高層建筑中變配電系統(tǒng)的設(shè)計

摘要高層建筑伴隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展而進(jìn)入快速建設(shè)期，搞好高層建筑內(nèi)變配電系統(tǒng)的設(shè)計就顯得尤為關(guān)鍵。本文在分析高層公共建筑電氣設(shè)施特點同時，通過對高層建筑各功能場所的用電負(fù)荷等級分類、數(shù)據(jù)統(tǒng)計和計算，提出應(yīng)如何進(jìn)行高層建筑變配電系統(tǒng)的設(shè)計，并對變配電室的設(shè)置及低壓配電方式進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞高層建筑負(fù)荷電氣主接線高壓配電低壓配電

一、前言

高層建筑伴隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展顯現(xiàn)出越來越多的趨勢，其形式種類多樣、使用功能日漸繁雜，對供電的要求也不盡相同，因此變配電系統(tǒng)的合理性設(shè)計對高層建筑在供電可靠性、變配電設(shè)施運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)合理性等方面顯得至關(guān)重要，本人結(jié)合多年的設(shè)計經(jīng)驗對此作些探討。

二、高層建筑電氣設(shè)施特點

1.消防設(shè)施用電負(fù)荷等級高。高層建筑高度高，體積規(guī)模大，人員密集，設(shè)備繁多，一旦發(fā)生火災(zāi)會造成重大人員傷亡及財產(chǎn)損失。因此其消防設(shè)施顯得特別重要。

2.用電負(fù)荷大，供電可靠性要求高。高層建筑用電設(shè)備多，用電負(fù)荷大，各類重要用電設(shè)備都要求較高的供電可靠性。

3.電氣設(shè)備的布置。由于高層建筑高度高，為減少線路損耗，配電變壓器可分層分區(qū)域布置，為便于豎向敷設(shè)，一般都設(shè)有專用電纜豎向井道。

三、用電負(fù)荷分析和計算

高層建筑用電負(fù)荷分析和計算是搞好變配電系統(tǒng)設(shè)計的前提和基礎(chǔ)，負(fù)荷的分析和計算準(zhǔn)確與否，對合理選擇設(shè)備及日后的安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，起著決定性的作用，因此必須高度重視。設(shè)計中，應(yīng)首先對高層建筑的各功能場所的用電負(fù)荷進(jìn)行負(fù)荷等級分類和數(shù)據(jù)統(tǒng)計。負(fù)荷分類應(yīng)依據(jù)國家現(xiàn)行規(guī)程規(guī)范的要求進(jìn)行，絕不能主觀臆測。如《高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范》中明確規(guī)定：一類高層建筑的消防用電負(fù)荷為一類負(fù)荷，二類高層建筑的消防用電負(fù)荷為二類負(fù)荷。因此，設(shè)計中就應(yīng)首先明確該建筑為幾類高層建筑，這樣就可明確消防用電負(fù)荷的等級。要分清哪些是一年四季都使用的負(fù)荷即正常用電負(fù)荷，哪些是季節(jié)性負(fù)荷（如制冷用冷水機(jī)組等用電負(fù)荷僅在夏季使用，制熱用的空氣幕用電負(fù)荷僅在冬季使用，這類負(fù)荷均為季節(jié)性負(fù)荷，哪些是僅在特定情況下才使用的負(fù)荷，如消防設(shè)備用電負(fù)荷在正常情況下并不使用，僅當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時才使用的負(fù)荷。通過對各種用電負(fù)荷的等級、種類及大小進(jìn)行統(tǒng)計分析和計算，為正確合理地選擇電器設(shè)備及變配電系統(tǒng)的設(shè)計打下基礎(chǔ)。

四、變配電系統(tǒng)的設(shè)計

1.向當(dāng)?shù)毓╇姴块T收集有關(guān)設(shè)計資料。配變電所的設(shè)計應(yīng)事先取得當(dāng)?shù)毓╇姴块T的有關(guān)設(shè)計資料。在方案比較階段，擬定工程的負(fù)荷性質(zhì)及對供電可靠性的要求，明確供電電壓、供電方式及電源線路數(shù)量要求以及對變電所的容量、位置有了意向后，應(yīng)會同籌建部門向供電部門申報用電，聯(lián)系取得有關(guān)資料，主要收集的資料有：（1）向用戶供電的地區(qū)變電所近期和遠(yuǎn)期負(fù)荷情況。（2）向用戶供電的電壓、線路長度、線路形式以及回路情況、系統(tǒng)中性點接地方式。（3）供電端系統(tǒng)最小運(yùn)行方式和最大方式短路數(shù)據(jù)，或者供電部門對用戶要求的斷路器分?jǐn)嗄芰?。?）對斷電保護(hù)及自動裝置要求。（5）對用戶功率因數(shù)要求，負(fù)荷控制要求。（6）計量裝設(shè)要求。（7）對通訊、調(diào)度要求及管理意見。（8）對主要電氣設(shè)備選用的有關(guān)規(guī)定。

2.電源的確定。通過上述對各種用電負(fù)荷的統(tǒng)計分析和計算，明確該建筑用電負(fù)荷的種類。依據(jù)國家現(xiàn)行規(guī)范要求，一類負(fù)荷應(yīng)采用雙電源供電，其中一類負(fù)荷中特別重要負(fù)荷除應(yīng)采用雙電源外，還需增設(shè)第三電源。二類負(fù)荷應(yīng)采用雙回路供電，如何實現(xiàn)上述要求？首先，設(shè)計人員在現(xiàn)場調(diào)研時要確認(rèn)該建筑所建點是否具備所需電源，這點很重要。因為它直接關(guān)系到變配電系統(tǒng)的設(shè)計。如你設(shè)計的是一類高層建筑，應(yīng)采用雙電源供電，但現(xiàn)場并不具備雙電源條件，只有一路電源，那么你在設(shè)計變配電系統(tǒng)時就應(yīng)考慮自備電源，以保證該建筑所需要的雙電源。在此需要強(qiáng)調(diào)的是具備什么條件的電源才算雙電源？一些人認(rèn)為只有真正完全獨(dú)立的兩路電源才算雙電源，但現(xiàn)在真正意義上的完全獨(dú)立的電源很少，基本都是并網(wǎng)。對此，《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》條文中也已明確，由兩個35 kV及以上電壓等級的區(qū)域性變電站引出的電源即可認(rèn)為是雙電源，并不一定非要真正意義上的兩個完全獨(dú)立的電源。到底采取何種方式的電源，根據(jù)現(xiàn)場的實際情況而定。

3.高壓主接線。大多數(shù)高層公共建筑用電負(fù)荷很大且集中，低壓供電往往不能滿足要求，國內(nèi)通常采用10 kV供電。常用主接線有如下幾種情況：

（1）兩路10 kV進(jìn)線，單母線分段接線，設(shè)母聯(lián)開關(guān)。正常情況下，母聯(lián)開關(guān)斷開，兩路電源同時供電，互為備用。這種接線有很高的可靠性，但投資也相對較高。適用于高級賓館、大型商場、大型辦公樓等。

（2）兩路10 kV進(jìn)線，單母線分段接線，不設(shè)母聯(lián)開關(guān)。正常情況下，兩路電源同時供電。這種接線比較簡單，可靠性相對前一種要差些。適用于一般辦公樓、住宅樓等。

（3）兩路10 kV進(jìn)線，單母線不分段接線。正常情況下，兩路電源一路工作，一路備用，當(dāng)工作電源失電時，備用電源自動投入或手動投入，兩路都能保證100%的負(fù)荷用電。此種接線所用高壓設(shè)備少，投資相對節(jié)省，但當(dāng)母線清掃或故障時，將造成全部停電，供電可靠性相對較低，該接線方式適用于高層住宅等要求不太高的場所。

（4）一路10 kV線路供電，并由城市公用變壓器或由相鄰大廈變電所引來380/220 V低壓備用電源，或者由自備柴油發(fā)電機(jī)來提供備用電源，備用電源主要確保一、二類負(fù)荷用電。該接線方式適用于建筑規(guī)模相對較小的公共建筑供電。

以上各種高壓主接線方式的選用，主要取決于建筑物本身的級別和當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的條件。

4.低壓配電主接線。低壓配電系統(tǒng)的設(shè)計是否得當(dāng)，將直接影響高層建筑的安全、運(yùn)行和管理。（1）低壓配電系統(tǒng)一般要滿足下列要求：有較高的供電可靠性和靈活性；接線力求簡潔，施工運(yùn)行維護(hù)方便。（2）單母線分段接線方式：正常情況下，母聯(lián)開關(guān)斷開，兩臺變壓器同時工作，互為備用。當(dāng)任一臺變壓器因故停運(yùn)時，另一臺變壓器滿足全部一、二級負(fù)荷及部分三級負(fù)荷，這種接線有很高的可靠性。（3）當(dāng)一級負(fù)荷中有特別重要負(fù)荷時，需增設(shè)第三電源。

5.變配電室的設(shè)置。（1）設(shè)在建筑主體內(nèi)。在高層建筑中由于其造價昂貴，建筑物內(nèi)寸土寸金，業(yè)主更強(qiáng)調(diào)經(jīng)營效益，常常堅持將配變電用房放在地下室，由于地下室存在電氣設(shè)備進(jìn)出不易，通風(fēng)不良，環(huán)境潮濕，都會影響電氣設(shè)備的安全運(yùn)行，而且一旦設(shè)備出現(xiàn)問題，往往檢修不易。因此，變配電室最好設(shè)在底層，如因客觀條件限制必須放在地下室時，要符合下列要求：設(shè)置直接對外的通道或出口；采用不可燃設(shè)備。

（2）設(shè)在建筑主體旁，采用獨(dú)立變配電室。在條件許可的情況下，設(shè)獨(dú)立變配電室。采用獨(dú)立變配電室不僅可以很好地解決設(shè)備設(shè)在地下室而出現(xiàn)的種種弊端，而且可以很好地兼顧用戶現(xiàn)有配電系統(tǒng)及今后發(fā)展的需要。

6.低壓配電方式。（1）低壓干線設(shè)計。低壓配出干線指從配電室的低壓配電柜出線開關(guān)至各大型用電設(shè)備或樓層配電箱的線路。其接線方式分為放射式和樹干式。

放射式一般用在：①要求供電可靠性高的場所；②單臺容量較大的設(shè)備；③容量比較集中的場所。如要求供電可靠性較高的大型消防泵、消防電梯等設(shè)備，單臺容量較大的制冷用冷水機(jī)組等一般采用放射式供電。

樹干式接線一般用在：①要求供電可靠性不是很高的場所；②單臺容量不大的設(shè)備。樹干式接線有多種多樣，常見的有分區(qū)樹干式接線或母線樹干式接線。分區(qū)樹干式接線一般用在負(fù)荷不是很大并且不是很重要的情況，該接線的優(yōu)點是一旦線路故障其影響面較??；母線樹干式接線多用于層數(shù)多負(fù)荷大的場所，該接線的優(yōu)點是低壓總配電系統(tǒng)不需要很多出線，可節(jié)省低壓配電盤，但缺點是一旦總開關(guān)或線路故障其影響面較大。

放射式配電線路故障時互不影響，可靠性高，但投資相對較大。而樹干式配電干線故障時影響較大，供電可靠性相對較低，但投資相對較省。

（2）配電干線的敷設(shè)。一般可考慮在電纜豎井、吊頂內(nèi)走電纜橋架、線槽、封閉母線等。盡量少走穿鋼管埋地的敷設(shè)方式。電纜豎井是配電干線敷設(shè)的重要通道，也通常是電專業(yè)每層動力及照明總配電箱的設(shè)置場所，因此，其大小、具體位置要盡可能合理，盡可能靠近負(fù)荷中心，豎井尺寸不要太小，應(yīng)方便施工人員的設(shè)備安裝，方便維護(hù)人員的操作和檢修，應(yīng)根據(jù)具體工程同建筑專業(yè)設(shè)計師協(xié)商而定。在現(xiàn)場中發(fā)現(xiàn)有的設(shè)計人員將電纜豎井設(shè)得太小，很難進(jìn)行電纜施工，也很難進(jìn)行正常操作和檢修，并且給電氣設(shè)施的安全運(yùn)行帶來了不應(yīng)有的安全隱患，因此，設(shè)計人員對此引起足夠的重視。

（3）樓層低壓配電。一般情況下，在高層建筑的每層均設(shè)樓層配電箱，樓層建筑面積較大的，每層設(shè)若干個配電箱。配電箱內(nèi)設(shè)有進(jìn)線總開關(guān)及若干個出線分開關(guān)。配電箱一般設(shè)在電氣豎井內(nèi)明裝，也有的采用暗裝配電箱裝在樓道或其他公共場所的墻上。裝設(shè)的原則是要盡可能接近負(fù)荷中心；不影響建筑的結(jié)構(gòu)；進(jìn)出線方便，安裝、操作維護(hù)方便，管理方便。為提高供電的可靠性，一般將照明用配電箱與動力用配電箱分開設(shè)置，各成獨(dú)立系統(tǒng)，互不影響。

7.變電站綜合自動化技術(shù)。變電站綜合自動化技術(shù)是以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，將測量、監(jiān)控、繼電保護(hù)和通訊功能綜合在一起，構(gòu)成全微機(jī)化的綜合自動化系統(tǒng)。它是一個分層分布式集散系統(tǒng)，它的最底層是一個多功能的計算機(jī)監(jiān)控單元，是以一個配電回路或間隔為單元，把信號、測量、控制和繼電保護(hù)集中于一體，然后用一根通訊線把每個單元連接起來，再引到一個主計算機(jī)（工作站）。綜合自動化技術(shù)的出現(xiàn)，簡化了變配電系統(tǒng)的二次接線，提高了變配電站的自動化程度和管理水平，提高了變配電站的運(yùn)行可靠性，減少了占地面積，使變配電系統(tǒng)實現(xiàn)無人值守成為可能。是變配電系統(tǒng)自動化控制方式的發(fā)展趨勢?，F(xiàn)在，該技術(shù)已越來越成熟并得到了越來越廣泛地應(yīng)用。

五、高低壓變配電設(shè)備選擇

1.一般要求。變配電站設(shè)計采用的設(shè)備和器材，應(yīng)符合國家或地區(qū)的有關(guān)規(guī)定以及行業(yè)的產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。并應(yīng)優(yōu)先選用技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)適用和節(jié)能的成套設(shè)備和定型產(chǎn)品，不得采用淘汰產(chǎn)品。

2.變壓器的選擇。變壓器臺數(shù)應(yīng)根據(jù)負(fù)荷特點和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行條件進(jìn)行選擇。當(dāng)符合下列條件之一時，宜裝設(shè)兩臺及以上變壓器。

一是有大量一級或二級負(fù)荷。

二是季節(jié)性負(fù)荷變化較大。

三是集中負(fù)荷較大。

裝有兩臺及以上變壓器的變電所，當(dāng)其中任一臺變壓器斷開時，其余變電器的容量應(yīng)滿足一級負(fù)荷及二級負(fù)荷的用電。

一般情況下，動力與照明宜共用變電器。當(dāng)屬下列情況之一時，可設(shè)專用變電器。

一是動力和照明共用變電器嚴(yán)重影響照明質(zhì)量及燈泡壽命時。

二是季節(jié)性負(fù)荷（如空調(diào)設(shè)備等）約占工程總用電負(fù)荷的1/3及以上時。

三是沖擊性負(fù)荷較大，嚴(yán)重影響電能質(zhì)量時。

變壓器的合理選擇很重要，有的設(shè)計人在進(jìn)行負(fù)荷計算時對各類用電設(shè)備負(fù)荷分析不夠深入，所選系數(shù)偏大，結(jié)果將變壓器的容量選得過大，變壓器負(fù)荷率過低，造成用戶投資增加，運(yùn)行費(fèi)用增加很大，給用戶帶來不應(yīng)有的資金投入。但變壓器負(fù)荷率也不能過高，要考慮足夠的裕量，否則對將來的發(fā)展不利。變壓器負(fù)荷率控制在65%～75%為宜。這樣對變壓器的安全、壽命及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行均有好處。由于變壓器的損耗在配電系統(tǒng)中占的比重較大，因此選擇底損耗的節(jié)能型變壓器是設(shè)計中應(yīng)考慮的問題。當(dāng)將變壓器設(shè)在建筑主體內(nèi)時，出于安全需要，幾乎毫無例外地選擇干式變壓器，干式變壓器除具有機(jī)械性能好，抗短路能力強(qiáng)，防潮，阻燃自熄的特點外，還具有耐沖擊能力強(qiáng)、損耗低等特點，同時它還是低噪聲的對周圍環(huán)境不會造成影響的綠色產(chǎn)品，該產(chǎn)品已很成熟，可優(yōu)先選用。

3.高低壓開關(guān)柜的選擇。在高層民用建筑中，出于對消防安全考慮，高開關(guān)設(shè)備常采用帶真空斷路器手車式開關(guān)柜或SF6氣體絕緣環(huán)網(wǎng)柜為宜，環(huán)網(wǎng)柜具有接線簡單，操作方便，結(jié)構(gòu)緊湊，造價低等優(yōu)點，由于其外形尺寸小，可以靠墻安裝，占地面積小，可節(jié)約土建造價，正因為環(huán)網(wǎng)柜優(yōu)點很多，所以，現(xiàn)在得到了越來越多的廣泛應(yīng)用。具體選擇哪種開關(guān)柜應(yīng)根據(jù)工程的具體情況及當(dāng)?shù)毓╇姴块T的要求來定。

低壓開關(guān)柜型以抽屜柜為宜，對于規(guī)模較小的高層建筑，也可考慮采用固定柜。

4.自備應(yīng)急發(fā)電機(jī)組的選擇。自備應(yīng)急發(fā)電機(jī)組是高層民用建筑的重要設(shè)備，它不但對高層建筑的安全起重要作用，而且對高層建筑的管理也很重要，在選擇時要注意以下幾點：（1）機(jī)組啟動與運(yùn)行一定要可靠，另外機(jī)組能在緊急情況下自動啟動，并能在15秒內(nèi)接帶負(fù)荷。（2）機(jī)組的外形尺寸要小，結(jié)構(gòu)要緊湊，重量要輕，以減少占地面積和層高及基礎(chǔ)要求。（3）機(jī)組平時的暖機(jī)功率要小，以節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。（4）機(jī)組的噪音、震動、耗油要盡可能小。

六、結(jié)束語

變配電系統(tǒng)的設(shè)計是高層建筑電氣設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，設(shè)計中要充分重視高層建筑用電負(fù)荷的特點，通過詳盡的分析和計算，設(shè)計合理的高低壓電氣主接線并進(jìn)行多方案的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)比較，以選擇最佳方案，使變配電系統(tǒng)安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理。

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