超高層建筑供配電系統(tǒng)設(shè)計

孫 峰

［同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計研究院(集團(tuán))有限公司，上海 200092］

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和技術(shù)的不斷完善，超高層建筑在各大型及中型城市不斷涌現(xiàn)，并成為地標(biāo)建筑的典型。鑒于超高層建筑自身的功能多樣性、特殊性、復(fù)雜性，相應(yīng)的電氣系統(tǒng)具有供配電系統(tǒng)復(fù)雜、用電負(fù)荷較大、供電距離長等特點，對系統(tǒng)的可靠性、安全性都提出了較高要求。在各個超高層項目設(shè)計中，變電所的設(shè)置位置、柴油發(fā)電機的出口電壓、應(yīng)急電源系統(tǒng)形式均有差異。

1 工程概況

某高鐵站附近的超高層辦公樓，地上63層，地下4層，建筑高度為280 m，建筑面積為40萬m2。裙樓共7層，為商業(yè)及餐飲，塔樓標(biāo)準(zhǔn)層層高為4.2 m，設(shè)備層層高為5.6 m。

2 負(fù)荷等級及供電電源

該工程為一類超高層民用建筑，應(yīng)按一級負(fù)荷要求供電;大樓內(nèi)消防及重要用電設(shè)備按一級負(fù)荷供配電設(shè)計，其余動力、照明、空調(diào)按二、三級負(fù)荷供配電設(shè)計。一級負(fù)荷有消防泵、噴淋泵、消防輸轉(zhuǎn)泵、消防風(fēng)機、消防電梯、應(yīng)急照明、走道照明、航空障礙照明、弱電機房、生活泵、客梯、排污泵、生活水泵等。二級負(fù)荷有扶梯、地下車庫照明等。其余為三級負(fù)荷。其中，消防、弱電機房等一級負(fù)荷中有特殊要求的負(fù)荷為特別重要負(fù)荷，應(yīng)由柴油發(fā)電機提供應(yīng)急電源供電。

3 變電所設(shè)置方案比較

3.1 變電所設(shè)置方案

為滿足該工程供電要求，在-1F設(shè)置10 kV配電中心，用電的10 kV進(jìn)戶均在10 kV配電中心，10 kV進(jìn)戶經(jīng)過計量分配后至各個10 kV/0.4 kV變電所。從市政分別引來6路10 kV電源，兩兩一組，同時供電互為備用，要求滿足一級負(fù)荷的要求。當(dāng)一路電源損壞時，另一路電源不能同時損壞。1#(1A)、2#(1B)10 kV電源進(jìn)戶，供電于地上辦公變電所;2#(2A)、3#(2B)10 kV電源進(jìn)戶，供電于-1F冷凍機房高壓機組、專用變和低區(qū)辦公變電所;5#(3A)、6#(3B)10 kV電源進(jìn)戶，供電于商業(yè)地庫變電所。

超高層辦公部分，10F及以下部分由地下室變電所供電，地上部分共有四個設(shè)備層(分別為11F、25F、39F、53F)，標(biāo)準(zhǔn)層每層面積約為4 000 m2。綜合供電距離及負(fù)荷情況，由于供電距離較遠(yuǎn)，負(fù)荷較大，需要在設(shè)備層增設(shè)變配電房，而變電所設(shè)置于設(shè)備層對變壓器的運輸提出了較高的要求，將電梯的載重量及占用核心筒面積等經(jīng)濟(jì)性結(jié)合一起考慮，變壓器的容量以不超過1 250 kVA為宜。結(jié)合該項目的具體情況，進(jìn)行負(fù)荷估算后，做出如下三個方案。

(1)方案一:每個設(shè)備層設(shè)置變電所，該方案的配電系統(tǒng)單向供電，最大供電半徑為180 m。

(2)方案二:11F設(shè)置變電供電給11F～32F，在39F設(shè)置變配電房供電給32F～38F、40F～52F，53F設(shè)置變電所供電給53F及以上部分。該方案的配電系統(tǒng)須倒送電，最大供電半徑為230 m。

(3)方案三:25F設(shè)置變電供電給11F～38F，在53F設(shè)置變配電房供電給40F～屋頂層。該方案的配電系統(tǒng)須倒送電，最大供電半徑為190 m。

考慮系統(tǒng)的靈活性，以上三種方案均在相應(yīng)的變電所做一級配電并設(shè)置聯(lián)絡(luò)，進(jìn)行分配后放射式配電至各臺變壓器。

方案一、方案二、方案三分別如圖1、圖2、圖3所示。

圖1 方案一

3.1 變電所設(shè)置方案對比

3.1.1 電壓降比較

辦公區(qū)配電所主要干線回路的電壓壓降損失較大。因此，選取配電干線最遠(yuǎn)的幾個主要回路進(jìn)行電壓壓降的分析比較。其中，線纜選型及電壓壓降損失基于如下考慮:

圖2 方案二

圖3 方案三

(1)線纜的額定載流量參考《建筑電氣常用數(shù)據(jù)》，環(huán)境溫度按40℃，降低系數(shù)綜合0.7進(jìn)行校驗及選型。

(2)線纜壓降計算范圍為配電屏至回路最遠(yuǎn)端的樓層配電箱。

(3)變壓器二次繞組輸出端至配電屏饋線端的壓降損失忽略不計。

(4)電纜壓降計算僅考慮該回路用電高峰的壓降損耗。

(5)樹干式配電回路電壓降計算式為

式中:Δu%——線路電壓損失百分?jǐn)?shù);

Δua%——三相線路每1 A·km的電壓損失百分?jǐn)?shù);

Ii——每一段的負(fù)荷計算電流;

li——每一段的線路長度。

方案一，每個區(qū)段的照明和空調(diào)干線類似，選取具有代表性的干線計算;方案二與方案一的區(qū)別在于26F～31F的干線負(fù)荷壓降比方案一的大。方案三與方案一接近，但是由于26F～38F及40F～52F為倒送電，24F及52F為避難層，負(fù)荷較小，因此方案三相比方案一的主干線供電距離略長，26F～38F及40F～52F供電干線多出2層的高度，11F、39F設(shè)備層的干線負(fù)荷壓降比方案一的大。

方案典型的回路比較如表1所示。

表1 方案典型的回路比較

由表1可以看出，方案二的低壓供電半徑最大，電壓降也較大，但在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

3.1.2 電能損耗比較

配電系統(tǒng)的電能損耗主要由高壓電纜電能損耗、變壓器損耗、低壓電纜電能損耗三部分組成。

各方案變壓器數(shù)量相同，變壓器損耗不再比較。由于10 kV側(cè)電流較小，且電纜數(shù)量較少，因此高壓電能損耗相比較于低壓電能損耗只占極小一部分，不再比較。

三種方案中，方案一的低壓供電最小，因此低壓損耗也最小。方案二的26F～31F低壓供電半徑超出方案一及方案三的較多，而方案三的變電所設(shè)置較集中，11F及39F的用電設(shè)備低壓損耗高于方案二及方案一。

由于確定變電所位置在方案階段，因此電能損耗為根據(jù)項目情況預(yù)估干線后進(jìn)行的計算(按照用電高峰時段考慮)。以方案一為基準(zhǔn)，方案二總電能耗損為23 kW，方案三總電能損耗為18 kW。

3.1.3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

超高層變電所的設(shè)計除了考慮安全可靠之外，還需考慮運營投資的經(jīng)濟(jì)性，因此尚需進(jìn)行投資、電能損耗、占用面積等方面進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。以方案一為基準(zhǔn)，考慮電纜及設(shè)備使用壽命，電能損耗電費按照30 a計算，方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較如表2所示。

表2 方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

3.1.4 運營管理及可靠性

方案二、方案三相比方案一，變電所相對集中，便于維護(hù)管理。其中方案三變電所最為集中，維護(hù)管理也最方便，但一旦高壓側(cè)出現(xiàn)故障，影響的面積也最大。

3.1.5 綜合比較

從分析可以看出，方案二的初次投資較小，運營管理較為方便，但從長期考慮經(jīng)濟(jì)性欠佳，且豎向管井面積較大，設(shè)備層橋架較多，不利于核心筒的布置及凈高控制;方案三初次投資最小，考慮長期運營成本后與方案一相近，但事故影響面積較大，設(shè)備層橋架很多，對凈高控制極為不利，且影響其他專業(yè)的機房設(shè)置。綜上，方案一最為合理。

4 應(yīng)急柴油發(fā)電機組的設(shè)置

為保證一級負(fù)荷中特別重要負(fù)荷供電的可靠性，需要設(shè)置應(yīng)急柴油發(fā)電機組，作為兩路市電的的第三電源。

4.1 應(yīng)急柴油發(fā)電機出口電壓的選擇

JGJ 16—2008《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》第3.4.5 條規(guī)定，為保證動力照明設(shè)備的正常運行，電壓偏差需要控制在±5.0%以內(nèi)(遠(yuǎn)離變電所的小面積的一般工作場所的照明可為10%，電梯電動機宜為±7.0%以內(nèi))，對于一般性的民用建筑較易實現(xiàn)。對于超高層，供電距離超長，0.4 kV柴油發(fā)電機是否可行?

該工程中大樓高度為280 m，而發(fā)電機房又無法設(shè)置在離辦公樓最近的地方，因此供電線路的電壓降較大。11F以上柴油發(fā)電機應(yīng)急干線電壓降計算如表3所示。從變電所配出的各干線電纜在80%額定電流時線路上電壓降如表4所示，二者相加即是供電末端的考慮。

表3 11F以上柴油發(fā)電機應(yīng)急干線電壓降計算

表4 各干線電纜存在80%額定電流線路上電壓降

根據(jù)計算數(shù)據(jù)，僅11F柴油發(fā)電機配出的應(yīng)急母線的末端電壓380 V左右，與0.4 kV變壓器出口電壓相同，可以采用0.4 kV柴油發(fā)電機;23F柴油發(fā)電機配出的應(yīng)急母線末端電壓為375 V，即在變電所內(nèi)的出口處已經(jīng)有5 V的電壓損失，配至末端的電壓降允許范圍在15 V以內(nèi)，多數(shù)回路滿足要求，但會有部分回路電纜要放大電纜截面，而且大容量電動機(消防泵等)起動時的引起的電壓降并未計入。

考慮這些因素，主干電纜也應(yīng)放大，造價也相應(yīng)增加;在不放大截面的情況下，39F變電所配電電纜超出150 m后電壓損失剛好滿足要求，但僅是干線電纜的電壓損失，考慮支線電纜的電壓損失后便不能滿足要求，需適當(dāng)放大部分電纜截面，0.4 kV柴油機的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢已經(jīng)下降;53F電壓損失除了離變電所較近的部分負(fù)荷外，其余很難滿足要求，即便在合理供電半徑內(nèi)也需放大電纜截面，而對于較大容量的電機類負(fù)荷，起動時也難以滿足起動電壓降的要求，因此需采用10 kV發(fā)電機。

需要指出的是，計算均沒有計入低壓配電柜內(nèi)母線阻抗，電器元件的阻抗計算的也僅是干線線路的電壓損失，將這些因素考慮后，電壓損失會更大。

綜合上述分析，11F及23F可采用0.4 kV柴油發(fā)電機，但23F需要適當(dāng)放大電纜截面等技術(shù)措施;39F及53F采用10 kV柴油發(fā)電機。如果配置兩種電壓等級的發(fā)電機組，應(yīng)急供電區(qū)域應(yīng)該有嚴(yán)格的劃分，靈活性相對較低，最終塔樓設(shè)備層的應(yīng)急系統(tǒng)全部采用10 kV發(fā)電機。

由此也可以得出以下結(jié)論:當(dāng)建筑高度不高于250 m時，柴油發(fā)電機房設(shè)置可以采用0.4 kV柴油發(fā)電機，但是高區(qū)需要采取放大電纜截面等措施，且高區(qū)不宜有大容量電機類負(fù)荷。從53F應(yīng)急母線電壓損失結(jié)果來看，當(dāng)建筑高度大于400 m時，0.4 kV柴油機已經(jīng)不適用，因為電纜截面不可能無限放大，而且當(dāng)電纜截面達(dá)到一定規(guī)格，降低電壓損失已經(jīng)收效甚微。

4.1 10 kV應(yīng)急電源供配電系統(tǒng)方案比較

10 kV應(yīng)急電源供配電系統(tǒng)方案如圖4所示。

圖4 10 kV應(yīng)急電源供配電系統(tǒng)方案

(1)方案一:專門設(shè)置應(yīng)急變壓器，平時不帶負(fù)載(冷備用)。優(yōu)點:系統(tǒng)接線簡單，應(yīng)急電源完全獨立，應(yīng)急變壓器10 kV側(cè)與市電完全獨立;0.4 kV發(fā)電電源與0.4 kV正常電源切換相對較簡單，響應(yīng)較快。

缺點:應(yīng)急變壓器平時不帶電，平時無法帶載維護(hù)，且容易受潮，一旦故障，系統(tǒng)可靠性無法有效保障;增加了維護(hù)成本和運行風(fēng)險;應(yīng)急變壓器平時不帶負(fù)載，無法利用，占地面積大，增加投資。

(2)方案二:應(yīng)急變壓器與市電變壓器兼用，平時供給消防電梯、平時排風(fēng)兼火災(zāi)排煙等負(fù)荷，本文僅針對應(yīng)急電源單路布線在高壓側(cè)切換的典型情況進(jìn)行比較、分析。優(yōu)點:應(yīng)急變壓器平時也帶電，日常維護(hù)簡單。應(yīng)急變壓器平時可以帶負(fù)載，如消防電梯、平時排風(fēng)兼消防排煙風(fēng)機等，因此得以充分利用。應(yīng)急變壓器平時通電不易受潮，符合供電局變壓器通電前需要做電試的習(xí)慣做法;應(yīng)急變壓器平時得以利用，減少一組變壓器及開關(guān)柜，占地面積小，節(jié)約投資。

缺點:在高壓側(cè)需要設(shè)置由高壓開關(guān)組成的常備用電源自投自復(fù)，相比于0.4 kV的ATS復(fù)雜;高壓柴油發(fā)電機出口短路電流較小，繼電保護(hù)也較復(fù)雜;聯(lián)鎖關(guān)系相對復(fù)雜。高壓常備用電源自投自復(fù)裝置切換時間略高于低壓ATS，響應(yīng)時間高于0.4 kV發(fā)電電源與0.4 kV正常電源切換時間。設(shè)備層變壓器數(shù)量較少或應(yīng)急負(fù)荷容量較少時平衡負(fù)荷較難。

從可靠性和經(jīng)濟(jì)性綜合考慮，方案二優(yōu)于方案一。由于當(dāng)?shù)毓╇娋忠蟛辉试S10 kV發(fā)電機與市政電源在10 kV側(cè)切換，且根據(jù)負(fù)荷分析發(fā)現(xiàn)部分區(qū)段平時兼應(yīng)急負(fù)荷較少，采用方案二時也需要增加變壓器。因此，最終選擇方案一。

5 結(jié)語

超高層配電系統(tǒng)復(fù)雜，供電可靠性要求高，在設(shè)計前一定要針對不同的方案進(jìn)行比較，以保證安全、可靠。

通過本文的分析，可以得出以下結(jié)論:

(1)變電所的設(shè)置位置應(yīng)充分考慮配電干線長度，降低電壓損失及電能損耗，而不能只考慮初期投資，降低在壽命內(nèi)的運營成本也是要重點考慮的方面。

(2)每個設(shè)備層(間隔60 m左右)設(shè)置變電所向上單向供電，電能損失較小，長期運營成本低，豎向管井相對較小，設(shè)備層橋架較少，方案較合理。

(3)結(jié)合其他工程案例和該工程計算，建筑高度在250 m以下時，可以采用選0.4 kV柴油發(fā)電機;大于250 m而小于400 m時需要進(jìn)行比較、分析，一般低區(qū)采用0.4 kV柴油機，高區(qū)采用10 kV柴油機或全部采用10 kV柴油發(fā)電機;大于400 m時，采用10 kV發(fā)電機。

(4)應(yīng)急變壓器冷備用還是與市電變壓器兼用各有優(yōu)缺點，總體來說，與市電變壓器兼用優(yōu)于冷備用方案。

［1］ 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，2005.

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

［3］ 04DX101-1建筑電氣常用數(shù)據(jù)［G］.