超高層建筑電氣設計分析

天津企宏騰科技有限責任公司 王升義

1 超高層電氣設計特征

1.1 需滿足更多用電需求

相比于普通層高建筑超高層建筑（總高度超過100m的建筑）承載著更多功能，其中大部分功能都需電力作為支撐。如垂直交通系統（即電梯系統），由于超高層層數較多、用戶數量較大，垂直交通系統的承載量也就相應增大，用電負荷也即增多。再者超高層建筑也存在許多特殊的用電需求，諸如建筑消防系統。當超高層建筑發生火災時高層住戶無法迅速逃離，因此為了保證安全，超高層建筑須依據國家規范要求設置消防系統，而消防系統中存在許多用電設備，如消防水泵、消防風機、防火卷簾、電動防火閥等。

電氣系統中的火災自動報警系統也是建筑消防系統的重要組成部分。其中煙感、溫感、火焰探測器等探測設備，時刻探測、監控建筑物內各個區域的實時狀態，為建筑安全保駕護航；消防聯動控制系統將建筑物內所有消防設備全部聯動控制，通過計算機程序控制設備的啟動、停止，并且可通過系統編程實現更復雜的控制邏輯，以滿足建筑消防系統中各個設備各種繁瑣的運行要求，因此消防系統與建筑電氣設計密不可分。另外，超高層建筑也包含普通建筑的所有用電需求，如照明、動力、電子系統等設備，因此總體上超高層建筑用電類目繁多，電氣設計需滿足大量用電需求，具有一定難度[1]。

1.2 必須保障供電穩定性

因為超高層建筑高度太高、供電線程較長，且供電線路長度與電阻高低呈正比關系，因此線路越長則電阻越高，造成供電線路的電壓降損失越大，從而影響供電質量，無法保證供電穩定性。同時從用電量及配電形式的角度來看，超高層建筑的容納空間較大，內部住戶數量更多，因此需更大供電容量、更多供電回路，因此會產生更復雜的供配電形式。電氣系統中用電設備過多、設備容量過大，都會對供電穩定性帶來影響，甚至會造成嚴重隱患。由此可見，超高層建筑電氣設計需要盡可能提高供電穩定性，并且予以一定的保障。

值得注意的是，超高層建筑供電穩定性除了取決于設計階段以外，還與后期的維護、保護有關。前期設計中如未考慮后期維護、保護需要，可能導致電氣設備經常出現故障、壽命減短，或不利于后期維護工作展開，使得維護不到位，設備也容易出現故障，這些現象自然導致供電穩定性變差，甚至還會引發一些電力事故，威脅住戶安全，因此超高層建筑電氣設計必須保障設計穩定性[2]。

2 電氣系統結構、設計要點

2.1 基本結構

因為不同超高層建筑的電氣需求存在差異，所以電氣系統結構也有一些區別，但這些差異主要體現在應用功能方面，系統基本結構相同。結合以往經驗，超高層建筑電氣系統主要由10/0.4kV變配電系統、低壓配電系統、照明系統、防雷接地系統等組成，具體內容如下。

10/0.4kV變配電系統。其為建筑電氣系統的核心、供配電系統的源頭。包括建筑供電負荷分級、供電電源、變配電所設置、建筑負荷容量計算、繼電保護裝置、操作電源及信號、電能計量、功率因數節能補償、諧波治理、低壓保護裝置、電力監控系統、配電線路等內容；低壓配電系統。是電氣系統的重要組成部分，它將電能從變配電室輸送至建筑內各區域，以構成龐大的配電系統網絡。低壓系統以滿足供電可靠性、靈活性、安全、檢修方便以及減少損耗等原則進行設計。通常自變電所饋線柜低壓出線至用電設備間的低壓配電級數不超過三級。

照明系統。包括室內外照明、插座，以及部分小動力設備，是直接面對用戶的末端設備，這些設備自身容量雖然不高，但數量眾多，覆蓋面極廣。因此，照明系統是否正常決定了超高層建筑的功能服務以及用戶體驗。

防雷接地系統。出于供電穩定性與用電安全考慮，超高層建筑設計中需要做好防雷接地系統。自然環境中的雷電對建筑電氣系統有較大影響，尤其是超高層建筑，其受雷電影響的概率、影響力度遠超普通城改建筑，若受到影響電氣系統的供電就會出現不穩定現象，如短路、設備損壞等。接地系統是建筑內保證人身安全的重要措施，電氣設備以及可導電金屬物體沒有做好接地保護，不僅會造成人員觸電的危險，還會產生電氣火災的隱患。因此，做好防雷接地系統設計，不僅能夠為其他系統提供保護，還可提高供電穩定性、用電安全性[3]。

2.2 系統設計要點

出于電設計整體考慮，各個系統都不能出現問題，因此設計人員要了解各系統的設計要點，具體內容如下。

2.2.1 10/0.4kV變配電系統設計要點

按照國家規范要求，超高層建筑為一類高層民用建筑，供電負荷等級為一級。需要由雙重電源供電，并且當一電源發生故障時，另一電源不應同時受到損壞。

超高層建筑一般在建筑地下層或首層設置變配電室，由市政引來兩路或多路（偶數）10kV高壓電源，通過變壓器變為0.4kV低壓電源，供給樓內各個用電設備。由于變配電室的位置直接影響配電線路的供電半徑，所以從經濟性、節能性的角度考慮，變配電室選址尤為重要。另外如果建筑高度超過200m，就需在中間層增設變配電室，以縮短供電半徑，減少電壓、電能損耗。

因為超高層建筑形式特殊，用電需求要求較高，因此有部分用電設備需要應急電源作為第三路備用電源,包括自備柴油發電機組、EPS應急電源、UPS不間斷電源。柴油發電機組：有部分超高層建筑（如國際高級酒店、醫院、國家級會展中心、金融中心、超豪華寫字樓等）由于供電級別較高，建筑內存在一些重要負荷（消防負荷、安防系統、安全系統用電等），按照國家規范（民用建筑電氣設計標椎GB 51348-2019）要求，此部分重要負荷需要第三路供電電源作為備用，于是自備發電機組因此產生；EPS應急電源：應急照明一般采用雙互投電源（ATS）在末端切換，但（ATS）互投開關在動作時需要一定切換時間，不能滿足應急照明持續點亮的要求，所以需要設置EPS應急電源，以補足切換時間的不足；UPS不間斷電源：計算機運營管理、金融服務、安防等系統需要服務器持久在線，電源不能間斷。但電氣轉換開關需要轉換時間，無法滿足持續不間斷的供電要求，因此需要設置UPS不間斷電源，作為市政電源故障時計算機服務器持久在線的電源支持。

高、低壓供電系統結線型式及運行方式一般采用以下形式：高壓為單母線分段運行方式，中間設聯絡開關，平時兩路電源同時分列運行，互為熱備用，當一路電源故障時，通過手動操作聯絡開關，由另一路電源負擔全部二級及以上重要負荷。高壓主進開關與聯絡開關之間設電氣連鎖，任何情況下只能合其中的兩個開關；低壓為單母線分段運行，聯絡開關設自投自復/自投不自復/手動轉換開關，確保后期管理時能夠手動操作。自投時應自動斷開非保證負荷，以保證變壓器正常運行。低壓主進線開關與聯絡開關之間設電氣連鎖，任何情況下只能合其中的兩個開關。

10kV繼電保護采用綜合繼電保護器實現三相定時限過流保護、電流速斷保護、零序保護；變壓器10kV側設置單相接地信號裝置、兩段溫度保護及信號裝置。高壓斷路器采用真空斷路器，操作電源采用直流電源。低壓斷路器操作電源采用交流電源，分段能力需滿足規范要求。

2.2.2 低壓配電系統要點

低壓配電系統采用放射式或樹干式供電，對于單臺容量較大的負荷或重要負荷采用放射式供電，對于照明及一般負荷采用樹干式與放射式相結合的供電方式，對于消防電梯、消防泵、噴淋泵、應急照明及防排煙風機等消防負荷及變配電室及安保等一類負荷用電設備的供電，采用雙電源送至各用電點進行末端自動切換，以保證供電的可靠性。其中計算機管理系統、電話通信、安防系統負荷為一類負荷中的特別重要負荷，采用雙電源送至各用電點進行末端自動切換，并設有應急電源系統作為后備電源。其余的重要負荷如非消防部分的生活水泵、排水泵等也采用雙電源末端或適當位置自動切換供電。地上應急照明、走廊一般照明等負荷采用電纜T接的樹干式配電方式。

所有非消防用電設備及非消防照明其供電主開關均須設置分勵脫扣器以能在火警發生時切斷非應急負荷。發電機供電的非消防重要設備負荷在火災時自動強切；在三相配電系統中，單相負荷應均勻分配以減少中性線電流，照明和動力用電將按照實際需求盡量分獨立回路設計，以減少因動力負荷所引起的電壓波動而影響照明用電質量。

2.2.3 照明系統設計要點

超高層建筑照明設計較為復雜，總結經驗設計要點主要有以下幾點：照度要求及功率密度限值：按照國家規范要求，建筑照明照度不能超過國家標準規定的照明功率密度限值，但照明設計又必須滿足各功能區域的使用要求，達到規范要求的照度標椎值（lx）。因此需根據建筑內各房間功能合理設計照明數量；照明燈具選型：根據規范要求，建筑照明必須采用節能型燈具。因此設計中選擇光源一定要符合當前節能要求。另外顯色指數、色溫、光通量等參數也是選擇燈具的重要指標；照明控制系統：為方便日常維護管理、建筑節能，滿足各種場景對照明環境要求，不同功能區域需采用不同控制方式。

如：樓梯間、樓梯前室、合用前室等公共區域采用雙鑒(超聲+紅外)探測器控制照明的啟停，以達到延時關閉的效果；車庫、后勤、后勤走廊等公共區域可采用智能照明控制系統或建筑設備管理系統（BA系統），以實現時間控制；大堂、多功能廳、餐廳、游泳館等精裝區域可采用智能照明控制系統，實現集中控制、場景控制；辦公室、會議室等功能房間采用就地開關控制；loft辦公、躍層戶型上下樓梯、長過道的照明采用雙控開關兩地控制；室外照明可采用智能照明控制系統或BA系統，可根據白天、夜間、節假日等的不同需要對室外照明場景進行系統設置，并在規定時間關閉，節約電能。另外，應急照明應選用滿足國家標準的應急燈具，采用應急獨立電源、專用配電線路，以此避免應急照明電源受到影響，確保應急照明設備在應急狀態下能夠正常使用。

2.2.4 防雷接地系統

防雷系統：首先要估算建筑物的年雷擊次數，然后根據年雷擊次數確定建筑物的防雷等級。一般情況下超高層建筑防雷等級為二類。根據國家規范要求，超高層建筑的防雷裝置必須滿足防直擊雷、側擊雷、防雷電感應以及雷電波的侵入。接閃器：在屋頂采用Φ12熱鍍鋅圓鋼作避雷帶，屋頂避雷連接線網格不大于10m×10m或8m×12m。所有突出屋面的金屬物均與避雷帶相接；引下線：利用建筑物外側柱的主鋼筋做防雷引下線，其間距不應大于18m。所有鋼筋構件之間必須連接成電氣通路；防側擊雷：每層設均壓環，均壓環均與該層外墻上的所有金屬窗、構件、引下線連接；接地極：利用建筑之基礎結構樁基內之主鋼筋及地梁內主筋作為接地體。

接地系統：超高層建筑室內低壓配電系統的接地型式為TN-S系統，系統變壓器中性點接地、電梯導軌的接地、綜合監控中心接地、通信接入機房接地、網絡機房接地等均共用基礎接地極，要求接地電阻不大于1歐姆；凡正常不帶電而當絕緣破壞有可能對地呈現電壓的一切電氣設備的金屬外殼均應可靠接地；全部供移動用電設備使用的電源插座，潮濕場所及室外設備用電的配電線路設剩余電流保護措施；變配電室內設置總等電位鏈接（MEB）。帶淋浴的公共衛生間、浴室、洗衣房、游泳池、廚房等潮濕場所、醫療用房內均應設置局部等電位聯結（LEB）；柴油發電機房、制冷機房、生活水泵房、中水機房、弱電機房等各設備機房均設置等電位接地端子板/箱，所有外露可導電部分均與之相連。

綜上，超高層建筑與普通層高建筑多有不同，設計過程中應當注意相關要點，并嚴格遵守國家相關的規范標準，提高電氣系統質量，為住戶用電、安全提供保障。