超高層建筑變配電設(shè)計要點探討

蕭偉航

（中山市晟峰電力設(shè)計有限公司，廣東 中山 528400）

變配電系統(tǒng)設(shè)計的科學(xué)性、合理性直接關(guān)系到超高層建筑電氣設(shè)備的具體使用情況，變配電系統(tǒng)在正常運行過程中經(jīng)常需要承擔(dān)較大的電氣使用量，為保證超高層建筑內(nèi)部多種電氣設(shè)備的使用安全，必須做好對相關(guān)電氣設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用，確保變配電系統(tǒng)能夠滿足絕大多數(shù)情況下超高層建筑電氣設(shè)備的電力資源需求。我國建筑工程項目的建設(shè)方法從最初的學(xué)習(xí)模仿逐步過渡到了當(dāng)前自主創(chuàng)新、引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展的新階段，在超高層建筑相關(guān)設(shè)計上想要保證實際效果，就必須嚴(yán)格按照我國現(xiàn)行規(guī)范要求、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及項目業(yè)主對超高層建筑的具體要求開展超高層建筑綜合設(shè)計。在整個設(shè)計過程中，設(shè)計人員要高度重視電氣設(shè)計環(huán)節(jié)，進(jìn)而實現(xiàn)對設(shè)計方案合理性的有效保障，并為其他地區(qū)未來超高層建筑工程電氣設(shè)計提供一定的參考。

1 超高層建筑設(shè)置高區(qū)變電站基本條件的分析

超高層建筑與常規(guī)建筑不同，為保證超高層建筑的使用安全，應(yīng)當(dāng)做好對電氣系統(tǒng)的設(shè)計，考慮到超高層建筑的特殊性，在對超高層建筑設(shè)置高區(qū)變電站的過程中，尤其需要做好對變電站位置的思考，明確供電電纜對變電站位置的關(guān)鍵性影響。具體而言，其影響主要體現(xiàn)在供電距離、供電容量兩方面內(nèi)容上。為做好對供電電纜的降壓問題的合理化處理，需要通過解決干線降壓的方式入手，可以分別采用以下兩種方法做好干線降壓工作的貫徹落實[1]。

第一，將變壓器和低壓配電柜都設(shè)置在地下室或建筑物底層。該方式主要考慮電纜線路的線徑對供電距離的影響，但在該方式下供電距離始終是有極限的。雖然能夠通過增加電纜線路線徑的方式來提升供電距離，但是隨著電纜線路線徑的增加，供電距離在達(dá)到180m 后幾乎不會再繼續(xù)增長，并且180m 是供電距離的極限，在180m 位置幾乎無法保障電力資源供應(yīng)穩(wěn)定，一般采用這種方式的建筑不能超過150m，因此超高層建筑很難通過這種方法來解決此類問題[2]。

第二，將變壓器設(shè)置在地下室或建筑物底層，將低壓配電柜設(shè)置在建筑物的高層。在這種方法中，主要需要考慮變壓器的容量，在變壓器容量大于1250KVA時，雖然能夠通過加大以及封閉母線規(guī)格的方式做好對問題的處理，從而滿足超高層建筑物的電力資源供應(yīng)需求，但是會導(dǎo)致造價成本顯著提升，成本投入和后續(xù)的具體產(chǎn)出不匹配，很難保障單位在該項工作中的效益，在變壓器容量在1000KVA 時采用增加母線的方式則可以在合理控制成本投入的前提下，完成對該項問題的處理。面對超高層建筑高度超過150m、用電容量超過2×1250KVA 的情況，則應(yīng)在高區(qū)設(shè)置變電站，滿足高區(qū)電力資源需求。

2 超高層建筑高區(qū)變電站系統(tǒng)設(shè)計要點

在我國城市建設(shè)不斷推進(jìn)的過程中，超高層建筑的數(shù)量也在不斷增加，為了更好地滿足超高層建筑使用者的多方面需求，必須從建筑設(shè)計上提高重視，在設(shè)計環(huán)節(jié)把握超高層建筑使用者的合理需求。基于超高層建筑本身和相關(guān)使用人員的電力資源需求，在進(jìn)行超高層建筑高區(qū)變電站系統(tǒng)設(shè)計的過程中，需要從以下幾個方面考慮設(shè)計要點，實現(xiàn)對超高層建筑使用者多方面需求的全面覆蓋，從而提供更高質(zhì)量的電力資源供應(yīng)，確保超高層建筑變配電系統(tǒng)在實際使用過程中的安全性。

2.1 設(shè)計依據(jù)

超高層建筑變配電設(shè)計主要遵循《施工現(xiàn)場臨時用電安全技術(shù)規(guī)范》（JGJ46-2005）、《建筑安全檢查標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ59-99）、《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》（GB50052-95）、《低壓配電設(shè)計規(guī)范》（GB50054-95）等電氣設(shè)計相關(guān)文件要求，以及超高層建筑綜合設(shè)計方案、施工現(xiàn)場具體情況和相關(guān)單位明確的機(jī)械設(shè)備計劃[3]。

在上述內(nèi)容的指導(dǎo)下開展超高建筑變配電系統(tǒng)的設(shè)計工作，確保電氣設(shè)計方案能夠完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求和項目情況，避免因為設(shè)計不合理影響到超高層建筑的電力資源供應(yīng)。

2.2 負(fù)荷等級

在目前我國常規(guī)超高層建筑中，電氣設(shè)計主要需要考慮的負(fù)荷等級可劃分為三級，分別針對超高層建筑應(yīng)急安全保障需求、超高層建筑常規(guī)運行需求、超高層建筑用戶電力需求。一級負(fù)荷，應(yīng)急安全保障需求主要包括消防系統(tǒng)、安防監(jiān)控系統(tǒng)、應(yīng)急疏散系統(tǒng)、通訊機(jī)房等關(guān)鍵系統(tǒng)、位置的電力需求。二級負(fù)荷，常規(guī)運行需求主要包括建筑電梯、污水處理系統(tǒng)、生活泵房等與超高層建筑用戶生活存在密切聯(lián)系的系統(tǒng)、設(shè)備電力需求。三級負(fù)荷，用戶電力需求主要包括用戶在正常生活、工作中在超高層建筑內(nèi)部所使用的電力設(shè)備、照明系統(tǒng)等方面的電力需求[4]。

2.3 供電電源

超高層建筑多為酒店、住宅、辦公樓，考慮到用戶數(shù)量和電力資源供應(yīng)的穩(wěn)定性，一般采用兩路10kV電源進(jìn)行供電。此外，考慮到突發(fā)狀況下可能出現(xiàn)的斷電情況，為確保超高層建筑用戶的生命財產(chǎn)安全，還需要設(shè)置一臺1000kW 應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組，設(shè)置自動切換開關(guān)加機(jī)械與電器聯(lián)鎖來對電力進(jìn)行控制，確保始終能夠保障一二級負(fù)荷供電需求能夠得到滿足。

2.4 超高層建筑中壓配電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

超高層建筑基本具有高度極高、建筑群密集的特點，想要通過常規(guī)建筑中使用的單座低壓配電系統(tǒng)來應(yīng)對超高層建筑群的用電需求并不現(xiàn)實，反而還會帶來較大的使用風(fēng)險，甚至出現(xiàn)超高層建筑因為電氣設(shè)計不合理導(dǎo)致使用安全難以得到有效保障的情況。從當(dāng)前已經(jīng)建設(shè)完成并且正式投入使用的超高層建筑來看，超高層建筑往往需要多座變電站組成變電站群，借此才能確保超高層建筑群在正常使用過程中的各項電氣設(shè)備、系統(tǒng)的運行都能得到有效保障，將電力資源供應(yīng)的穩(wěn)定性提升到新的高度。為了更好地保障超高層建筑群的用電安全，應(yīng)做好對中壓配電系統(tǒng)的設(shè)置，借此滿足超高層建筑群的電力資源需求。在超高層建筑中用于滿足高區(qū)電力資源供應(yīng)需求的高區(qū)變電站便是中壓配電系統(tǒng)中的重要組成部分，也可以說高區(qū)變電站是中壓配電系統(tǒng)的分站。

目前，在超高層建筑中較為常用的中壓配電系統(tǒng)主要包括兩種，主－分變電站結(jié)構(gòu)和二級配電結(jié)構(gòu)，不同結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)具有不同的競爭優(yōu)勢和應(yīng)用場景，在實際使用過程中需要依據(jù)超高層建筑的具體電力資源需求情況以及超高層建筑本身的特點、情況進(jìn)行思考。主-分變電站結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單，主要劣勢在于造價成本過高。二級配電結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點在于成本開支可控，主要劣勢在于繼電保護(hù)問題顯著。綜合當(dāng)前我國超高層建筑對上述兩種結(jié)構(gòu)的具體使用情況來看，主-分變電站結(jié)構(gòu)主要用于安全性要求嚴(yán)格、施工標(biāo)準(zhǔn)較高的建筑項目中，并且在多個項目中都得到了重視和使用，使用頻率高。二級配電結(jié)構(gòu)主要使用在要求較低的建筑項目中，由于繼電保護(hù)問題顯著，大量施工單位、建設(shè)單位出于對安全性的考慮，并不愿意選擇二級配電機(jī)構(gòu)，因此應(yīng)用場景相對較少[5]。

2.5 超高層建筑中高區(qū)變電站

在上文提到，高區(qū)變電站是中壓配電系統(tǒng)的分站，考慮到超高層建筑的電力資源需求，在對超高層建筑的高區(qū)變電站進(jìn)行設(shè)計、建造的過程中，需要盡量做好對超高層建筑高區(qū)位置電力資源需求情況的明確，通過兩臺變壓器來構(gòu)造0.4KV 級的低壓配電系統(tǒng)。兩臺變壓器本身便能夠讓超高層建筑物高區(qū)的電力資源供應(yīng)變得更加穩(wěn)定。一般情況下，兩臺變壓器可以同時進(jìn)行運轉(zhuǎn)，提供充足的電力資源，一旦有一臺變壓器出現(xiàn)問題，難以正常運轉(zhuǎn)時，另一臺變壓器也能正常運作，避免超高層建筑物高區(qū)位置的電力供應(yīng)出現(xiàn)穩(wěn)定性不足的情況。在電力維修人員處理好變壓器后，還需要對另一臺變壓器進(jìn)行檢查，借此讓兩臺變壓器能夠互為備用，確保高區(qū)變電站能夠始終發(fā)揮出自身的價值，為超高建筑物提供穩(wěn)定的電力資源供應(yīng)[6]。

3 超高層建筑高區(qū)分變電站位置選擇相關(guān)要素

3.1 供電范圍

超高層建筑高區(qū)分變電站的供電范圍基本在50m、100m。因此，在對超高層建筑高區(qū)分變電站位置的選擇上，需要針對供電范圍進(jìn)行思考，如果超高層建筑的供電區(qū)域與高區(qū)變電站之間的距離超過了高區(qū)分變電站上述標(biāo)準(zhǔn)，則需要增設(shè)高區(qū)分變電站，從實際的超高層建筑物高度來進(jìn)行思考，避免出現(xiàn)設(shè)計不合理，導(dǎo)致部分位置的電力供應(yīng)出現(xiàn)明顯的波動情況，通過多個高區(qū)分變電站來完善超高層建筑的電氣設(shè)計方案。

3.2 超高層建筑特殊結(jié)構(gòu)

超高層建筑自出現(xiàn)以來，為保證其建筑使用安全性，其與常規(guī)建筑存在較大的差異，在超高層建筑中存在多種特殊結(jié)構(gòu)、位置。避難層便是目前超高層建筑中具有一定代表性的建筑特殊結(jié)構(gòu)，通常情況下，超高層建筑中每隔15 層便會設(shè)置一個避難層，用于應(yīng)對特殊情況，超高層建筑的避難層間距離與高區(qū)變電站的供電距離有較高的契合度。在對超高層建筑考慮設(shè)置高區(qū)變電站時，可以將避難層作為重要選擇之一，從而在滿足高區(qū)超高層建筑用戶電力資源需求的同時，也能降低高區(qū)變電站對超高層建筑正常功能發(fā)揮、外觀美觀性的影響。此外，在設(shè)置高區(qū)分變電站的過程中需要考慮到高區(qū)分變電站可以做好對上下位置的有效覆蓋，供電區(qū)域較大，確保高區(qū)分變電站的應(yīng)用價值能夠得到充分發(fā)揮，詳細(xì)計算高區(qū)分變電站的上下位置覆蓋范圍，明確需要在超高層建筑物中設(shè)置的高區(qū)分變電站數(shù)量，才能做好對整個超高層建筑物的有效覆蓋，提供全面、穩(wěn)定的電力資源供應(yīng)[7]。

4 高區(qū)分變電站的其他設(shè)計要點

在超高層建筑的高區(qū)分變電站設(shè)計上，還需要認(rèn)識到機(jī)電設(shè)備機(jī)房在實際運行過程中對周邊位置造成的具體影響，以及超高層建筑中高層位置多種機(jī)電設(shè)備如何進(jìn)行運輸和安裝。

在機(jī)電設(shè)備機(jī)房方面，機(jī)電設(shè)備機(jī)房需要長期運行，并且在實際運行過程中會產(chǎn)生噪聲和震動，如果未能設(shè)置有效的防護(hù)措施，將會導(dǎo)致多個樓層都會感受到明顯的振動和噪聲。因此，針對需要設(shè)置機(jī)電設(shè)備機(jī)房的樓層和具體位置，必須重點考慮地板、樓板的減震能力，在原有建設(shè)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上使用減震材料，從而做好對震動情況的控制。另外，在噪聲問題的處理上，需要對墻體、地板、樓板使用隔音材料，并借助高隔聲系統(tǒng)將噪聲限制在機(jī)電設(shè)備機(jī)房中。在設(shè)備的運輸和安裝上，現(xiàn)在有三種方式可供選擇，需要按照機(jī)電設(shè)備的重量、規(guī)模，采用不同的運輸方式。第一種，貨梯運輸，但必須保證噸位在貨梯承載力范圍內(nèi)，并且體積能夠放入貨梯中。該吊裝方式的限制條件較大，主要使用在噸位較輕的機(jī)電設(shè)備吊裝上，一般需要保證機(jī)電設(shè)備的噸位在4.5 噸范圍內(nèi)，且能夠裝載到貨梯內(nèi)部，保證貨梯可以正常關(guān)閉，才能進(jìn)行使用。第二種，井道上樓，雖然能對絕大多數(shù)重量機(jī)電設(shè)備進(jìn)行運輸，但容易對井道造成損壞。該吊裝方式主要依賴于電動葫蘆，在實際使用過程中有往往伴隨著較大的安全風(fēng)險，因此在機(jī)電設(shè)備運輸過程中很少使用到該吊裝方式。第三種，室外特殊設(shè)備吊裝，應(yīng)用較為普遍，但是僅能在形態(tài)、結(jié)構(gòu)為上下垂直的超高層建筑中進(jìn)行使用[8]。如果建筑呈上小下臺的形態(tài)結(jié)構(gòu)，使用室外特殊設(shè)備吊裝的難度、危險性都會大幅提升，很容易對超高層建筑中的低區(qū)位置造成損害，或因為碰撞導(dǎo)致機(jī)電設(shè)備的質(zhì)量、結(jié)構(gòu)受到影響。因此，在機(jī)電設(shè)備的吊裝方式選擇上，必須保持謹(jǐn)慎，做好對超高層建筑相關(guān)信息的全面調(diào)查。

5 結(jié)語

綜上所述，在對超高層建筑進(jìn)行綜合設(shè)計的過程中，需要始終明確當(dāng)前超高層建筑內(nèi)部電氣設(shè)備數(shù)量較多，并且設(shè)備類型還在不斷擴(kuò)張，對電力資源供應(yīng)的需要會更高，必須高度重視電氣設(shè)計的合理性，嚴(yán)格考慮對超高層建筑中所使用的多種電氣設(shè)備產(chǎn)生影響的各方面因素，在國家超高層建筑相關(guān)電氣設(shè)計規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的指導(dǎo)下開展電氣設(shè)計。尤其需要重視電氣設(shè)計方案的可行性、安全性，在超高層建筑內(nèi)部做好對變配電系統(tǒng)的建設(shè)，確保在超高層建筑用戶正常建筑使用行為中能夠始終有效地保障電力資源供應(yīng)，減少出現(xiàn)電力相關(guān)風(fēng)險的概率。