當前民用高層建筑供配電系統(tǒng)電氣設計的研究

付文沛

（太原供水設計研究院有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

供、配電網設計復雜、煩瑣，以保證其正常運行，要充分利用其在高層建筑中的優(yōu)越性，做好供、配電網的電氣設計。

1 工程概況

該項目為居住用地，占地15000m2，其中1、2 層為商鋪，3 層以上為居住小區(qū)。以8、9 號樓為例，其中一樓和二樓為商用，地下室的主要用途是用作地下停車，戰(zhàn)時也可以用作人民防護。該項目一期的消防負荷以消防供水系統(tǒng)為主，二次負荷以一、二樓為商用為主，其余負荷等級為三級。該項目的供電、配電系統(tǒng)的設計應遵循下列基本原則。

首先，在選址時應以鄰近負荷中心為優(yōu)先，但從施工方便的角度出發(fā)，應選用材料設備運輸方便、設備吊裝方便的場所。為防止配電裝置的腐蝕，應選在遠離灰塵、水霧、腐爛氣體的地方，如條件所限，不能避開上述地區(qū)，盡量選擇污染較小的場所，另外，衛(wèi)生間周圍的空氣濃度較高，會對配電設備造成腐蝕，因此配電房必須與廁所保持一定的距離。若必須緊靠洗手間，必須做好防水，防潮措施。配電房應單獨布置，不能設在地勢較低的地方。其次，對配電網的電氣設備、管線等進行了合理的選擇，并對管線的布線進行了合理的規(guī)劃。由于該項目屬于高層建筑，線路長度較長，因此為減少輸電過程中發(fā)生的損失，可以將供電、配電系統(tǒng)的主要設備配置在中層。

2 高層建筑供配電系統(tǒng)概述及現(xiàn)狀

2.1 設計內容

目前，我國民用高層建筑的施工高度普遍偏高。一般來說，大樓的總樓層都會超過20 層，因為大樓的高度限制了大樓的安全，所以消防是高層建筑必須要考慮到的問題，所以高層住宅的設計和施工單位在設計的時候，都要考慮到建筑物的消防問題，最大限度地降低了建筑物的火災風險，確保了住宅的安全[1]。在建筑的電力系統(tǒng)中，一般都會采用UPS 供電，以增加電力平臺的電壓負載，以保證大樓的電力供應。為了減少安全風險，附加UPS 供電系統(tǒng)的設計方案，主要用于保障連續(xù)供電或在很短的停電時段內，能夠將其作用最大程度地發(fā)揮出來。

在我國的高層住宅工程中，確保其安全、可靠是其首要的原則，為了確保整個大樓的供電可靠性，為了提高電力系統(tǒng)的整體效能，在電力系統(tǒng)中，一般都會采用應急電源。根據有關的數據，如果大樓的供電線路發(fā)生故障，那么緊急的發(fā)電機就會在最短的時間內啟動，為大樓供電。由于其獨特的特性，在需要高停電時間的情況下，該系統(tǒng)具有很大的局限性，如果是因為電網內部的線路出現(xiàn)了故障，而不是因為電網外的電力供應出現(xiàn)了問題，那么這個時候，應急發(fā)電機系統(tǒng)就無法正常工作，整個大樓的火災系統(tǒng)都會處于停電狀態(tài)。

我國民用高層建筑在運行過程中，不可避免地存在著各類線路的安全隱患，因此，有關部門要盡量減少事故的發(fā)生，在供電、配電系統(tǒng)中，采用兩個供電電源的獨立供電方式。它的工作原理是通過開關把兩個電源分開，把它分為滅火和不滅火，當火災時，它會自動切斷非滅火電源，另外一臺滅火系統(tǒng)可以在同一時間內進行，以增加大樓的電力供應的可靠性和效率[2]。

2.2 用電設備多

目前，高層建筑的主要功能是居住和商業(yè)，所以需要更多的輔助設施，比如供暖、通風、給水泵、排污泵、消防泵等，這些都需要電力供應，所以在高層建筑中，需要的配電的設備種類和數量都很多，對電力的要求也各不相同，增加了電力系統(tǒng)的供電和配電系統(tǒng)的設計難度。

3 民用高層建筑供配電系統(tǒng)電氣設計基本原則

民用高層建筑由于其自身特點，其配電網的設計應遵循國家標準與規(guī)范，并遵循下列原則。

3.1 可靠性原則

在民用高層建筑中，由于其人數多、人口密集等原因，其影響范圍較廣。在供電、配電系統(tǒng)的設計中，應堅持安全、可靠的原則，在具體的規(guī)劃與設計中，應對電力系統(tǒng)的用電量進行科學的分析；確保電力供應的穩(wěn)定、可靠。

3.2 簡潔性原則

在高層建筑中，需要大量的電力設備來進行日常運行和維護。因此，在進行設計時應盡可能地簡化，把這些電器設備盡可能地少用。在電氣設備的設計上，為方便使用和操作，并能在運行中出現(xiàn)故障時及時進行處理。

3.3 保障安全性原則

由于民用高層建筑對電器和功能有很高的要求，在日常工作中常常要進行維護，因此，要保證其安全，保證其正常的運行和維護。

4 民用高層建筑供配電系統(tǒng)電氣設計基本思路

在點檢系統(tǒng)的設計中，應確保電力系統(tǒng)的安全運行，在保證其性能的前提下，為電力系統(tǒng)和線路的運行和維修提供安全、可靠的保證，以有效地預防和消除電力事故。

4.1 根據供電需要計算電力負荷

在實際應用中，由于電力負載事故的發(fā)生，造成了一定的經濟損失，并對社會造成了很大的負面影響。按照有關的電氣設計標準和其他有關規(guī)定，應考慮建筑的性質、規(guī)模和供電的實際狀況，以及電壓等級、供電回路數和自備電源的設定[3]。

當電力負載非常重要時，應充分考慮下列問題：一種電源系統(tǒng)因故障而不能提供電力，而另一種電源正在維修或發(fā)生故障時，要在其他地方安裝緊急電源，以防止突發(fā)事件。它的設定應充分考慮電網條件、負荷允許中斷的時間等因素，并以獨立的發(fā)電機進行連續(xù)供電。二次復合供電系統(tǒng)在發(fā)生變壓器、線路故障、無法切斷電源的情況下，必須立即進行修復。

4.2 綜合詳細考察來確定供電電壓

在民用高層建筑中，供電電壓直接影響供、配電網供電的穩(wěn)定性，供電電壓的高低取決于供電負荷、供電距離、供電線路環(huán)數。通常，由于高層建筑的供電能力不強，所以可以采取兩路電網供電、一路電網供電、應急機組供電。通常情況下，它的電源都是10kV 的電壓，然后導入大樓的開關室[4]。為了滿足消防設施的需要，應在低壓配電網中配置柴油發(fā)電機，當電網用電負荷有特別要求時，采用柴油機作為供電保證。

4.3 高壓配電網的科學設計

在民用高層建筑的供、配電系統(tǒng)中，包括高壓供、配電系統(tǒng)、低壓配電系統(tǒng)，在進行系統(tǒng)的設計時，應充分考慮技術、規(guī)范等方面的因素，同時滿足用戶的日常使用、管理和維修需要。

住宅區(qū)的高壓配電根據小區(qū)的總面積，選擇合適的配電站，保證供電的需要。在單個建筑面積大，用電負荷分散的條件下，可以使用多個變壓器進行分布。在民用高層建筑中，底層、頂層以及電力負載密集的中層等都要安裝變壓器。在某些建筑中，為了確保電力的可靠度和電力負荷的要求，可以采用雙電源供電模式。

4.4 根據實際需求進行低壓配電網的設計

低壓配電系統(tǒng)在民用高層建筑的日常生活中起到了很大的作用，它還起到了變壓器的運行、維修以及緊急情況下電力供應的作用。所以，在低壓配電系統(tǒng)設計中，必須保證其負載下的實際用電需求，即使出現(xiàn)了故障，也能繼續(xù)提供電力。在緊急情況下，為了防止發(fā)生安全事故，必須及時處理故障，并設置緊急供電[5]。通常在民用高層建筑中，都會選用柴油發(fā)電機，即使停電也能迅速啟動，負載平穩(wěn)，及時恢復供電。

5 供配電系統(tǒng)設計

5.1 電源選擇和設計

一種是電力系統(tǒng)在大修期間的后備電源，可以確保整個大樓的電力供應，并且不能在同一時間斷電。本工程因建筑面積大，電力設施多，因此在設備維修時，必須考慮到緊急情況下的供電。在條件許可的情況下，可以采用柴油機作為應急電源，以確保電力系統(tǒng)的安全性和連續(xù)性。

5.2 確定該小區(qū)負荷計算與變壓器容量

變壓器是配電系統(tǒng)設計中的一個關鍵環(huán)節(jié)。在變壓器選型中，技術參數的選取直接影響到整個配電系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠。在選用技術參數時，必須與工程實際相結合。一般來講，變壓器有兩類，一種是干式，一種是密封油浸式。首先，在選用變壓器的額定電壓時，要注意在技術指標上，高電壓和外部輸入的電壓是一致的。居民小區(qū)的供電設計要達到國家有關規(guī)范的要求，并在此基礎上完善電力計算表和負載等級。在變壓器容量的選取中，特變容量不僅要考慮負載的種類，而且要使其具有較好的系數。經測算，并按照有關住宅建筑用電的有關規(guī)定，本工程采用800kVA 的變壓器。

5.3 高低壓一次系統(tǒng)圖設計

在低壓一次系統(tǒng)的設計中，配線的設計是供電、配電設計中的一個重要環(huán)節(jié)。

該項目10kV 高壓配電系統(tǒng)主接線采用單母線分段接線，兩段10kV 母線之間設置聯(lián)絡。各公用、專用變配電所10kV 電源均從開閉所引來。在正常運行時，僅有一條入線供電，并配有環(huán)網開關和兩臺變壓器分斷柜。本項目采用干式變壓器，接線組別為D，Yn11，10kV/0.4kV，帶強制風冷系統(tǒng)及溫控顯示裝置，保護等級IP20。按技術要求設定下列參數：高溫預警，重瓦斯動作跳閘，超溫動作跳閘。10kV/0.4kV 變電所低壓側為兩臺變壓器單母線分段運行，采用單母線分段接入設定框架斷路器，在主進線開關之間設置母線聯(lián)絡開關，并將母線斷開。母線聯(lián)絡開關設自投自復/自投手復/手動轉換3 種狀態(tài)的位置選擇開關，在自投運過程中要有一定的延遲，為了確保變壓器的正常運行，必須在不保護負載的情況下，自動關斷。低壓主、備進線和聯(lián)絡開關之間有電聯(lián)鎖，在任意條件下，僅有兩個開關可以關閉。低壓主進斷路器設有過負載長延時、短路、短延時和單相接地保護，其他低壓斷路器按要求設置過載長延時、短路、短延時跳閘，局部回路設置分勵或失壓保護，當自動互投時，可以卸載一定的負載；既能有效地保護變壓器的超載，又能在發(fā)生火災時，切斷與火災有關的非滅火裝置的供電。為了便于管理，提高供電可靠性，變配電室設置智能化監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控范圍：10kV 計算機綜合保護系統(tǒng)，低壓側各主斷路器、母聯(lián)斷路器及各出線斷路器的電氣參數、直流屏監(jiān)視狀態(tài)、變壓器運行狀態(tài)監(jiān)測等。監(jiān)控系統(tǒng)通過監(jiān)控模塊及多功能儀表等采用現(xiàn)場總線技術對變配電室各種運行參數（電壓、電流、功率、頻率、開關狀態(tài)）進行監(jiān)視。

根據絕緣介質的不同，開關柜有3 種類型：真空開關柜、空氣絕緣負荷開關柜、SF6 負荷開關柜。通過3 種不同類型的開關柜技術參數的比較，得出六氟化硫箱結構簡單，占地面積小，使用壽命長，成本低，分散性強，真空斷路器的保護功能比較豐富，如過流保護、速度保護、零序保護等。從這一點可以看出，這兩類開關柜在電力系統(tǒng)中的應用非常廣泛。按項目要求，選用SF6 負荷柜和真空斷路器柜為輸入和輸出。

在此項目中，采用母線開關將兩個獨立的電源分開，并提供兩條供電線路，當正常的電力供應時，主供電源進線總柜閉合，分段斷路器柜斷開，備供電源進線總柜斷開；當需要維修或發(fā)生故障時，分段斷路器柜斷開，備供電源進線總柜閉合，這時，由2#變壓器獨立提供電源。主供電源進線總柜、備供電源進線總柜之間加裝可靠的電氣及機械閉鎖裝置。

在本項目的供電、配電系統(tǒng)中未設置1 臺50kW 的柴油發(fā)電機組，以備應急，主要負載出現(xiàn)故障，本緊急電源能在不間斷的情況下自動開機。通常，主要負載為緊急照明、消防用電。當城市電力供應出現(xiàn)問題時，緊急發(fā)電機會由主電源開關發(fā)出的信號，從開始到持續(xù)工作的時間不得超過30s，以保證持續(xù)可靠的功能。

5.4 供配電系統(tǒng)設計分析

配電間的設計：高壓、低壓兩條線路共用配電間，按工程要求和有關技術要求進行設計，采用單母線連接兩種供電方式。門控開關：在儀表柜內或儀表箱內安裝門控開關，通過RS-485 信號線路連接到負載管理終端。在低壓開關和測量箱之間、靠近低壓開關的那一側保留跳閘控制線，并根據遙控拉閘的要求，判定該測量設備的控制線是否與負載管理終端相連接。電力分配系統(tǒng)的設計。在配電網的設計中，電纜的選取是一個非常重要的問題。10kV 線路宜選用YJV-10kV 高壓電纜，電纜鋪設時應沿室外電纜溝鋪設，并嚴格按照有關規(guī)定進行。高壓柜和變壓器的連接線也宜選用高壓電纜，而在低壓配電箱和變壓器間，可以采用總線橋或低壓電纜，根據客戶的要求來確定。在該工程的輔助電源方面，如燈箱、通風負載電源盒等，與低壓配電柜采用輻射和主干線相結合的方式。在設計時必須對低電壓線路的負荷進行控制。從安全性和可靠性的角度來看，電纜選用的是阻燃聚氯乙烯電纜，沿電纜溝敷設或架設橋架敷設。

6 結語

綜上，高層建筑的配電系統(tǒng)進行設計時，要注意結合項目特點，計算項目負荷，將配電室設置在合理的位置，選擇合適的電源，確定變壓器容量等。總之，高層建筑的配電系統(tǒng)設計一定要結合項目實情，確保建筑供電正常。