超高層建筑變電所設(shè)計(jì)需注意的幾個(gè)問(wèn)題

何 創(chuàng)

(南寧市建筑設(shè)計(jì)院，南寧 530022)

0 引言

近幾年來(lái)，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，各地超高層建筑不斷涌現(xiàn)，成為現(xiàn)代化大都市的重要標(biāo)志。超高層建筑的用電負(fù)荷多且單臺(tái)設(shè)備容量大，而且部分大容量設(shè)備可能還設(shè)置在樓上，為了滿足超高層建筑供電可靠性，減少投資、降低運(yùn)行線路損耗、滿足節(jié)能及環(huán)保需求，本文特從用電負(fù)荷等級(jí)劃分、電源進(jìn)線電壓等級(jí)、電源進(jìn)線數(shù)量、變電所設(shè)置位置、供配電系統(tǒng)可靠性以及供配電設(shè)備選擇等方面，對(duì)超高層建筑變電所設(shè)計(jì)時(shí)需注意的幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行分析。

1 用電負(fù)荷等級(jí)劃分

參考GB 50052 -2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》和GB 50016 -2014(2018年版)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》有關(guān)規(guī)定，筆者建議，可以按下面的原則劃分用電負(fù)荷等級(jí)。

(1)中斷供電時(shí)將造成政治影響很大、人身傷害、經(jīng)濟(jì)重大損失的用電設(shè)備應(yīng)按一級(jí)負(fù)荷供電。

對(duì)超高層建筑主要是以下用電負(fù)荷：消防設(shè)備負(fù)荷、電梯、生活水泵、排污泵、公共照明、航空障礙照明、避難層照明、網(wǎng)絡(luò)機(jī)房用電、安防設(shè)備用電、熱交換泵、廚房或超市冷庫(kù)、大型商業(yè)或四星級(jí)旅館等經(jīng)營(yíng)管理的電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以及新聞發(fā)布中心、指揮中心設(shè)備用電等。

(2)在一級(jí)負(fù)荷中，中斷供電時(shí)將造成政治影響重大、人身傷亡、貴重設(shè)備損失或發(fā)生爆炸、火災(zāi)等災(zāi)害情況的負(fù)荷，應(yīng)按一級(jí)負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷供電。具體為：網(wǎng)絡(luò)機(jī)房用電、安防設(shè)備用電、大型商業(yè)或四星級(jí)旅館等經(jīng)營(yíng)管理的電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以及省部級(jí)及以上新聞發(fā)布中心、指揮中心設(shè)備用電等。

(3)中斷供電時(shí)將造成政治影響較大、經(jīng)濟(jì)上造成較大損失或影響較重要客戶的正常工作的用電設(shè)備應(yīng)按二級(jí)負(fù)荷供電。具體為：自動(dòng)扶梯、廚房動(dòng)力及照明、大型商業(yè)照明和空調(diào)、四星級(jí)及上旅館客房照明，市級(jí)新聞發(fā)布中心、指揮中心設(shè)備用電等。

(4)其他不屬于一級(jí)和二級(jí)負(fù)荷應(yīng)按三級(jí)負(fù)荷供電。具體為：一般照明及動(dòng)力、空調(diào)等設(shè)備。

值得注意的是，當(dāng)建筑物高度超過(guò)250m時(shí)，其消防用電負(fù)荷應(yīng)按一級(jí)負(fù)荷中特別重要負(fù)荷供電；當(dāng)建筑物高度為100 ～250 m時(shí)，其消防用電負(fù)荷應(yīng)按建筑電源最高級(jí)別供電。

2 高壓電源進(jìn)線電壓及數(shù)量

超高層建筑供電電源等級(jí)可為10kV、20kV、35kV 或 110kV。在初步設(shè)計(jì)階段應(yīng)從供電可靠性及經(jīng)濟(jì)性方面進(jìn)行供電方案比選，確定采用供電電源等級(jí)。超高層建筑正常電源數(shù)量不應(yīng)少于兩個(gè)，且滿足雙重電源供電要求，采用專線由上一級(jí)變電所或開(kāi)閉所放射式供電，各路電源應(yīng)為不同路由的線路。當(dāng)一路電源斷電時(shí)，剩余電源應(yīng)能保證二級(jí)及以上用電負(fù)荷需求。

高壓電源進(jìn)線數(shù)量應(yīng)根據(jù)建筑用電負(fù)荷容量及供電電源等級(jí)確定。根據(jù)《中國(guó)南方電網(wǎng)城市配電網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)則》規(guī)定：開(kāi)閉所設(shè)計(jì)容量不宜超過(guò) 10 000kVA 原則。一般可按下列原則確定電源數(shù)量及其工作方式。

(1)10 000kVA以下的用戶可采用2路10kV電源同時(shí)工作、互為備用的運(yùn)行方式供電。

(2)20 000kVA以下的用戶可采用3路10kV電源2路同時(shí)工作、1路備用的運(yùn)行方式供電，有條件電地區(qū)，或采用2路20kV電源同時(shí)工作、互為備用的運(yùn)行方式供電。

(3)30 000kVA以下的用戶可采用5路10kV電源3路同時(shí)工作、2路備用的運(yùn)行方式供電，有條件電地區(qū)，或采用3路20kV電源2路同時(shí)工作、1路備用的運(yùn)行方式供電；同時(shí)工作、互為備用、運(yùn)行方式供電。

(4)40 000kVA以下的用戶可采用2路35kV電源同時(shí)工作、互為備用、運(yùn)行方式供電。

(5)100 000kVA以下的用戶可采用2路110kV電源同時(shí)工作、互為備用、運(yùn)行方式供電。高壓電源進(jìn)線電纜應(yīng)采用耐火電纜。

3 變電所位置確定

要確定超高層建筑變電所的位置，除了要滿足相應(yīng)規(guī)范中規(guī)定的要求外，還需考慮低壓供電半徑、建筑各場(chǎng)所使用功能、業(yè)態(tài)以及大型用電設(shè)備設(shè)置場(chǎng)所等因素，以滿足業(yè)主對(duì)變電所管理的靈活性及投資、運(yùn)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)性。

筆者曾經(jīng)設(shè)計(jì)過(guò)一座超高層建筑，總建筑面積約30萬(wàn)m2，地上2棟42層塔樓，地下4層，1～5層為商業(yè)，6～42層為辦公，建筑高度為178.8m，避難層設(shè)于12層和27層。項(xiàng)目1～5層商業(yè)空調(diào)采用集中空調(diào)，冷水機(jī)組設(shè)置于地下2層，6～42層辦公空調(diào)采用分散式多聯(lián)空調(diào)機(jī)，分別設(shè)置于12層、27層及天面層。若按低壓半徑250m作為設(shè)置變配電所的依據(jù)，項(xiàng)目于地下2層設(shè)置變電所可滿足供電要求，但是，筆者考慮到12層、27層及天面層多聯(lián)空調(diào)機(jī)設(shè)備容量很大，單棟分別為1 379kW、1 379kW、978 kW，并且為三級(jí)負(fù)荷。經(jīng)過(guò)供電方案比選，并與業(yè)主溝通，確定采用分別在每棟12層、27層設(shè)置分變電所的供電方案，變電所專供12層、27層及天面層分散式多聯(lián)空調(diào)機(jī)用電負(fù)荷。

經(jīng)過(guò)綜合比較，即使未考慮配電線路過(guò)長(zhǎng)、運(yùn)營(yíng)期間電能損耗節(jié)約費(fèi)用，初期一次性投資也節(jié)約了300多萬(wàn)元。

4 供配電系統(tǒng)可靠性

(1)高壓配電系統(tǒng)

超高層建筑的高壓配電系統(tǒng)宜采用總配變電所——分變電所結(jié)構(gòu)形式，總變電所應(yīng)采用單母線分段的接線形式，由總變電所引至分變電所應(yīng)采用放射式配電方式，配電電纜應(yīng)采用耐火電纜。高壓配電系統(tǒng)高壓系統(tǒng)的配電級(jí)數(shù)不宜多于兩級(jí)。

(2)低壓配電系統(tǒng)

超高層建筑低壓配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式應(yīng)采用單母線分段接線形式，兩段母線之間設(shè)聯(lián)絡(luò)斷路器，為了提高應(yīng)急負(fù)荷供電可靠性，宜設(shè)置一段應(yīng)急母線段，為消防及重要負(fù)荷等應(yīng)急負(fù)荷供電。發(fā)電機(jī)與市電之間采用機(jī)械、電氣連鎖。

超高層建筑低壓配電形式可采用放射式或樹(shù)干式配電方式，對(duì)于單臺(tái)容量大或重要的設(shè)備應(yīng)采用放射式配電，其他可采用樹(shù)干式或樹(shù)干式與放射式相結(jié)合的配電方式。為了提高供電可靠性，重要負(fù)荷各級(jí)配電系統(tǒng)相互之間要求保護(hù)開(kāi)關(guān)動(dòng)作具有選擇性。當(dāng)配變電所設(shè)置于避難層時(shí)，其配電線路不應(yīng)穿越上、下避難層供電。

超高層建筑低壓配電電纜線路是保障或防范電氣火災(zāi)的重點(diǎn)。對(duì)于消防設(shè)備負(fù)荷應(yīng)采用礦物絕緣電纜配電，對(duì)于非消防設(shè)備負(fù)荷宜采用低煙無(wú)鹵阻燃絕緣電纜或母線槽配電。鑒于超高層建筑特點(diǎn)，當(dāng)采用母線槽配電時(shí)，由于母線槽是剛性結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮建筑物的擾動(dòng)，選用時(shí)應(yīng)慎重，或需隔一定的距離(高度)設(shè)置緩沖設(shè)施；對(duì)于火災(zāi)時(shí)由于普通電梯負(fù)有避難層救援工作，其配電線路應(yīng)按消防設(shè)備負(fù)荷配設(shè)電纜。

5 發(fā)電機(jī)選擇

超高層建筑發(fā)電機(jī)組的位置確定，除了要滿足GB 50016 -2014(2018年版)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》有關(guān)規(guī)定外，還需考慮供電半徑，以及建筑各場(chǎng)所使用功能、業(yè)態(tài)等因素，以滿足電壓損失在規(guī)范允許范圍，以及業(yè)主管理的靈活性、投資的經(jīng)濟(jì)性。

超高層建筑往往是城市綜合體，建筑面積大，使用功能、業(yè)態(tài)復(fù)雜，發(fā)電機(jī)設(shè)置數(shù)量應(yīng)與業(yè)主充分溝通，了解業(yè)主需求，才能設(shè)計(jì)出既滿足規(guī)范要求又滿足業(yè)主對(duì)投資、管理的管控要求。例如某超高層建筑，其建筑面積較大，建筑內(nèi)包含有旅館、商業(yè)、超市、辦公等功能，業(yè)主為了管理方面需要在旅館、超市單獨(dú)設(shè)置發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)容量確定同樣應(yīng)與業(yè)主充分溝通，其既可作為應(yīng)急電源使用，也可以作為備用電源使用。當(dāng)備用電源滿足應(yīng)急電源條件時(shí)，備用電源可以兼作為應(yīng)急電源。有些業(yè)主為了節(jié)省投資要求，發(fā)電機(jī)容量?jī)H按滿足應(yīng)急電源容量要求考慮，但有些業(yè)主卻要求發(fā)電機(jī)容量按滿足備用電源容量要求考慮。發(fā)電機(jī)組額定輸出電壓應(yīng)由供電半徑確定：250m及以上超高層建筑或供電半徑≥300m時(shí)，宜采用10kV發(fā)電機(jī)組；250m以下超高層建筑或供電半徑<300m時(shí)，宜采用0.4kV發(fā)電機(jī)組。

6 樓上變電所設(shè)計(jì)

超高層建筑的一個(gè)明顯特點(diǎn)就是建筑高度高，這對(duì)電氣設(shè)計(jì)的影響就是在設(shè)計(jì)變電所時(shí)要考慮供電半徑問(wèn)題。

低壓配電線路供電不宜超過(guò) 250 m，因此，當(dāng)建筑高度大于200m，應(yīng)設(shè)置樓上變電所；當(dāng)建筑高度小于200m，應(yīng)進(jìn)行供電方案比選，并與業(yè)主進(jìn)行溝通，確定是否設(shè)置樓上變電所。

若設(shè)置樓上變電所，變壓器后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)是個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，由于變壓器的使用壽命一般為30年，而建筑使用壽命一般為50年，而且變壓器也無(wú)法保證在正常壽命期間不會(huì)損壞，這就帶來(lái)了一個(gè)如何維修或更換變壓器的問(wèn)題。

變壓器運(yùn)輸方式是解決更換變壓器的關(guān)鍵。目前變壓器直接運(yùn)輸方式有兩種，一種是采用貨梯直接運(yùn)輸，該方式要求設(shè)置一臺(tái)貨梯，方案階段應(yīng)與建筑專業(yè)協(xié)商并征得業(yè)主同意，選擇滿足變壓器重量和尺寸的貨梯；另一種是采用電梯井道運(yùn)輸，這種運(yùn)輸方式需要在更換變壓器前，將電梯轎廂下降到底，拆除原有的電梯曳引繩等，在井道內(nèi)安裝一套提升設(shè)備及滑輪組，將變壓器本體通過(guò)井道提升上去。設(shè)計(jì)階段應(yīng)向建筑專業(yè)提供預(yù)埋吊鉤方案，以及變壓器尺寸，吊鉤的承載力應(yīng)大于變壓器重力，電梯井道尺寸應(yīng)大于變壓器尺寸。

解決變壓器后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)方法還有一種：即預(yù)留備用變壓器法，也就是在每個(gè)樓上變電所內(nèi)備用1～2臺(tái)相同型號(hào)的變壓器。由于不同廠商、不同型號(hào)電變壓器重量、尺寸不同，建議樓上變電所變壓器單臺(tái)容量不超過(guò)1 250 kVA 為宜。

樓上變電所的中性點(diǎn)接地宜采用建筑物基礎(chǔ)接地體，通過(guò)電纜豎井采用銅排或銅纜與建筑物基礎(chǔ)接地體連接。保護(hù)接地可利用建筑本層的主要鋼結(jié)構(gòu)體做接地體，在變電站供電范圍之內(nèi)，PE線及用電設(shè)備外殼均應(yīng)與各層鋼結(jié)構(gòu)做等電位聯(lián)結(jié)。

7 結(jié)束語(yǔ)