200米超高層建筑避難層變電所設置探討

楊春麗

(北京維拓時代建筑設計股份有限公司，北京 100025)

0 引言

依據筆者近年參與的多個超高層建筑設計的經驗，本文主要針對200m左右的超高層辦公建筑，對超高層建筑內變電所設置方案優化問題進行探討。參考《全國民用建筑工程設計技術措施(2009版)》電氣的規定：低壓線路的供電半徑一般不超過200m；當供電容量超過500kW，供電距離超過200m時，宜考慮增設變配電所。對于高度200m的建筑，如變電所設在地下層，低壓供電線路的水平距離加上垂直距離，遠端供電距離會達到250m，處于低壓供電半徑的極限值。線路電壓降可能超過規定值，導致供電質量下降，同時電能損耗加大，影響到電梯等設備的運行。配電系統設計的合理性，直接影響到設備投資及后期運行管理，針對處于供電半徑臨界邊緣的建筑，避難層是否設置分變電所需做技術分析及方案比選。

1 項目概況

在多個200m左右的超高層建筑中，選擇具有典型性、代表性項目作為樣本，對避難層是否設置變電所進行經濟技術分析比較。

本項目位于天津，建筑高度195m，建筑面積約11萬m2。地上42層，地下2層。地下為停車庫，地上1～3層為商業裙房，地上4～42層為辦公，其中4、20、35層為避難層。

2 低壓供電線路電壓降與供電距離關系分析

根據GB 50052-2009《供配電系統設計規范》規定，用電設備處電壓偏差要求宜為±5%，高檔甲級寫字樓要求更高一些。一般情況，設計中控制干線電壓降在3%～3.5%，支線壓降1.5%～2%。在超高層建筑配電系統設計中，首先針對常用電纜、母線規格兩種供電方式，分別進行干線電壓降及供電距離進行初步計算分析。

2.1 交聯聚乙烯絕緣電纜供電

假定前提條件：負荷為三相平衡，電纜載流量按環境溫度40℃，敷設在空氣中選擇，電纜載流量修正系數取值0.7，cosφ取值0.9，θ=80℃，核算常用大截面交聯聚乙烯絕緣電纜供電距離見表1。

三相380V交聯聚乙烯絕緣電纜電壓降與供電距離 表1

由表1可以看出，如果將干線電纜壓降控制在3%以內，即便采用240大截面電纜供電，供電距離僅為165m。即當負荷電流達到300A以上，供電距離超過150m時，依靠增加電纜截面來增加供電距離，作用已經非常有限。

2.2 密集式銅母線供電

假定前提條件： cosφ取值0.9，θ=65°；密集式銅母線供電，干線電壓損失見表2。

三相380V銅母線槽的電壓損失(%) 表2

假定有負荷參數如下：在cosφ=0.9，供電距離L=200m，負荷計算電流I=800A運行條件下，由表2可以得出采用 1 000A 母線供電，其最小電壓損失為：0.03×200×800=4.8%，采用1 250 A母線供電，其最小電壓損失為0.026×200×800=4.16%，采用 1 600 A 母線供電，其最小電壓損失為0.021×200×800=3.36%。也就是說如果負荷運行電流在800A時，密集母線需要加大截面采用1 600A，方可基本滿足干線電壓損失3%的要求。

當供電距離達到200m時，為滿足線路電壓降要求，供電母線截面可能要加大2級以上，供電線路的造價成本要增加很多，造成線路方案不經濟。

3 負荷估算

負荷估算是供電系統設計的基本依據，在方案階段，可根據項目建筑規模、使用功能、辦公用電負荷特點等進行用電估算(估算數據參見表3)，本項目采用單位指標法來確定變壓器容量。

負荷密度及負荷估算 表3

表3為本項目負荷估算,變壓器總裝機容量為9 600kVA。接下來變壓器單臺容量、臺數、變電所設置數量以及設置位置是供電方案選擇的關鍵點。

4 供電方案比選

本項目建筑高度195m，主體塔樓正下方地下一層層高較高,變電所可布置在塔樓核心筒附近，變電所至核心筒水平距離長度較短，加上豎向距離，剛好處于供電半徑的臨界邊緣；同時，由圖1可見本項目建筑形態采用退臺方式，使得20層避難層以上辦公面積指標比較小，僅占整個塔樓辦公面積的四分之一左右，兩個因素導致是否在避難層設置分變配電所難以選擇取舍，必須同時結合技術性與經濟性，對本項目進行供電方案綜合分析。

4.1 確定比選方案

本項目20層避難層以上，21層至42層辦公面積約13 800m2，辦公用電負荷密度取值80W/m2，則21層至42層辦公用電負荷約為1 104kW，加上考慮中區、高區電梯、高區水泵、空調機組其他用電等，可設置兩臺800kVA變壓器。整個項目采用電制冷中央空調系統，空調制冷機房、水泵房、換熱站等主要設備站房集中在地下層，裙房商業、20層以下辦公供電等大量用電集中在20層避難層以下，這部分負荷由設置在地下一層的變配電所供電，變電所深入負荷中心，供電半徑也合理，不在方案比較之列。下面對2個供電方案進行比較。

方案一：根據負荷估算情況，地下一層設主變配電所，安裝2 000kVA變壓器4臺，為地下車庫、地下設備站房、地上1～3層商業、地上4～19層辦公供電；20層避難層設置分變配電所一處，安裝800kVA變壓器兩臺，為地上21～42層辦公供電。

方案二：兩臺800kVA變壓器設置在地下一層主變配電所，20層避難層不設分變電所，其他同方案一。僅針對20層以上辦公用電，是否在20層避難層設置分變配電所進行比較。

兩個方案供電示意如圖1～2所示。

圖1 方案一供電示意圖

圖2 方案二供電示意圖

4.2 壓降與截面選擇

電氣設計中電纜截面的選擇應主要遵照以下原則：電纜載流量、與保護開關的配合(大于斷路器額定電流)、按電壓損失校驗截面等。

避難層以上21～42層辦公面積約 13 800m2，用電負荷密度80W/m2，用電負荷約為 1 104kW，需用系數0.8，計算電流約為 1 491A，采用兩條密集母線集中供電，分別為奇數層偶數層供電，不考慮兩條母線相互備用預留因素，在cosφ=0.9，I=1 491A/2≈750A運行條件下，兩種方案電壓損失(%)計算如下。

(1)方案一：避難層設分變電所， L=100m，采用800A母線，其最小電壓損失為：0.038×750×0.1=2.85%，滿足壓降要求。

(2)方案二：避難層不設分變電所，L=200m，采用銅母線時，槽電壓損失情況參見表4。

方案2銅母線槽電壓損失(%) 表4

在20層避難層不設分變配電所的情況下，20層避難層以上的辦公用電母線槽供電距離過長，需要加大母線截面，采用1 600A母線，方可基本滿足壓降要求。

4.3 母線初期成本對比

假定銅價為：60 000元/t，密集母線價格粗略約為2.5元/m/A，母線初期成本方案一較方案二節省120萬，計算結果見表5。

2種方案母線初期成本比較 表5

4.4 線路電能損耗對比

配電線路導體通過電流，會產生電能損耗，與導體材料、截面和長度有關。

三相線路有功功率損耗為：△PL=3I2R10-3kW，其中，R為每相線路電阻，R=rl；l為線路計算長度，m；r為線路單位長度的交流電阻，Ω/km；三相線路年有功電能損耗為：△WL=△PLτ。

假設：辦公年最大負荷利用小時數Tmax：2 790h，年最大負荷損耗小時τ，采用《工業與民用供配電設計手冊》第四版，圖1.10-7τ與Tmax的關系曲線查得，按一般工商業電價0.8元/kWh，考慮電纜壽命為30年。方案二因壓降因素加大了母線截面，但是利于降低線損，在生命周期內累計線損費用，兩種方案母線線路能耗比較見表6，方案一比方案二低9.72萬，差異并不特別明顯。

2種方案線路能耗比較 表6

4.5 綜合分析

對20層避難層及以上高區電梯、避難層生活水泵、中水泵、空調機組等設備用電，對比方案一、二進行上述相同分析，結果顯示與方案二相比，方案一綜合技術經濟指標有優勢，分析數據不再一一列舉。

另外，還應綜合考慮以下因素：方案一、二兩種供電方案中，方案一設置主、分兩個變配電所，分變配電所不需24 h值班，但是需要巡查，運營維護會增加部分成本；方案一的變配電所總面積稍有增加，但是分變配電所設在避難層，除滿足避難層有效避難面積外，對其他影響不大；方案一需要增加兩臺高壓負荷開關柜，以及增加主變配電所至分變配電所的10kV高壓電纜等初期投資成本；方案一存在變壓器運輸問題；方案二豎向母線為4條，核心筒電氣管井面積增大，對標準層辦公使用面積有影響。

綜合上述低壓配電干線，變電所面積、開關設備、運營維護等多方面因素考慮后，避難層設置分變配電所，由于配電變壓器深入負荷中心，減少了大量低壓出線電纜及長度，降低了低壓配電線路初始投資造價，同時也減低了長期運行的配電線路損耗費用，方案一具有一定的綜合技術經濟優勢，建議選擇方案一。

5 變壓器運輸問題

在本項目方案設計階段，供電方案比選過程中，避難層設置分變配電所，應結合建筑專業、電梯專業綜合考慮變壓器垂直運輸問題，包括首次設備安裝及日后維修更換。針對這一問題，項目組對多個超高層建筑進行了實地考察調研，目前超高層建筑一般有以下幾種解決方式。

5.1 利用貨梯(消防梯)運輸

首先，盡可能利用現有貨梯(消防梯)，二次搬運方便，不存在破壞其他設施的風險。如北京東三環某寫字樓項目，設置一臺特大貨梯載重4 000kg，速度2.5m/s，從地下4層至地上56層逐層停站，需要時運載大型設備如變壓器，也很好的滿足了日常大型辦公家具的運輸問題，收到了很好的效果，另外該項目設置兩臺消防電梯，每個防火分區一臺，載重量1 600kg，速度5.0m/s，平時兼服務電梯使用，雖然大荷載貨梯初始投資較大，但是值得借鑒。其貨梯、消防梯的設置情況參見表7。

北京東三環某項目貨梯、消防梯設置表 表7

5.2 利用電梯井道運輸

利用電梯井道運輸，要求井道尺寸大于變壓器本體尺寸，這種方式需要拆除電梯曳引繩，在井道內安裝專業提升設備，從電梯井道內吊裝變壓器到避難層，工藝復雜，施工難度較大。項目市場調研表明采用此方式的案例不多見。從技術角度分析，電梯井道四周設有電梯導軌及隨纜等設備設施，變壓器吊裝過程中稍有碰觸，導致整條導軌報廢，需要重新采購安裝、同時需要經過技術監督局重新驗收，施工周期較長，代價也比較大。

5.3 變壓器拆分運輸

把變壓器拆分后到通過電梯運輸至避難層安裝。對于鐵芯為疊片式的變壓器，按國家標準要求在工廠內完成安裝測試，出廠前進行各項試驗。由專業技術人員對變壓器進行拆解，將變壓器分解為鐵心片、線圈、夾件等幾部份部件，所有拆解的部件重量應滿足電梯荷載要求，通過電梯垂直運輸至避難層安裝現場。

全部裝配工作完成后應進行重新試驗，試驗合格后變壓器方可就位，并拼裝好保護外殼，最后做接收試驗。 試驗項目包括：繞組直流電阻、絕緣電阻、工頻耐壓試驗、空載試驗、變比測量等。

5.4 設置平臺吊裝

避難層設置可伸出室外的吊裝平臺。這種方式優點明顯，投資較少，對核心筒走道、開門沒有特別要求。但是在二次運輸過程中，需要拆除平臺處的可拆卸百葉，吊裝過程中存在破壞外立面幕墻的風險，多個超高層項目中有應用，也是本項目建議采用的方案。圖3為北京某超高層寫字樓避難層吊裝平臺。

6 結束語

隨著城市超高層建筑越來越多的發展，電氣專業設計應結合具體項目的特點，進行多方面、多維度綜合分析，不宜簡單以供電距離單一因素進行主觀判斷。通過上述分析歸納總結，避難層設置分變配電所，具有比較明顯的優勢，200m超高層建筑中

圖3 變壓器吊裝平臺