超高層住宅小區(qū)供配電系統(tǒng)設(shè)計

劉宗長

(深圳藝洲建筑工程設(shè)計有限公司，廣東深圳 518055)

0 引言

超高層住宅與一般高層住宅相比，開發(fā)成本普遍要高20%以上，后期運營成本也相對較高。不少設(shè)計師進行項目設(shè)計時，更多的是從技術(shù)角度考慮問題，存在越保守就越安全、越可靠的心理，而忽略了經(jīng)濟性和實用性，如設(shè)計系數(shù)取值過高，造成設(shè)備選型偏大;柴油發(fā)電機需保障的負荷不清晰，導(dǎo)致容量選擇過大。這就造成投資浪費，有違電氣規(guī)范所要求的經(jīng)濟、合理的原則。

本文對超高層住宅小區(qū)的供配電系統(tǒng)設(shè)計進行分析，提出合理的設(shè)計方案，并優(yōu)化設(shè)備選型。

1 負荷分級及供電電源

1.1 負荷分級

GB 50016—2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》第5.1.1條規(guī)定:建筑高度大于54 m的住宅建筑為一類高層民用建筑。JGJ 242—2011《住宅建筑電氣設(shè)計規(guī)范》第3.2.1條規(guī)定:所有消防用電設(shè)備(消防監(jiān)控中心、消防泵、防排煙風(fēng)機、消防電梯井排污泵等)及應(yīng)急照明、航空障礙照明、走道照明、生活泵、排污泵、客梯等重要負荷均為一級負荷，其他電力負荷及一般照明等為三級負荷。

1.2 供電電源

GB 50052—2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》第3.0.2條規(guī)定:一級負荷應(yīng)由雙重電源供電，當(dāng)一電源發(fā)生故障時，另一電源不應(yīng)同時受到損壞。若能從兩個不同的區(qū)域電站分別引來一路10 kV電源，可視為雙重電源，理論上能滿足一級負荷的供電要求。實際上，地區(qū)大電力網(wǎng)在主網(wǎng)電壓上部還是并網(wǎng)的，很難得到兩個真正獨立的電源。建議一、二級負荷較多的工程，特別是超高層建筑，應(yīng)設(shè)備用電源，確保消防用電負荷、應(yīng)急照明、生活泵等重要負荷供電可靠。一般選擇柴油發(fā)電機組作為備用電源，設(shè)置自動、手動起動裝置，在自動起動方式下應(yīng)能保證在30 s內(nèi)供電。

2 10/0.4 kV變配電系統(tǒng)

2.1 變電所選址及變壓器選擇

GB 50053—2013《20 kV及以下變電所設(shè)計規(guī)范》第2.0.1條規(guī)定:變電所盡量接近負荷中心。超高層住宅小區(qū)每棟塔樓的用電設(shè)備總?cè)萘恳话愣荚?50 kW以上，建筑高度都超過100 m，每棟塔樓下面設(shè)一戶內(nèi)變配電所，處于負荷中心，供電距離短，以便節(jié)約有色金屬用量，降低線路損耗。超高層住宅小區(qū)一般都有地下室，變配電所可設(shè)置在-1F塔樓區(qū)域，當(dāng)只有-1F時，應(yīng)抬高變配電所地面100～300 mm，防止洪水、消防水或積水淹漬配變電所。商住樓住宅底商一般都有衛(wèi)生間，應(yīng)注意避開。

若每棟塔樓變配電房僅需一臺變壓器，且該變壓器容量在1 000 kVA及以上時，建議拆分為兩臺容量的較小變壓器供電。目前，很多住宅小區(qū)變壓器運行負荷率都很低，有的即使在用電高峰期，變壓器的負荷率也不超過50%。住宅用電負荷變化比較大，變壓器長期輕載運行，損耗較高。一個新建住宅小區(qū)從竣工到全部業(yè)主入住，少則需3 a，多則5 a甚至更久，這個過程中變壓器都處于輕載運行，很不經(jīng)濟。若拆分為兩臺變壓器，可根據(jù)負荷情況進行靈活投切。變壓器輕載時，可停開一臺變壓器，由另一臺變壓器供電，減少變壓器的空載損耗，且方便變壓器定期檢修。

超高層住宅小區(qū)往往容積率都比較高，若塔樓間距不是很遠，可以考慮兩個相鄰塔樓共用一個變配電所，以減少投資，變壓器之間兩兩相互聯(lián)絡(luò)，投切靈活。變配電所須盡量設(shè)在兩個塔樓中間區(qū)域，確保從變配電所至塔樓頂層配電干線供電距離不超250 m，且每個塔樓計算容量不超500 kW，否則需增設(shè)變配電所。需注意，變配電所設(shè)于地下室兩塔樓之間，上面無建筑物時，該處可能有降板，上面有覆土，需考慮層高是否滿足要求，且變電所不應(yīng)跨越建筑的沉降縫和伸縮縫。

住宅建筑內(nèi)應(yīng)選擇干式、氣體絕緣或非可燃性液體絕緣的變壓器，單臺變壓器容量不宜大于1 600 kVA。

2.2 負荷計算

民用建筑施工圖設(shè)計階段，負荷計算一般采用需要系數(shù)法，其計算結(jié)果是選擇配電變壓器、導(dǎo)體及電器的依據(jù)。負荷計算方式不合理，需要系數(shù)選擇不當(dāng)，將對電氣設(shè)備選擇產(chǎn)生直接影響。

2.2.1 住宅配電負荷計算

住宅配電變壓器選擇偏大的問題很普遍，其主要問題是負荷需要系數(shù)選取過高。JGJ 242—2011《住宅建筑電氣設(shè)計規(guī)范》表1所列需要系數(shù)是一個范圍，上限值與下限值差值從0.04到0.25不等，系數(shù)相差0.05，所選變壓器的容量、開關(guān)及導(dǎo)線規(guī)格就可能會相差一個等級以上。有的設(shè)計人員選上限值，導(dǎo)致各區(qū)域配電總箱進線開關(guān)、主干電纜截面、母線及變壓器容量都選擇很大，造成極大的投資浪費。

根據(jù)JGJ 242—2011第3.4.1條的條文解釋，表1中需要系數(shù)取值的上限值是以A套型(每戶用電量為3 kW)為基本戶型制定的。對于用電量大于3 kW的戶型，可以將其折算為基本戶型戶數(shù)，再統(tǒng)計其總戶數(shù)。如用電負荷為6 kW的用戶，可以按兩個基本戶型考慮，另外別墅也可以參照此原則。若總戶數(shù)接近基本戶數(shù)范圍值的上限值，則需要系數(shù)取下限值;若總戶數(shù)接近基本戶數(shù)范圍值的下限值，則需要系數(shù)取上限值，這樣需要系數(shù)的選取相對趨于合理。

配電設(shè)計時，單相負荷應(yīng)均衡地分配到三相上，當(dāng)無法使三相完全平衡時，宜取最大一相負荷的3倍作為等效三相負荷，作為計算配電線路中的電流和選配開關(guān)、導(dǎo)體等設(shè)備的依據(jù)。住宅變壓器容量的選擇不應(yīng)以各區(qū)域配電總箱經(jīng)過等效變換后的安裝功率相加作為依據(jù)，而應(yīng)以變壓器所帶各戶用電負荷的總功率作為依據(jù)。

住宅每戶用電負荷的確定需結(jié)合產(chǎn)品定位、當(dāng)?shù)貧夂?、采暖方式、?jīng)濟發(fā)展水平等因素綜合考慮，適當(dāng)增減，但不宜低于 JGJ 242—2011第3.3.1條的規(guī)定。南、北方差別較大的就是空調(diào)器的使用情況。東北、西北地區(qū)，冬天寒冷，但有集中供熱，采暖無需空調(diào);夏天最熱月平均氣溫也不超25℃，即使夏天使用空調(diào)，空調(diào)負載率也不高。華南地區(qū)，冬天無需采暖，夏天最熱月平均氣溫超過28℃，空調(diào)器可能要接近滿載運行。

2.2.2 柴油發(fā)電機負荷計算

JGJ 242—2011第3.2.3條規(guī)定:建筑高度為100 m或35層及以上住宅建筑，消防用電負荷、應(yīng)急照明、航空障礙照明、生活水泵宜設(shè)備用電源供電。一般選擇柴油發(fā)電機作為備用電源，當(dāng)柴油發(fā)電機作為火災(zāi)時消防負荷的應(yīng)急電源，同時又作為非火災(zāi)時非消防重要負荷的第二電源，應(yīng)取兩者計算負荷較大的作為確定發(fā)電機的容量。

(1)非消防情況下，需保障的負荷主要有消防兼平時用的應(yīng)急照明、排污泵、消防電梯及客梯、生活泵、安防系統(tǒng)、變配電房、消防控制室及弱電機房用電等。排風(fēng)兼排煙風(fēng)機平時和火災(zāi)時均有可能使用，平時市電停電后，可不考慮通風(fēng)，該部分負荷無需發(fā)電機保障。雖然該類負荷不可作為普通負荷切除其電源，但市電斷電至發(fā)電機起動過程中，風(fēng)機控制箱內(nèi)接觸器自動跳閘斷電，除非手動控制起動，市電停電后就沒有必要。若平時采用數(shù)字控制器自動控制，物管人員也可以通過自動化系統(tǒng)主機取消對風(fēng)機的自動控制。

(2)消防情況下，需保障的負荷主要有應(yīng)急照明、消防電梯、消防風(fēng)機、消防泵、消防梯集水坑及消防泵房排污泵、變配電房、消防控制室用電、安防系統(tǒng)、生活泵等。生活泵雖然屬于非消防設(shè)備，但火災(zāi)時高層建筑滅火以自救為主，未逃出火場的人員可用生活水源自救，故確保其供電還是有必要的。

(3)消防水系統(tǒng)、防排煙系統(tǒng)都是按照同一時間內(nèi)只考慮一次火災(zāi)的原則設(shè)置。消防情況下，發(fā)電機僅需考慮消防用水量最大且最大防煙分區(qū)的一處火情時的負荷供電。因此，并不需要考慮所有防火分區(qū)的消防風(fēng)機負荷，只需選擇容量最大的一個防火分區(qū)的消防風(fēng)機負荷。

(4)雖然消防時按一處火情考慮，對于含多棟塔樓的小區(qū)并不是應(yīng)急照明及消防電梯僅考慮一棟塔樓的用電，而忽略其他塔樓消防電梯和應(yīng)急照明負荷?；馂?zāi)時，非著火區(qū)的消防設(shè)備依然由柴油發(fā)電機供電，并未切除，同樣需考慮。保障高層住宅住戶基本的出行條件還是有必要的，但需要系數(shù)可以低些。目前，高層塔樓的應(yīng)急照明采用節(jié)能自熄開關(guān)控制，10層以上的住戶，非火災(zāi)情況幾乎不會考慮通過樓梯下樓。因此每個塔樓的應(yīng)急照明實際使用不到50%，多個塔樓的應(yīng)急照明需要系數(shù)就更低了。

(5)火災(zāi)時，市電停電，由發(fā)電機應(yīng)急供電，需考慮將客梯等非消防重要負荷切除，以減輕發(fā)電機負擔(dān)，滿足消防負荷的供電?？蓪l(fā)電機應(yīng)急母線分段，將消防時需保障的負荷與消防時非保障負荷分別接在不同的應(yīng)急母線上，火災(zāi)時通過聯(lián)絡(luò)總開關(guān)切除非保障負荷。選擇發(fā)電機時，將項目的所有消防負荷和其他重要負荷容量相加計算，或僅考慮一個防火分區(qū)滅火所需的用電，都是不妥的。

(6)發(fā)電機所要保障的負荷確定后，其容量應(yīng)按應(yīng)急負荷大小和起動大的電動機容量等因素綜合考慮確定。

按穩(wěn)定負荷計算發(fā)電機容量:

式中:SG——發(fā)電機視在功率;

PG——發(fā)電機額定功率;

PΣ——發(fā)電機總負荷計算功率;

ηΣ——負荷綜合效率，取0.82 ～0.88;

cosφ——發(fā)電機額定功率因數(shù)，取0.8。

按最大一臺電動機起動條件校驗發(fā)電機的容量:

式中:P1——最大一臺電動機額定功率;

P——在最大一臺電動機起動前，發(fā)電機已帶的負荷;

K——發(fā)電機組供電負荷中最大一臺電動機的最小起動倍數(shù)。

2.3 高低壓配電系統(tǒng)

2.3.1 高壓配電系統(tǒng)

住宅小區(qū)高壓供電一般采用10 kV供電系統(tǒng)，部分地區(qū)采用20 kV或35 kV供電系統(tǒng)，宜采用環(huán)網(wǎng)的供電方式，同時應(yīng)滿足當(dāng)?shù)毓╇姴块T的規(guī)定。高層住宅小區(qū)變壓器總裝機容量超8 000 kVA時，考慮從電力系統(tǒng)取專線供電，每路10 kV線路所帶負載不宜超12 000 kVA。高壓主接線的饋線宜采用放射式系統(tǒng)，高壓側(cè)宜采用單母線或單母線分段的接線方式，其配電級數(shù)不宜超過兩級。由低壓側(cè)為10 kV的總變電所或地區(qū)變電所配電至10 kV配電所，再從該配電所以10 kV配電給配電變壓器，則認為10 kV配電級數(shù)為兩級。配電級數(shù)過多，繼電保護整定時限的級數(shù)隨之增多，而電力系統(tǒng)容許繼電保護的時限級數(shù)對10 kV來說正常情況下也只限于兩級，如配電級數(shù)出現(xiàn)三級，則中間一級勢必與下一級或上一級之間無選擇性。

2.3.2 低壓配電系統(tǒng)

當(dāng)兩臺變壓器相互聯(lián)絡(luò)時，低壓為單母線分段運行，聯(lián)絡(luò)開關(guān)設(shè)自投自復(fù)/自投不自復(fù)/手動轉(zhuǎn)換開關(guān)。低壓側(cè)主斷路器與母聯(lián)斷路器應(yīng)設(shè)電氣聯(lián)鎖，任何情況下只能閉合其中的兩個開關(guān)。消防用電設(shè)備及應(yīng)急發(fā)電機組配電系統(tǒng)，宜設(shè)單獨母線段，發(fā)電機組與變電所正常電源間應(yīng)設(shè)有聯(lián)鎖，不得并網(wǎng)運行。

低壓配電系統(tǒng)的配電級數(shù)為三級，例如從低壓側(cè)380 V的變電所低壓配電屏至配電室分配電屏，由分配電屏至動力配電箱，由動力配電箱至終端用電設(shè)備，則認為380 V配電級數(shù)為三級，不應(yīng)理解為保護級數(shù)不超過三級。配電級數(shù)與保護級數(shù)不同，配電級數(shù)不是指保護開關(guān)的上下級個數(shù)，而是一個回路通過配電裝置分配為幾個回路的一次分配(稱作一級配電)。

采用放射式配電的回路，有的設(shè)計人員線路首、末端均采用斷路器，且首端斷路器還大一級。這其實是沒必要的，導(dǎo)致電纜截面大一級，造成投資浪費。該線路配電實際只是一級，而非上下級關(guān)系。低壓柜饋出線回路的斷路器一般只設(shè)過載長延時及短路速斷保護，而不設(shè)短路短延時保護，以確保與變壓器低壓側(cè)總斷路器、聯(lián)絡(luò)斷路器之間保護的選擇性。線路末端可以采用負荷開關(guān)或隔離開關(guān)，若考慮帶負荷操作，建議采用負荷開關(guān)。要求線路末端短路電流不應(yīng)小于斷路器瞬時過電流脫扣器整定電流的1.3倍，才能使斷路器可靠切斷接地故障電路。如配電變壓器容量為1 000 kVA，Uk%=6，某低壓配電回路選用斷路器整定電流為100 A，短路瞬時電流為1 000 A，采用YJV-4X35-1×16 mm2電纜，若供電距離為80 m，由標(biāo)準(zhǔn)圖集04DX101-1《建筑電氣常用數(shù)據(jù)》查得，其線路末端單相短路電流為1.34 kA，可滿足末端短路動作要求;若供電距離達90 m，其末端單相短路電流為1.19 kA，則不滿足要求，需增大電纜截面，或在線路末端采用斷路器保護，其整定電流可與線路首端斷路器整定電流同級。

對于單臺容量較大的負荷或重要負荷，采用放射式供電，如電梯、生活泵及消防泵等設(shè)備。消防負荷采用雙電源供電，其中消防控制室、消防水泵、消防電梯、防排煙風(fēng)機的雙電源在末端配電箱處自動切換。消防負荷的電源回路與普通負荷的電源回路供電嚴格分開，消防負荷配電回路按防火分區(qū)劃分，且超高層建筑配電干線和分支干線應(yīng)采用礦物絕緣電纜。

超高層住宅小區(qū)，塔樓照明供電負荷比較大，線纜投資成本較高。為減少有色金屬消耗量，一般采用分區(qū)樹干式配電方式。垂直供電干線，可采用密集絕緣母線槽、電纜T接方式或預(yù)制分支電纜的方式。

(1)密集絕緣母線槽傳輸電流大，安全性能好，結(jié)構(gòu)緊湊，但加工較復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，綜合造價很高，且抗震、抗位移方面能力較差。超高層建筑受到風(fēng)荷載時，建筑主體會存在偏移，建筑越高偏移量越大;可以采用母線槽分段供電，由變配電房低壓柜至塔樓電井母線槽始端箱采用電纜。將電纜連接銅母線槽配電，可以減小超高層建筑物在搖擺時對銅母線槽接駁組件位置的拉扯壓力，減少發(fā)生故障及維修的情況，也相對地增加了主干系統(tǒng)的壽命。這種形式在高層建筑中采用較多。

(2)電纜T接方式，安裝人員現(xiàn)場操作時需撥開電纜，斷開點多，可靠性差，且占用較大安裝空間，施工難度大，但綜合造價較低。小電流回路可以考慮電纜T接方式，對于供電負荷比較大的回路，電纜截面都比較粗，因此超高層建筑主要供電干線不推薦采用該方式。

(3)預(yù)分支電纜在車間內(nèi)用專用機械設(shè)備加工，主干電纜導(dǎo)體無接頭，免維護，可靠性高，施工方便，施工周期短;但施工需專門設(shè)備吊裝，一旦分支部位及分支電纜截面確定后，現(xiàn)場不能變更位置尺寸及電纜規(guī)格。住宅各樓層電氣負荷比較穩(wěn)定，建筑使用功能基本不會改變，且其具有優(yōu)良的抗震性、氣密性、供電可靠性，超高層住宅建筑中可以推廣使用預(yù)分支電纜，但要求設(shè)計及加工制造尺寸準(zhǔn)確，電纜截面選擇需留一定的裕量。

以上各種配電干線分支方式各有優(yōu)缺點，需根據(jù)各工程負荷情況、現(xiàn)場管井大小、施工難度、供電可靠性等因素綜合考慮。

3 結(jié)語

超高層住宅項目投資成本較高，進行項目設(shè)計時不僅要滿足規(guī)范要求，同時還需考慮方案的經(jīng)濟合理性，以免造成不必要的投資浪費和能源損耗。住宅配電系數(shù)的選取不可盲目取上限值，大戶型需折算為基本戶型后再確定，使需要系數(shù)趨于合理;確定發(fā)電機容量后再分析所帶負荷在消防與非消防情況下的運營情況，才能正確選擇;確定合理的供電方式，既可以滿足使用功能要求，又可以節(jié)省有色金屬消耗量，節(jié)約投資成本。

［1］ JGJ 16—2008 民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］ 住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部工程質(zhì)量安全監(jiān)管司.中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究院.全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施——電氣［M］.北京:中國計劃出版社，2009.

［3］ 04DX101-1 建筑電氣常用數(shù)據(jù)［G］.

［4］ GB 50054—2011 低壓配電設(shè)計規(guī)范［S］.

［5］ 中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計研究院.工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊［M］.3版.北京:中國電力出版社，2006.

［6］ JGJ 242—2011 住宅建筑電氣設(shè)計規(guī)范［S］.

［7］ GB 50052—2009 供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范［S］.

［8］ GB 50016—2014 建筑設(shè)計防火規(guī)范［S］.

［9］ GB 50053—2013 20 kV及以下變電所設(shè)計規(guī)范［S］.