超高層建筑供配電系統設計探討

陳 瑩， 張 爭

(北京市建筑設計研究院有限公司，北京 100045)

0 引言

近年來，我國各地超高層建筑的數量日益增多,超高層建筑體量大、人員密集、投資運維成本高，在消防、安防、運營管理等方面有著特殊的要求，因此，對供配電系統的要求相對于一般高層建筑也要高得多。

1 負荷分級

1.1 供配電系統特點

通常超高層建筑的供配電系統有以下特點：(1)建筑體量大、用電量大、供電半徑長；(2)至少需要2 路市政獨立電源，甚至多路市政電源；(3)建筑功能多樣，供配電系統設計需考慮滿足多個物業運營管理模式的需要；(4)會設置多個變電所，以及出現變電所上樓的情況；(5)需考慮備用電源和應急電源的設置。

1.2 用電負荷分級

負荷分級的目的和意義在于根據不同的負荷級別確定用電單位和用電設備的供電要求和供電措施，以保證供電系統的安全性、可靠性、經濟性和合理性。

超高層建筑負荷分級相關依據有：GB 50052-2009《供配電系統設計規范》、JGJ 16-2008《民用建筑電氣設計規范》、GB 50016-2014(2018版)《建筑設計防火規范》、國標圖集14 D801《超高層建筑電氣設計與安裝》等。此外，由于超高層建筑往往是集商業、金融、辦公、星級酒店、高級公寓等諸多業態于一體，在進行負荷分級時，根據不同的使用功能，還應遵守相關行業規范中的規定，如JGJ 62-2014《旅館建筑設計規范》、JGJ 67-2006《辦公建筑設計規范》、JGJ 284-2012《金融建筑電氣設計規范》、JGJ 392-2016《商店建筑電氣設計規范》、JGJ 242-2011《住宅建筑電氣設計規范》等。

超高層建筑的供電負荷等級應為一級，對于建筑內的消防、安防用電負荷、計算機通信網絡設施、保障建筑正常運營的重要設備、重要場所中不允許中斷供電的負荷等應作為一級負荷中的特別重要負荷。表1列舉了超高層建筑主要用電負荷分級。

超高層建筑主要用電負荷分級 表1

注：一級*為一級負荷中特別重要負荷。

對于超高層建筑一級負荷中特別重要的負荷，電氣設計師應該考慮設置應急電源，當超高層建筑為四級及以上酒店或者大型商業時，會有一部分負荷在酒店管理公司或者商業顧問提供的設計標準中被列為保障性負荷，對于這部分負荷，也應該考慮設置備用電源。

因此，在進行超高層建筑供配電系統設計時，除雙重市政電源外，需要選擇獨立于正常電源的柴油發電機組作為是備用電源及應急電源。

2 變壓器容量指標

超高層變壓器容量指標與建筑功能、建筑面積、建筑高度和附屬功能等因素有關。表2歸納總結了筆者所在單位已經完成設計和正在設計中的若干超高層建筑的變壓器容量指標。

超高層建筑表壓器容量指標舉例 表2

3 變電所的設置

3.1 變電所設置基本原則

在進行超高層建筑變電所位置和數量的選擇時，筆者認為，應遵循以下幾點基本原則。

(1)根據負荷容量和分布，使變電所及變壓器靠近建筑物用電負荷中心。

(2)應該考慮低壓供電半徑的限制。

(3)根據功能分區的要求設置變配電所，可考慮按照地下室、裙房商業、辦公層、酒店層、住宅(公寓) 層設置。

(4)根據物業業態設置變配電所，比如出租/出售情況、不同業態的計費方式及后期物業管理分區等幾個方面的情況考慮變配電所的數量。

(5)根據負荷性質設置變配電所，比如制冷機房設置專用變壓器或者變電室等。

3.2 避難層設置變電所

由于超限高層建筑的供電半徑長，為降低電壓降和電能損耗、減少電氣豎井面積，變配電所設置需深入負荷中心，會出現塔樓高區設置分變配電所的情況，而且分變電所通常設置在避難層。

在避難層設置變電所應注意以下幾個問題：(1)應考慮設備對樓板荷載的影響；(2)應考慮預留變壓器的水平運輸通道和垂直運輸通道；(3)可采用大載重量的貨梯運輸或者電梯井道運輸；(4)采用電梯作為設備運輸方式時，電梯的載重應大于變壓器的重量；(5)單臺變壓器的容量不宜超過1 250kVA。

表3為某品牌變壓器SCB11系列變壓器的相關參數，從表中數據中可以看出，1 250kVA變壓器帶外殼的重量約為3.3t，普通1.6t或者2.0t的客梯不能滿足設備運輸需要，如果采用電梯進行設備運輸，需考慮設置至少3.5t的貨梯進行運輸，且超過 1 250kVA 的變壓器會給設備運輸帶來更大困難。

某品牌變壓器參數 表3

3.3 工程實例

3.3.1 工程實例一

該項目為總建筑面積為220 053.4m2，其中地上建筑面積15 6 911m2，地下建筑面積63 142.4m2。建筑主要功能為高檔辦公及商業配套設施，地上57層(辦公樓層)、地下4層，建筑高度275m(屋頂機房女兒墻高度)，一類高層建筑，建筑耐火等級為一級。

根據業主方的物業管理要求，辦公、商業及能源站需單獨設置變電所，該項目設有四座變配電所，其中三個變電所位于地下二層塔樓核心筒西側，還有一個變電所位于34層。其中E1為主變配電所， E2為能源站變電所， E3為商業變電所，E4為高區變電所；變電所設置詳見表4，示意圖參見圖1。

工程實例一變電所配置 表4

此項目變電所的設置充分考慮了靠近建筑物用電負荷中心、低壓供電半徑的限制，以及根據功能分區、物業業態、負荷性質設置變電所等基本原則。

3.3.2 工程實例二

該項目為大型商業綜合體，總建筑面積為 356 557 m2，其中地上建筑面積230 489 m2，地下建筑面積126 068 m2。建筑主要功能為大型商業、辦公、公寓及五星酒店，地上47層、地下2層，建筑高度200m(屋頂機房女兒墻高度)，一類高層建筑，建筑耐火等級為一級。變電所設置示意圖參見圖2。

圖2 工程實例二建筑功能示意圖

對于200m的超高層建筑，在進行變電所設計時通常會糾結是否要在避難層設置分變電所，對于本項目，筆者所在單位進行了兩個方案的對比。

(1)方案1

根據物業管理的需要酒店和辦公分設變電所，該方案酒店變電所和辦公變電所均設于地下二層，在避難層不設置分變電所(圖3)。裝機容量分別為：酒店變電所2×2 000kVA+2×1 600kVA，辦公變電所2×1 000kVA。酒店用柴發機房設置在地下二層。

圖3 在避難層不設置分變電所示意圖

(2)方案2

根據物業管理的需要酒店和辦公分設變電所，該方案酒店總變電所和辦公變電所均設于地下二層，在19層避難層設置酒店分變電所(圖4)。裝機容量分別為：酒店總變電所2×2 000kVA+2×1 600kVA，酒店分變電所4×800kVA，辦公變電所2×1 000kVA。酒店用柴發機房設置在地下二層。

圖4 在避難層設置分變電所示意圖

對于兩個方案，筆者分別從技術、經濟角度進行了比對。

在經濟性方面，主要從一次投資和系統運行之后的能耗情況2個要點進行比較(參見表5)，其中能耗主要來自高壓電纜、低壓電纜、母線槽及變壓器等設備，能耗差異主要由長度不同的高壓電纜、低壓電纜或母線槽導致。

由表5可知，方案1的高壓電纜造價較低、低壓電纜或母線槽造價較高，能耗主要來自低壓電纜、母線槽及變壓器等設備，線路能耗較高；方案2的高壓電纜造價較高、低壓電纜或母線槽造價較低，能耗主要來自于高壓電纜、變壓器等設備，線路能耗較低。因此，可以明顯看出，方案2的經濟性優于方案1，即使僅對比一次性投資，方案2也較方案1節省投資造價258萬元。

在技術性方面，筆者從技術角度和日常運維、故障搶修等要點展開了比對，具體參見表6。

兩個方案的經濟性對比 表5

兩個方案的技術性對比 表6

從表6來看，方案一需要進行電壓降校驗，校驗后會存在部分電纜增加截面的可能性，也會進一步帶來投資造價和運維成本的增加；但是，在運維方面，方案一比方案二的便捷性更好，搶修及設備更換難度也比較低。

綜合考慮兩個方案的技術性及經濟性，筆者所在單位在這個項目中采用了方案二作為實施方案。通過工程實例二，對超高層建筑樓上是否設置變電所可以得出一個經驗性結論，如表7所示。

就超高層建筑樓上是否設置變電所的結論 表7

4 供配電系統方案

4.1 供配電系統方案的基本原則

在確定超高層建筑供配電系統方案時，通常要注意以下幾點基本原則：(1)超高層建筑的高壓供配電系統宜采用主變電所—分變電所結構；(2)主變電所采用單母線分段的主接線形式，放射方式引至分變電所；(3)高壓系統的配電級數不宜多于兩級；(4)充分了解當地市政電源情況及供電部門的規定，在此基礎上進行項目的供配電系統設計。

4.2 工程實例

以本文中列舉的工程一為例，雖然設置了4個變電所，但是對于這4個變電所的供配電系統架構如何搭建的問題，筆者所在單位在設計之初給出了兩種方案。

方案1：采用主分高壓系統結構，兩路市政10kV電源，總配電室采用10kV電纜放射配出至分變電室各臺變壓器，柴發機組配電分應急母線和備用母線。系統圖如圖5所示。

方案2：采用主分高壓系統結構，兩路市政10kV電源，總配電室10kV電纜放射配出至B2層分變電室，避難層分變電室另設有一級高壓配電，柴發機組配電分應急母線和備用母線。系統圖如圖6所示。

圖5 供配電系統架構搭建方案一示意圖

圖6 供配電系統架構搭建方案二示意圖

該項目設置4個變電所、16臺變壓器，在避難層設置的分變電所中設置了6臺變壓器。兩個方案的區別在于，方案1從B2層高壓總配放射式地引出6根10kV高壓電纜至避難層分變電所的6臺變壓器，方案2是從B2層高壓總配引出2根10kV高壓電纜至避難層分變電所，在分變電所另設一級高壓配電后再引至6臺變壓器。經過比對，方案1的供電可靠性明顯高于方案2，但方案2的經濟性又略優于方案1。因此，當設計超高層建筑遵循供配電系統安全、可靠、經濟、合理的原則時，供配電方案就會較為容易進行取舍。

5 豎向配電干線系統

對于超高層建筑的豎向配電干線系統，根據筆者過往設計經驗，本文總結了以下幾點需要注意的要點。

(1)在避難層設置分變電所時，高壓線路宜設置獨立的豎井。

(2)普通線纜和應急線纜應分線槽敷設，有條件時，將普通線槽和應急線槽分豎井敷設。

(3)雙電源供電的兩根電纜宜分設在兩個線槽內。

(4)各避難層的交直流電源，應按避難層分別供給，并在末端互投。

(5)配電干線應按避難層劃分供電區域， 同一干線不應跨避難層，帶兩個區域單元的用電負荷。

(6)豎向配電干線采用母線槽時，要注意超高層建筑物在搖擺時可能會對銅母線槽接駁組件位置產生拉扯壓力，此時可考慮采用電纜連接銅母線槽配電的方式，以減少故障發生、增加干線系統供電可靠性。

(7)超高層建筑處于地震烈度較高的地區時，豎向配電干線宜考慮采用電纜供電，電纜在抗震方面的安全性高于密集型母線槽。

(8)為了提高供電可靠性，超高層建筑中可考慮采用雙母線奇偶層供電方式，并在備用母線上預留插接口。

(9)建筑中的電纜豎井宜按避難層上下錯位設置，有條件時豎井之間的水平距離至少相隔一個防火分區。

(10)在超高層建筑的線纜選型時，普通設備的配電干線應為阻燃低煙無鹵交聯聚乙烯絕緣電力電纜，消防設備的配電干線應采用礦物絕緣電纜。

6 結束語