑中，有些特殊功能的房間需要采用局部TT系統接地方式，即使用戶側做了總等電位聯結，但因為此時的總等電位聯結不包括中性線，線路故障(譬如：某相線接地)在電源側接地極上產生的電位會傳導至用戶側，從而導致在使用三級開關時電氣維修的電擊事故。此時，需要四極開關將中性線和相線全部隔離。

除此之外，當IT系統引出中性線時，為維修安全起見：IT系統一般不引出中性線，原本不存在采用四極開關的問題。如果引出中性線，當發生一相接地故障時，中性線對地電壓將為相電壓220 V，電擊危險很大，需為電氣維修安全安裝四極開關。

3 應急照明

很多電氣設計人員認為，應急照明就是指疏散指示照明，其實不然。根據GB 50034—2013建筑照明設計標準2.0.19名詞解釋，應急照明：因正常照明的電源失效而啟用的照明。應急照明包括疏散照明、安全照明、備用照明，可見應急照明包括的范圍比較廣。

1)疏散照明是用于確保疏散通道被有效地辨認和使用的應急照明，在高層建筑中，以一類高層住宅為例，防煙樓梯間及其前室、消防電梯間的前室或合用前室、避難走道，避難層(間)、要進人的地下室等均需設置疏散照明。

2)安全照明是用于確保處于潛在危險之中的人員安全的應急照明，一般在民用建筑中設計的比較少，在工業設計或有工藝流程要求的機械，化工廠的設計中比較常見。

3)備用照明是確保正常活動繼續或暫時繼續進行的應急照明，如停電可能會發生爆炸、火災和人身傷亡等事故的場所，或者停電會造成很大影響和經濟損失而設的照明。在高層民用建筑中，最常見的有為了保證火災時消防設備的正常運行和操作而設的照明。如消防控制室的照明，消防電梯機房的照明，消防風機的照明，消防水泵房的照明，消防水箱間的照明，配電室和弱電室的照明都屬于為保證火災時設備的正常運行而設的備用照明。高層建筑底層所帶的超市、商場或如銀證機構的一些特殊場所，因照明停電會造成一定的經濟損失而設的備用照明，也屬于應急照明。

對于以上三種照明，雖然都屬于應急照明，但是具體所屬的功能不一樣，從設計角度，消防相關的疏散照明和備用照明要求級別最高，對于一類高層采用雙電源再加蓄電池供電，且疏散照明要求連續供電時間不少于30 min；相關備用照明要求連續供電時間不少于180 min，為了保證供電的穩定性，要求兩者從不同的回路引來，最好不要共用回路。而非消防相關的備用照明要求級別要低，根據業主的需要，確定是否要加正常電源和備用電源之間切換的中間過渡照明，可以考慮雙回路供電。

4 設計與規范之間存在的矛盾

根據GB 50052—2009供配電系統設計規范3.0.3-1：一級負荷應由雙重電源供電，當一電源發生故障時，另一電源不應同時受到損壞，除應由雙重電源供電外，尚應增設應急電源，并不得將其他負荷接入應急供電系統。強條3.0.9：備用電源的負荷嚴禁接入應急供電系統。

一類高層建筑中，消防負荷、普通客梯、安防系統、排污泵、生活水泵均為一級負荷。通常做法有以下幾種：1)分別來自不同區域變電站的兩路10 kV電源，由不同變壓器的低壓側出線，互為熱備用；2)設自備電源柴油發電機組：a.配出一路，在低壓配電柜處設置一個雙電源切換裝置，雙切后面的配出回路作為所有一級以上(包括末端切換的消防負荷)的備用電源。b.配出幾路，某些路給消防負荷用，某些路給非消防的重要負荷用(例如上述生活水泵)，柴發配出的線路在變電所的低壓柜處分別設置多個雙電源切換裝置給消防與非消防一級負荷，雙切后面的配出回路作為負荷(還需末端切換)的備用電源。以上幾種常規做法均與規范有沖突。規范也沒有具體指出應急供電系統的分界線在何處，電壓等級是多少。如果按規范強條3.0.9條，應急電源只能給應急負荷供電不能給備用負荷供電，必須要引入三路市電和兩臺柴發，這顯然是不符合實際的。如果按照3.0.3-1理解，只有在為一級負荷中有特別重要的負荷供電才設應急電源，那顯然不滿足普通一級負荷的供電級別。如果從低壓配電柜的出線母排處為界點，那又體現不出應急負荷和普通一級負荷的區別。

以上是筆者對自己從事設計幾年的心得和體會，資歷尚淺，難免有不足和欠妥之處，望各位前輩和同仁指正。

[1] GB 50052—2009,供配電系統設計規范[S].

[2] GB 50054—2011,低壓配電設計規范[S].

[3] GB 50034—2013,建筑照明設計標準[S].

[4] JGJ 16—2008,民用建筑電氣設計規范[S].

[5] GB 50054—2014,建筑設計防火規范[S].

[6] 任元會，卞鎧生，姚家祎.工業與民用配電設計手冊[M].北京:中國電力出版社,2005.

On common problems of electrical design in high-rise building

Yang Chunxia

(Taiyuan Urban Planning and Design Institute, Taiyuan 030012, China)

Combining with some high-rise building example, the paper introduces the type selection method for the elevator cable in the architectural design, explores the application scopes four-pole switch in the civil power-supply system, and illustrates the design requirements for the emergency light, so as to provide some ideas for the design of similar projects.

elevator, cable, four-pole switch, emergency light

1009-6825(2016)34-0125-03

2016-09-24

楊春霞(1984- )，女，工程師

TU972

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