超高層建筑供配電系統設計

張 斌

(1.上海交通大學, 上海 201100;2.華東建筑設計研究院有限公司, 上海 200002)

0 引 言

隨著我國經濟高速發展,超高層地標建筑不斷涌現,并逐漸演變成衡量城市現代化和經濟發展水平的重要標志。相比一般高層公共建筑,超高層建筑功能更多、用電負荷總容量更大、供電距離更遠,其供配電系統相應更為復雜。超高層建筑供配電系統方案的確定是一個綜合的設計過程,其中如何確定高壓系統結構、設置分配變電所、選擇應急電源電壓等級顯得尤為重要。

1 超高層建筑供配電設計特點

超高層建筑相較于其他民用建筑,最顯著的特點是樓層數多,建筑高度達100 m以上,相應的供電距離較遠。近年來,超高層建筑的高度往往都超過250 m,其供配電系統特點更為典型。本文主要圍繞高度超過250 m的超限高層建筑進行討論分析。

超高層建筑體量規模往往很大,單位面積用電負荷多在80～138 VA[1],通常需要采用多個10～110 kV電源供電[2]。同時超高層建筑多為商業、酒店、公寓、辦公等多種功能的綜合體,各業態常規根據機電設備層按區段分開,故供配電系統一般按業態劃分。

此外,超高層建筑對供配電可靠性要求較高,故除市電外還應設置柴油發電機作為應急或備用電源。柴油發電機的電壓等級取決于其供電距離[3-4]。

2 供配電系統設計難點

2.1 供電距離

依據相關規范[5],供電線路電壓降不應大于5%,而LEED認證的ASHRAE標準要求更高,規定“支流導線粗細應適應于設計荷載2%的最大電壓下降”。電壓降計算公式:

式中:Un——電壓等級;

R——電阻;

X——感抗;

I——計算電流;

L——供電距離。

0.38 kV電壓等級下(以1 000 A密集銅母線及240 mm2電纜為例),線路電壓損失供電距離計算如表1所示。

表1 0.38 kV線路電壓損失供電距離計算

由表1可見,0.38 kV低壓配電系統電纜供電距離不應大于256 m,1 000 A母線供電半徑不大于155 m。如根據LEED標準,兩者供電半徑分別減少至102 m和62 m。

2.2 周邊電壓條件

超高層建筑電源電壓等級通常為10 kV、20 kV、35 kV、110 kV,但電源數、電壓等級、單路電源容量實際還受地區周邊供電電壓條件限制。

2.3 地上變配電所設置條件限制

超高層上塔樓變電所通常按業態或物管要求分設,還受建筑空間條件限制。地上變配電所需設置在各設備層,而設備層設置樓層以及凈高往往是由建筑專業決定,故對地上配變電所設置位置有所限制。此外,機電設備層面積有限,對地上分配變電所面積有一定限制。

2.4 地上變壓器運輸

超高層建筑地上變壓器常規可通過貨梯直接運輸或利用電梯井道運輸,變壓器單臺容量受電梯載重量及井道空間限制[6]。

3 變配電所設置分析

超高層建筑高壓電源電壓等級通常為10～110 kV,本文按10 kV為例計算分析。

3.1 高壓供配電系統結構

超高層高壓供配電通常采用主分、放射式、二級配電[3]或兩種混合型。主分結構即在超高層建筑中設一個或多個高壓總配變電所(多設于地下室)。放射式是向各分變電所變壓器供電。二級配電即由高壓第一級變電所先向中壓第二級變電所供電,再由二級變電所向下級變壓器供電。兩者主要區別是二級配電多一級高壓配電,前者高壓電纜較多,簡單可靠;后者高壓柜多,可靠性稍低。

以10/0.4 kV配電系統為例,根據供電距離及下級變壓器數量不同,線路電壓損失供電距離計算如表2所示。

由表2可見,當下級變壓器數量為4臺時,供電距離小于475 m,采用主分結構經濟性較好,供電距離大于475 m時,可考慮采用二級配電結構;但下級變壓器數量為6臺時,供電距離超過235 m時,二級配電結構經濟性開始好于主分結構。

表2 10/0.4 kV線路電壓損失供電距離計算

綜上所述,供電距離遠且下級帶的變壓器數量較多時,二級配電結構經濟性更好,否則宜采用簡單可靠的主分配電結構。此外,高壓供配電結構還取決于各業態分變配電所需是否需獨立管理。對于綜合性較高多業態獨立管理的超高層建筑,也可采用兩者混合型配電結構。

3.2 配變電所設置

超高層建筑變電所設置問題較為復雜,一方面變電所設置應盡量縮短供電電纜長度,同時因條件限制宜盡量減少設置在塔樓上的分變電所數量及變壓器臺數。本文主要討論超過250 m超限高層建筑,因塔樓上設置分變電所的比選方法較為簡單,故本文僅分析更為復雜的情況。

以某300 m超高層項目為例,每層面積約為2 200 m2,業態均為辦公,樓層數為60層,其中設備層為10F、20F、30F、40F及50F,不計地下室及集中冷熱源負荷。不同變電所設置方案如圖1所示。

圖1 不同變電所設置方案

為簡化計算,平均層高按5 m估算,干線電纜數量按變壓器容量乘以校正系數(取0.02),假設建筑內負荷分布均勻,即干線電纜長度取供電距離均值,線路年有功損耗按文獻[7]相關公式計算,根據辦公建筑負荷運行特點,τ取4 000 h[8],線路選用240 mm2銅芯交聯聚乙烯電纜,消防、備用負荷數按總電纜1/3考慮。

按文獻[7]變壓器節能評價的年平均費用法對上述4種方案進行經濟技術比選(設備、電纜價格均按經驗值,高低壓柜、變壓器等設備經濟使用周期取20 a,電價取1元/kWh)。4種方案經濟比選如表3所示。

表3 4種方案經濟比選

由比選結果可見,方案三經濟性最佳,其次為方案二、方案四。即有條件時,應在每個避難/設備層設置樓層分變電所,這樣供電半徑最小,減少低壓電纜用銅量及線路損耗。但大多數情況下,超高層建筑僅有部分避難層有條件設置配變電所,此時可選次優的方案二或方案四。另外,方案二與方案四經濟性計算結果相近,但方案二變壓器相對集中設置,分變電所數量較少,且更有利于靈活調配用電負荷。

4 柴油發電機電壓選擇

以1 000 kW柴油發電機組為例,對柴發電壓等級作計算分析,假設在停電或火災時應急線路計算電流為1 600 A。根據電壓降計算公式,不同電壓等級下線路壓降與供電距離如表4所示。

由表4可得,選用0.4 kV低壓柴油發電機組在保證線路電壓降不超過5%時,采用電纜供電極限距離約為242 m,采用母線供電最大半徑約為192 m,放大規格后約為254 m。

表4 不同電壓等級下線路壓降與供電距離

在上述設定條件及壓降計算基礎上進行經濟性分析。線路壓降與供電距離經濟性分析如表5所示。

表5 線路壓降與供電距離經濟性分析

由表5可見,方案二的總造價最低,其次為方案三。柴發電壓為0.4 kV時,在保證電壓降不超過5%條件下,最大供電距離約為240 m,否則需要進一步放大線纜截面,經濟性隨之下降。此外,發電機容量較大時線路計算電流隨之增大,采用多路或多拼電纜供電不合理,需采用防火母線供電,會增加線路造價。而采用10 kV線路壓降小,在供電距離大于250 m時經濟性較高,但高壓發電機控制維護較為復雜,對操作人員要求較高。

綜上所述,超高層建筑在發電機容量較小且供電距離小于250 m時電壓等級宜選擇0.4 kV,反之可以考慮選用經濟技術性更好的10 kV方案。

5 結 語

本文介紹了超高層供配電系統的幾大特點,對主要的設計難點問題進行了計算分析,通過經濟技術比選總結出了一些規律和結論。超高層建筑供配電系統較為復雜,在實際設計過程中還會遇到許多限制條件,還需電氣設計人員結合具體情況,靈活運用本文提供的方法思路,反復論證比選方案,以期做到供配電系統安全、經濟、合理。