超高層建筑配電的研究與運(yùn)用

時立龍， 羅衛(wèi)東

(1. 中旭建筑設(shè)計有限責(zé)任公司，北京 100044；2. 北京國金管理咨詢有限公司，北京 100039)

1 超高層建筑特點(diǎn)

1.1 超高層建筑的定義

根據(jù)GB 50352-2019《民用建筑設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》第3.1.2條，第3款規(guī)定：地上建筑高度大于100.0m的民用建筑為超高層建筑。在其他建筑相關(guān)規(guī)范中，并未對超高層建筑進(jìn)行定義及分類，只是對建筑高度大于100m的建筑的防火措施、疏散、避難層的設(shè)置等方面做了相關(guān)規(guī)定。例如GB 50016-2018《建筑設(shè)計防火規(guī)范》第1.0.6、5.1.4、5.2.6、5.5.23、5.5.31、6.7.5等條(款)。

1.2 超高層項目特點(diǎn)分析

近些年，筆者公司陸續(xù)接觸并設(shè)計了一些超高層項目，項目統(tǒng)計如表1所示。綜合來看，超高層建筑有以下特點(diǎn)。

超高層項目案例情況統(tǒng)計表 表1

(1)建筑體量大：一般都是多棟樓組合一起，地下聯(lián)通，建筑面積一般都超過10萬m2。(2)建筑功能及業(yè)態(tài)復(fù)雜：一般包含多種功能，如地下車庫、辦公、住宅、商業(yè)、酒店等，對應(yīng)的租售形式及各業(yè)態(tài)物業(yè)管理形式也比較復(fù)雜。(3)建筑高度高，占地面積大。(4)空調(diào)形式復(fù)雜。

2 用電指標(biāo)分析

(1)《超高層建筑電氣設(shè)計與安裝》(14D801)指標(biāo)參考：如無特殊要求，超高層建筑的變壓器容量指標(biāo)可為：80～140VA/m2。

(2)各大地產(chǎn)商(萬達(dá)、恒大等)對各種業(yè)態(tài)有相應(yīng)的用電指標(biāo)，但是對于超高層類建筑沒有對應(yīng)的用電指標(biāo)。

(3)相關(guān)機(jī)電顧問公司(AECOM、柏城等)一般要求為100～150VA/m2。

(4)相關(guān)超高層項目用電指標(biāo)統(tǒng)計如表2所示。

超高層項目案例用電指標(biāo)統(tǒng)計表 表2

(5)其他大型參考項目資料數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表3所示。

其他參考項目案例用電指標(biāo)統(tǒng)計表 表3

(6)部分回訪數(shù)據(jù)：僅取得海航大廈資料，表4為海航大廈負(fù)荷率統(tǒng)計。

海航大廈負(fù)荷率統(tǒng)計表 表4

綜上所述，考慮業(yè)態(tài)功能、空調(diào)形式等情況，變壓器指標(biāo)控制在80～110VA/m2，較為合適。

3 供電電源

3.1 超高層建筑電源要求

2009版技術(shù)措施中，將民用超高層建筑定義為特別重要用戶。

上海市工程建設(shè)規(guī)范將建筑高度>100m的高層建筑的電氣防火分級定義為特級，并要求應(yīng)按一級負(fù)荷供電外，尚應(yīng)設(shè)置自備發(fā)電機(jī)組或第三路市電為消防設(shè)備的應(yīng)急電源。

GB 51348-2019《民用建筑電氣設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，附錄A中將建筑高度超過100m的高層辦公建筑主要通道照明和重要辦公室用電劃分為一級負(fù)荷；建筑高度>150m的超高層公共建筑的消防用電劃分為一級負(fù)荷中特別重要負(fù)荷；第3.2.9條規(guī)定，對于一級負(fù)荷中特別重要負(fù)荷，其供電除雙重電源供電外，尚應(yīng)增設(shè)應(yīng)急電源供電；第13.7.4條第2款規(guī)定，消防用電負(fù)荷等級為一級負(fù)荷中特別重要負(fù)荷時，應(yīng)由一段或兩段消防配電干線與自備應(yīng)急電源的一個或兩個低壓回路切換，再由兩段消防配電干線各引一路在最末一級配電箱自動轉(zhuǎn)換供電。

3.2 市政電源相關(guān)資料

《國家電網(wǎng)公司業(yè)擴(kuò)供電方案編制導(dǎo)則》(試行)要求見表5。

客戶供電電壓等級的確定 表5

3.3 其他電源參考資料

《超高層建筑電氣設(shè)計與安裝》(14D801)對電源方案比較及高壓系統(tǒng)接線要求有比較詳細(xì)的介紹，可借鑒參考。

4 應(yīng)急電源

4.1 柴油發(fā)電機(jī)電壓等級

(1)超高層建筑中柴油發(fā)電機(jī)組電壓等級的選擇，在國家電氣設(shè)計規(guī)范中沒有規(guī)定。

(2)《超高層建筑電氣設(shè)計與安裝》(14D801)對于柴油發(fā)電機(jī)組的選擇建議：當(dāng)建筑高度低于200m時，宜選用0.4kV柴油發(fā)電機(jī)組；當(dāng)建筑高度超過400m時，宜選用10kV柴油發(fā)電機(jī)組；當(dāng)建筑高度為200～400m時，需進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定柴油發(fā)電機(jī)組的額定電壓。

(3)本次考察回訪范圍內(nèi)的超高層建筑高度不超過300m，均選用0.4KV柴油發(fā)電機(jī)組。

4.2 柴油發(fā)電機(jī)容量

(1)現(xiàn)行電氣規(guī)范未對柴油發(fā)電機(jī)組的容量進(jìn)行規(guī)定。在方案時按10%～20%預(yù)留，施工設(shè)計時按實際負(fù)荷進(jìn)行計算。

(2)項目設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)組的情況統(tǒng)計見表6。

項目設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)組的情況統(tǒng)計表 表6

(3)從回訪情況來看，各超高層建筑的供電可靠性均比較高，暫未出現(xiàn)長時間斷電情況。各柴油發(fā)電機(jī)使用頻率均不高。

(4)油罐設(shè)置情況：按消防要求，柴油發(fā)電機(jī)組的油箱容量應(yīng)能保證180min。室內(nèi)設(shè)置的儲油間為1m3，一般不能滿足。另外有些五星級酒店要求的時間更長。此時可在室外設(shè)置小型地埋式油罐。但是回訪的項目中均未設(shè)置室外小型油罐，僅設(shè)置了室外油罐車的接口。

(5)柴油發(fā)電機(jī)組的運(yùn)輸：超高層建筑內(nèi)設(shè)置的柴油發(fā)電機(jī)組容量均比較大，機(jī)組重量在10t以上，機(jī)組的尺寸比較大。一般需要預(yù)留設(shè)備吊裝孔，此吊裝孔可與其他設(shè)備吊裝孔共用。并需規(guī)劃柴油發(fā)電機(jī)組的運(yùn)輸路線。以風(fēng)冷式柴油發(fā)電機(jī)組舉例，奔馳機(jī)組1 500kW尺寸為4 250×1 670×2 390，康明斯機(jī)組1 500kW尺寸為61 750×2 286×2 537，一般柴發(fā)機(jī)組的水箱在運(yùn)輸時可先拆卸，但是柴發(fā)機(jī)組運(yùn)輸路線其高度不小于2.6m。如有特殊要求，需提前和建筑溝通。

(6)柴油發(fā)電機(jī)組的排煙：根據(jù)現(xiàn)在的環(huán)保要求，柴油發(fā)電機(jī)組的煙氣需高處排放。此問題需提前與當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門進(jìn)行溝通。如果需要嚴(yán)格執(zhí)行此條，則柴油發(fā)電機(jī)組的排煙管需通過核心筒上到最高層的屋面，對整個項目造成較大的影響。本次回訪的各個項目，均未按此要求設(shè)計施工，而是在裙房屋頂排放。

5 負(fù)荷分級

(1)根據(jù)GB 51348《民用建筑電氣設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》、GB 50052《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》等現(xiàn)行電氣設(shè)計規(guī)范，統(tǒng)計負(fù)荷分級情況如表7。

負(fù)荷分級情況統(tǒng)計表 表7

(2)根據(jù)超高層建筑特點(diǎn)，補(bǔ)充部分負(fù)荷分級，詳見表8。

超高層負(fù)荷分級 表8

6 變電所

超高層建筑用電容量大，供電距離長，業(yè)態(tài)比較多，需綜合考慮設(shè)置多個變電所。

6.1 變壓器不上樓及上樓方案的比較

變電所設(shè)置位置一般分兩種情況，上樓與不上樓的優(yōu)、缺點(diǎn)比對見表6。

(1)200m及以上的超高層建筑，一般在避難層、頂層設(shè)置變電所，分區(qū)進(jìn)行供電，以減少供電距離。

(2)在200m 及以下的超高層建筑中，可不在避難層設(shè)置變電所，直接低壓配電即可，也可在避難層設(shè)置變電所，分區(qū)供電。

(3)本次回訪的各個項目，200m以下的項目均在避難層設(shè)置變電所，分區(qū)供電。

6.2 變壓器運(yùn)輸方案

變壓器運(yùn)輸上樓有以下幾種方案可選擇。

(1)利用貨梯運(yùn)輸：此種運(yùn)輸方式，對電氣專業(yè)最有利，對建筑結(jié)構(gòu)專業(yè)影響最小。但是需要設(shè)置專門的運(yùn)輸電梯，提高造價及運(yùn)行成本，需建設(shè)方認(rèn)可。

(2)利用電梯井道運(yùn)輸：此種運(yùn)輸方式，需提前與建筑專業(yè)確定電梯井道，并預(yù)留結(jié)構(gòu)條件。建設(shè)方在電梯訂貨時需告知電梯廠商，按此要求供貨。此方案簡單可行，但是需協(xié)調(diào)好各方，做好前期預(yù)留工作。

(3)利用室外吊裝：利用屋頂或避難層，預(yù)留吊裝構(gòu)件，從室外吊裝變壓器。此種運(yùn)輸方式，運(yùn)輸過程中的晃動量不可控，容易損壞設(shè)備和外立面。不推薦此種運(yùn)輸方式。

(4)變壓器拆裝運(yùn)輸：變壓器先行拆卸，再通過電梯運(yùn)輸上樓，再在樓上變電所組裝。此種運(yùn)輸方式，變壓器設(shè)備在上樓后還需做各種測試，有些測試已無條件再做，帶來使用上的隱患。不推薦此種運(yùn)輸方式。

(5)本次回訪，大部分項目未考慮變壓器上樓的運(yùn)輸方式。此問題需引起設(shè)計院足夠的重視。變壓器上樓與不上樓的優(yōu)缺點(diǎn)對比詳見表9。

變壓器設(shè)置方案比較 表9

6.3 避難層變電所設(shè)置注意事項

(1)建筑專業(yè)的影響：設(shè)置在避難層的變電所，其外墻均為玻璃幕墻。但是考慮安全，可要求建筑再增加一道砌塊墻。

(2)結(jié)構(gòu)專業(yè)的影響：結(jié)構(gòu)專業(yè)可能在避難層設(shè)置桁架以加強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度。設(shè)計時需提前與結(jié)構(gòu)專業(yè)溝通，已確認(rèn)結(jié)構(gòu)桁架對變電所的影響(可能對變壓器運(yùn)輸也有影響)。

(3)規(guī)范的要求：變電所不應(yīng)與住宅類功能的建筑貼鄰。

(4)設(shè)置在避難層變電所需考慮減震、降噪等措施，以減少對上、下層房間的影響。現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)圖集對此問題沒有涉及，從回訪情況分析，也未進(jìn)行處理。此問題需引起設(shè)計院足夠的重視。

6.4 充電樁變壓器設(shè)置需求

根據(jù)現(xiàn)在各地政府要求，需配置一定比例的電動汽車充電樁。由于超高層建筑停車數(shù)量比較大，故電動汽車充電樁的用電量也比較大，可根據(jù)需要及當(dāng)?shù)毓╇姴块T要求設(shè)置專用變壓器。

7 配電干線

配電方案可根據(jù)工程實際情況，結(jié)合建筑用電負(fù)荷分布及業(yè)態(tài)管理要求靈活組合應(yīng)用。

(1)建筑上部的用電負(fù)荷可從避難層變電所往上供電；建筑中部的負(fù)荷可從避難層變電所上供、下供或上下供；建筑底部的負(fù)荷由下部變電所往上供電。

(2)超高層建筑的低壓配電(主塔部分)一般為雙母線交叉供電。本次回訪的工程均采用此配電系統(tǒng)。

(3)地下車庫、裙房商業(yè)、塔樓辦公、酒店等歸屬不同的業(yè)態(tài)，需按業(yè)主方要求進(jìn)行配電設(shè)計。

(4)一般屋頂設(shè)有電梯、直升機(jī)、插窗機(jī)等設(shè)備，配電時需進(jìn)行電壓損失效驗。

(5)超高層建筑核心筒宜設(shè)置10kV電力電纜專用豎向井；250m及以上超高層建筑核心筒還需增設(shè)消防專用豎向井。

8 結(jié)束語

(1)超高層民用建筑中存在一級負(fù)荷中的特別重要負(fù)荷，變壓器裝機(jī)指標(biāo)一般在80～110VA/m2，另需設(shè)置自備應(yīng)急電源為一級負(fù)荷中的特別重要負(fù)荷提供備用電源。

(2)超高層建筑的正常電源數(shù)量不應(yīng)少于兩個，各路電源應(yīng)為不同路由的線路，宜采用專線由上級變電站或開關(guān)站放射式供電。電源電壓等級可以為10kV、20kV或35kV。

(3)超高層建筑的高壓供配電系統(tǒng)宜采用主配變電所——分配變電所結(jié)構(gòu)，主配變電所應(yīng)采用單母線分段的主接線形式，采用放射式引至分配變電所。

(4)當(dāng)建筑物高度低于200m時，宜采用低壓柴油發(fā)電機(jī)；當(dāng)建筑物高度大于400m時，宜選用高壓柴油發(fā)電機(jī)。

(5)可在避難層、頂層設(shè)置分變電所，分變電所內(nèi)單臺變壓器容量不宜超過1 000kVA，最大不超過1 250kVA。