超高層公共建筑10kV變配電所設置方案的比選分析

張雪丹

摘 要：近年來我國超高層公共建筑的數量逐漸增加，超高層建筑工程的建設質量及應用效果與電氣系統的配置是否合理密不可分。該類項目的設計過程中，在充分了解超高層建筑各類負荷分布情況的基礎上制定最佳的中、低壓供配電系統，這樣才能打造一個高效率、低能耗的建筑供電網絡。文章以提高此類公共建筑電氣系統的運行效益為出發點、綠色節能為應用目的，對超高層公共建筑10kV變配電所的選址問題進行比選分析。

關鍵詞：超高層公共建筑；變配電所；集中設置；分散設置

在公共建筑工程設計中，電氣設計人員在項目前期階段會根據項目具體規模、分期開發使用情況、用電設備容量及負荷等級、甲方對不同業態用電配置標準及當地供電部門的供電導則要求等，分析并確定最為科學合理的供配電系統。

與普通大型公共建筑相比，超高層公共建筑考慮其單棟建筑體量較大、供電標準相對較高，在力爭供配電系統簡單、可靠的前提條件下，如何有效提高電氣系統的運行效益，節省電氣設備成本及后期投入，同時還應貫徹執行國家及地方對建筑綠色節能的設計要求，10kV變配電所（下文簡稱變電所）的設置方案就顯得格外重要。

根據國家相關規范要求，變電所應盡可能接近和深入負荷中心[1]。在一些大型或超高層公共建筑項目中，由于用電設備和容量比較大，通常會設置多臺變壓器，有時也會設置多個變配電所以滿足業主使用管理和電氣技術的要求，例如：變電所的低壓供電半徑宜控制在200m范圍內，無特殊要求時用電設備接線端子處的電壓損失不大于5%[2]等。現舉例分析安徽省合肥市一棟超高層公建項目的變電所設置方案，該建筑單體地上建筑高度約180m，地上共40層；1～4層為商業，5層～40層為辦公塔樓（其中11F、27F為避難層，將該建筑分為低、中、高區三個區域空間），地下共兩層、分別為設備用房區域和汽車庫；地上、地下建筑面積共計8.0萬m2。該超高層公共建筑在地下一層集中設置兩個變電所，存在供電半徑偏大時，是否采用變電所分散設置——在B1層和27層分別設置一個變電所？這兩種設置方案在超高層建筑的電氣設計中經常遇到，具體采用哪種方案更為經濟更合理？通過以下設計條件的對比，為此類項目設計單位和業主的決策提供初步的技術分析。

1 比選方案說明

2 技術及經濟性分析

2.1 電能質量-線路的電壓損失

本次線路電壓損失的對比分析，選取具有代表性的RF屋頂層空調室外機和泛光照明配電箱的供電線纜，分析計算過程見下表：

通過以上計算，可以看到變電所在分散設置的方案中，RF層用電設備供電線纜的電壓損失大大優于變電所采用集中設置的方案，辦公塔樓高區其他用電設備進線電纜的電壓損失也有同樣情況。特別需要注意的是，當變電所集中設置時有部分線纜的電壓損失已超過國家相關規范的規定值（5%）[2]，為滿足規范要求，這部分饋電回路需增加電纜截面以降低線路的電壓損失，這樣又會增加業主的項目投資預算。所以從線路的電壓損失方面考慮，變電所宜采用分散設置。

2.2 電能損耗-線路的功率損耗

為簡化計算，假定變壓器的負載率為0.8，變電所分散設置時27F變電所中壓進線采用4根95mm2交聯聚乙烯絕緣電力電纜；變電所集中設置時B1F變電所低壓出線側計算電流取Ic=4600A，導體按采用4根1250A密集式母線（各母線計算電流平均值取Ic=850A）、12根70mm2交聯聚乙烯絕緣電力電纜（各電纜計算電流平均值取Ic=100A）考慮。（見表3）

通過以上計算比較，變電所在分散設置的方案中，電纜的功率損失大大優于集中設置的方案，其中線路的有功損耗差值約為163kW。

如果按全年運行2000h計算，分散設置方案能夠年節電33萬度。

如果按全年運行3000h計算，分散設置方案能夠年節電49萬度。

上述“全年運行時間”僅用于設計分析參考。根據該項比較可以看到，變電所采用分散設置時可以有效提高電氣系統的運行效益、該系統更為綠色節能。

2.3 設備投資分析

本項目對于中壓開關柜、變壓器和低壓配電柜等設備投資而言，兩種方案幾乎沒有差別，同時兩種方案變電所機房的面積變化有限，故本次不再做以比較。對于項目的中、低壓電纜及設備安裝費等，簡單分析如下（見表4）。

2.4 各層配電間的面積分析

當變電所在B1層集中設置時，由于超高層建筑高區所有用電設備的進線電纜（密集式母線）均從B1層變電所沿各層配電間豎向敷設至中、高區，導致低區、中區甚至高區各樓層配電間的面積均有所增加，和分散設置相比較，變電所在B1層集中設置時各樓層配電間面積約增加2.0m2。故從設備用房的使用面積情況考慮，變電所采用分散設置可以明顯減小各樓層配電間的占用面積，這對于超高層公建項目具有一定的實用價值。

3 結束語

通過以上各方面的技術和經濟性分析，可以看到對于本案的超高層公共建筑，當變電所采用分散布置的方案，從電能質量、綠色節能、樓層配電間面積的優化和設備投資等多個方面都是有利的。

對于超高層公共建筑，當變電所采用分散設置時，高區變電所在工程設計階段需分別考慮變壓器等變配電設備的豎向運輸通道和日后設備更換、維護等特殊使用條件引起的相關問題，這些內容在項目的實施過程中都有相對成熟的解決措施，這里不再闡述。

綜合上述的比選分析和其他同類項目的設計經驗，在土建平面條件滿足的情況下，建筑高度150m以上的超高層公共建筑宜優先采用變電所分散設置的方案。對于150m以下的超高層公共建筑，由于變電所采用分散設置時線路的電壓損失、功率損耗及設備初投資等多方面的優勢相對不明顯，變電所可采用集中設置。同時在該類項目的設計階段，由于受大容量用電設備的分布、變電所層高和選址等多種因素的限制，變電所實施的設置方案需結合具體的項目情況進行分析。

參考文獻

[1]中機中電設計研究院有限公司.20kV及以下變電所設計規范GB50053-2013[S].北京：中國計劃出版社，2013（2）：2.

[2]中國聯合工程公司.GB50052-2009.供配電系統設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2010（5）：8.

[3]中國航空規劃設計研究總院有限公司.工業與民用供配電設計手冊：第四版上冊[M].北京：中國電力出版社，2016（9）：865-880.