超高層建筑變電所選址方案的探討

陳宇

（中元國際(上海)工程設(shè)計(jì)研究院有限公司）

1 引言

隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，近年來國內(nèi)的超高層建筑越來越多。變電所作為建筑的電力能源中心，是整個(gè)建筑電力系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的心臟，所以超高層建筑的變電所設(shè)置是供配電設(shè)計(jì)中尤為重要的環(huán)節(jié)。設(shè)置合理的變電所，對(duì)整個(gè)供配電系統(tǒng)的安全運(yùn)行、提高供電質(zhì)量和節(jié)約能源等方面有重要作用。超高層建筑的垂直高度大、功能復(fù)雜，設(shè)計(jì)初期應(yīng)結(jié)合建筑性質(zhì)和特點(diǎn)，充分考慮供配電線路的電壓降、業(yè)主投資運(yùn)營成本和用電負(fù)荷分布等方面，合理選擇變電所的位置。本文以筆者參與設(shè)計(jì)的某超高層項(xiàng)目為例，對(duì)超高層建筑變電所的選址方案進(jìn)行探討。

2 變電所設(shè)置的基本原則

供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)該進(jìn)行合理的負(fù)荷計(jì)算，按電源條件、負(fù)荷特點(diǎn)合理確定變電所的位置、電壓等級(jí)和系統(tǒng)的結(jié)線方式等，合理選擇節(jié)能型電氣設(shè)備。其中，合理確定變電所的位置尤為重要。

變電所的所址選擇應(yīng)符合下列基本要求[1]：

①深入或靠近負(fù)荷中心；

②進(jìn)出線方便；

③設(shè)備吊裝、運(yùn)輸方便；

④不應(yīng)設(shè)在對(duì)防電磁輻射干擾有較高要求的場(chǎng)所；

⑤不宜設(shè)在多塵、水霧或有腐蝕性氣體的場(chǎng)所，當(dāng)無法遠(yuǎn)離時(shí)，不應(yīng)設(shè)在污染源的下風(fēng)側(cè)；

⑥不應(yīng)設(shè)在廁所、浴室、廚房或其他經(jīng)常積水場(chǎng)所的正下方處，也不宜設(shè)在與上述場(chǎng)所相貼鄰的地方，當(dāng)貼鄰時(shí)，相鄰的隔墻應(yīng)做無滲漏、無結(jié)露的防水處理；

⑦變電所為獨(dú)立建筑物時(shí)，不應(yīng)設(shè)置在地勢(shì)低洼和可能積水的場(chǎng)所；

⑧變電所可設(shè)置在建筑物的地下層，但不宜設(shè)置在最底層。超高層建筑的變電所宜分設(shè)在地下室、裙房、避難層、設(shè)備層及屋頂層等處。

3 工程概況

對(duì)于超高層建筑，一般考慮在各個(gè)設(shè)備層（避難層）設(shè)置一個(gè)分配變電所，變電所深入負(fù)荷中心[2]，同時(shí)考慮到超高層建筑高區(qū)分配變電所內(nèi)變壓器的運(yùn)輸、電磁干擾和噪音等問題，可采取僅在地下層設(shè)置主配變電所的設(shè)計(jì)方案[3]。

本文以某超高層項(xiàng)目為例，分析該項(xiàng)目變電所的選址方案。

本項(xiàng)目為公寓、商業(yè)、地下車庫及配套用房等組成的超高層建筑群，總建筑面積240000㎡，地下室共3層，地上4層為商業(yè)裙房，5層～53層為兩棟建筑高度為188m的超高層塔樓，塔樓12層、26層和40層為避難層。

本項(xiàng)目的變壓器總裝機(jī)容量為16000kVA，僅在地下一層設(shè)置兩個(gè)變電所（1#變電所和2#變電所），兩個(gè)變電所分別設(shè)置4臺(tái)2000kVA干式變壓器。本項(xiàng)目?jī)蓚€(gè)變電所位置靠近超高層塔樓核心筒，本項(xiàng)目地下一層變電所及避難層的位置如圖1所示。

圖1 某超高層項(xiàng)目剖面示意圖

4 變電所選址分析

超高層變電所的設(shè)置應(yīng)綜合考慮以下幾個(gè)方面：變壓器供電半徑，變壓器吊裝和運(yùn)輸路線、供配電線路的電壓降、業(yè)主投資成本、變壓器運(yùn)行對(duì)周圍環(huán)境的影響等。

本項(xiàng)目將變電所設(shè)置于地下一層，而未在避難層分設(shè)變電所，現(xiàn)通過幾方面對(duì)本項(xiàng)目的變電所選址方案進(jìn)行分析。

1）供電半徑分析

變電所的位置應(yīng)接近負(fù)荷中心，減少變壓級(jí)數(shù)，縮短供電半徑，以減少電能損耗。根據(jù)《全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施電氣（2009版）》[4]第3.1.3條第2款：低壓線路的供電半徑應(yīng)根據(jù)具體供電條件，干線一般不超過250m，當(dāng)供電容量超過500kW（計(jì)算容量）、供電距離超過250m時(shí)，宜考慮增設(shè)變電所。

本項(xiàng)目的1#變電所和2#變電所分別設(shè)置于兩棟超高層塔樓地下一層核心筒附近，供電母線及電纜從變電所出線后即可以最短路徑進(jìn)入塔樓核心筒強(qiáng)電井，經(jīng)過核心筒強(qiáng)電井垂直向上供電。假設(shè)供電電纜由變電所低壓出線柜出線后在變電所內(nèi)部的敷設(shè)距離為L(zhǎng)1，供電電纜在地下一層（變電所至核心筒強(qiáng)電井）的敷設(shè)距離為L(zhǎng)2，供電電纜經(jīng)核心筒強(qiáng)電井至末端設(shè)備的敷設(shè)距離為L(zhǎng)3，則該供電電纜的總敷設(shè)距離L=L1+L2+L3。

以供電距離最遠(yuǎn)的高區(qū)電梯為例，考慮供電電纜變電所及在地下室的敷設(shè)距離，至塔樓頂層高區(qū)電梯配電箱供電電纜的長(zhǎng)度（即該變電所最大供電半徑）約230m，在合理的供電半徑范圍內(nèi)。

2）變壓器吊裝和運(yùn)輸路線分析

在考慮變電所選址時(shí)，變壓器吊裝和運(yùn)輸?shù)穆肪€及施工的難易程度是必須要考慮的一個(gè)因素。

本項(xiàng)目8臺(tái)變壓器均設(shè)置于地下一層變電所，在機(jī)動(dòng)車坡道凈高滿足要求的條件下，可直接利用機(jī)動(dòng)車坡道將變壓器運(yùn)輸至變電所內(nèi)。施工圖設(shè)計(jì)階段只需要將變壓器運(yùn)輸所需的凈高、運(yùn)輸路線及運(yùn)輸荷載提供給建筑和結(jié)構(gòu)專業(yè)，相關(guān)專業(yè)在設(shè)計(jì)時(shí)考慮相關(guān)要求即可。所以變壓器運(yùn)輸至地下一層變電所，對(duì)土建設(shè)計(jì)與施工影響較小，且變壓器運(yùn)輸方便，設(shè)備安裝階段的人工成本較低。

若將變電所分設(shè)于避難層，一般考慮利用消防電梯井道運(yùn)輸變壓器，運(yùn)輸難度相對(duì)較大。分設(shè)于避難層變電所內(nèi)變壓器單臺(tái)一般不超過1250kVA，利用電梯井道對(duì)變壓器垂直運(yùn)輸時(shí)，需將變壓器保護(hù)外殼拆除。利用電梯井道運(yùn)輸變壓器的缺點(diǎn)是速度慢，運(yùn)輸過程復(fù)雜，需要結(jié)構(gòu)提前做好預(yù)埋件，需要電梯廠家、施工單位和結(jié)構(gòu)專業(yè)密切配合，吊裝和運(yùn)輸成本較高。

3）供配電線路的電壓降分析

根據(jù)GB50054-2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]第3.2.2條的規(guī)定，選擇導(dǎo)線截面時(shí)，線路電壓損失應(yīng)滿足用電設(shè)備正常工作及啟動(dòng)時(shí)端電壓的要求。

電壓降（電壓損失）通常用系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的百分?jǐn)?shù)表示。對(duì)于三相平衡負(fù)荷，線路的電壓降可由下式計(jì)算：

式中：Δu為電壓降百分?jǐn)?shù)，%；Un為系統(tǒng)標(biāo)稱電壓，kV；I為負(fù)荷電流，A；φcos為負(fù)荷功率因數(shù)；P為負(fù)荷的有功功率，kW；l為線路長(zhǎng)度，km；R’、X’為三相線路單位長(zhǎng)度的電阻和電抗，Ω/km。

利用上述公式，對(duì)本項(xiàng)目供配電線路進(jìn)行電壓降分析，以供電半徑最遠(yuǎn)的高區(qū)電梯為例，進(jìn)行電壓降計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 電壓損失計(jì)算表

在配電設(shè)計(jì)中，應(yīng)按照用電設(shè)備端子電壓偏差允許值的要求和地區(qū)電網(wǎng)電壓偏差的具體情況，確定電壓降允許值。線路電壓降允許值參考表2[6]。

表2 線路電壓降允許值

由計(jì)算結(jié)果可以得出，本項(xiàng)目最長(zhǎng)配電線路的電壓損失為2.711%＜5%，滿足配電線路的電壓降要求。

4）業(yè)主投資成本分析

在確定變電所選址方案時(shí)，節(jié)省項(xiàng)目投資成本是必須要考慮的因素，投資成本不僅包含機(jī)電設(shè)備成本，同時(shí)也包括土建成本。

本項(xiàng)目地下一層層高4.9m，梁下凈高4m，滿足變電所配電上進(jìn)線上出線的要求。

若將變電所分設(shè)于超高層塔樓避難層，避難層變電所采用上進(jìn)上出線方式，避難層層高為3.6m，梁下凈高僅2.9m，不滿足設(shè)置變電所的土建條件要求。如果在避難層增設(shè)變電所，那么就需要增加避難層的層高，這樣就會(huì)大大增加業(yè)主的土建投資。

在選址變電所時(shí)，既要考慮供配電系統(tǒng)投資最小，又要考慮土建投資成本，以不額外增加土建投資為原則確定最優(yōu)方案。

5）變壓器運(yùn)行對(duì)周圍環(huán)境的影響分析

變壓器在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)、噪聲及電磁輻射等。變電所設(shè)計(jì)和電氣設(shè)備的安裝應(yīng)采取抗震措施，并應(yīng)選用低損耗、低噪聲的節(jié)能型變壓器。

本項(xiàng)目超高層塔樓的建筑性質(zhì)為公寓，建成后會(huì)有住戶長(zhǎng)期居住，若將變電所分設(shè)于超高層塔樓避難層，由于避難層的上層和下層都是公寓，變壓器長(zhǎng)期運(yùn)行對(duì)變電所上下層的住戶有潛在的振動(dòng)、噪聲及電磁輻射的影響。

變電所設(shè)置于地下一層，變電所下方地下二層為機(jī)動(dòng)車庫，變電所上方一層為商業(yè)，機(jī)動(dòng)車庫與商業(yè)對(duì)變電所的振動(dòng)、噪聲及電磁輻射等影響不敏感。所以從變壓器運(yùn)行的角度來說，變電所設(shè)置于地下一層對(duì)周圍環(huán)境的影響更小。

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)居住環(huán)境的要求越來越高，所以在變電所選址時(shí)，變壓器所帶來的振動(dòng)、噪聲及電磁輻射等影響不可忽視。

5 結(jié)語

對(duì)于高度在200m以下的超高層建筑，在滿足規(guī)范要求的前提下，變電所是否設(shè)置于避難層應(yīng)該綜合考慮建筑性質(zhì)和特點(diǎn)、變壓器供電半徑、變壓器吊裝和運(yùn)輸路線、供配電線路的電壓降、業(yè)主投資成本和變壓器運(yùn)行對(duì)周圍環(huán)境的影響等因素，進(jìn)行方案對(duì)比評(píng)估，最終確立最優(yōu)的變電所設(shè)置方案。