超高層建筑配電的研究與運用

時立龍， 羅衛(wèi)東

(1. 中旭建筑設計有限責任公司，北京 100044；2. 北京國金管理咨詢有限公司，北京 100039)

1 超高層建筑特點

1.1 超高層建筑的定義

根據(jù)GB 50352-2019《民用建筑設計統(tǒng)一標準》第3.1.2條，第3款規(guī)定：地上建筑高度大于100.0m的民用建筑為超高層建筑。在其他建筑相關規(guī)范中，并未對超高層建筑進行定義及分類，只是對建筑高度大于100m的建筑的防火措施、疏散、避難層的設置等方面做了相關規(guī)定。例如GB 50016-2018《建筑設計防火規(guī)范》第1.0.6、5.1.4、5.2.6、5.5.23、5.5.31、6.7.5等條(款)。

1.2 超高層項目特點分析

近些年，筆者公司陸續(xù)接觸并設計了一些超高層項目，項目統(tǒng)計如表1所示。綜合來看，超高層建筑有以下特點。

超高層項目案例情況統(tǒng)計表 表1

(1)建筑體量大：一般都是多棟樓組合一起，地下聯(lián)通，建筑面積一般都超過10萬m2。(2)建筑功能及業(yè)態(tài)復雜：一般包含多種功能，如地下車庫、辦公、住宅、商業(yè)、酒店等，對應的租售形式及各業(yè)態(tài)物業(yè)管理形式也比較復雜。(3)建筑高度高，占地面積大。(4)空調(diào)形式復雜。

2 用電指標分析

(1)《超高層建筑電氣設計與安裝》(14D801)指標參考：如無特殊要求，超高層建筑的變壓器容量指標可為：80～140VA/m2。

(2)各大地產(chǎn)商(萬達、恒大等)對各種業(yè)態(tài)有相應的用電指標，但是對于超高層類建筑沒有對應的用電指標。

(3)相關機電顧問公司(AECOM、柏城等)一般要求為100～150VA/m2。

(4)相關超高層項目用電指標統(tǒng)計如表2所示。

超高層項目案例用電指標統(tǒng)計表 表2

(5)其他大型參考項目資料數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表3所示。

其他參考項目案例用電指標統(tǒng)計表 表3

(6)部分回訪數(shù)據(jù)：僅取得海航大廈資料，表4為海航大廈負荷率統(tǒng)計。

海航大廈負荷率統(tǒng)計表 表4

綜上所述，考慮業(yè)態(tài)功能、空調(diào)形式等情況，變壓器指標控制在80～110VA/m2，較為合適。

3 供電電源

3.1 超高層建筑電源要求

2009版技術措施中，將民用超高層建筑定義為特別重要用戶。

上海市工程建設規(guī)范將建筑高度>100m的高層建筑的電氣防火分級定義為特級，并要求應按一級負荷供電外，尚應設置自備發(fā)電機組或第三路市電為消防設備的應急電源。

GB 51348-2019《民用建筑電氣設計標準》，附錄A中將建筑高度超過100m的高層辦公建筑主要通道照明和重要辦公室用電劃分為一級負荷；建筑高度>150m的超高層公共建筑的消防用電劃分為一級負荷中特別重要負荷；第3.2.9條規(guī)定，對于一級負荷中特別重要負荷，其供電除雙重電源供電外，尚應增設應急電源供電；第13.7.4條第2款規(guī)定，消防用電負荷等級為一級負荷中特別重要負荷時，應由一段或兩段消防配電干線與自備應急電源的一個或兩個低壓回路切換，再由兩段消防配電干線各引一路在最末一級配電箱自動轉(zhuǎn)換供電。

3.2 市政電源相關資料

《國家電網(wǎng)公司業(yè)擴供電方案編制導則》(試行)要求見表5。

客戶供電電壓等級的確定 表5

3.3 其他電源參考資料

《超高層建筑電氣設計與安裝》(14D801)對電源方案比較及高壓系統(tǒng)接線要求有比較詳細的介紹，可借鑒參考。

4 應急電源

4.1 柴油發(fā)電機電壓等級

(1)超高層建筑中柴油發(fā)電機組電壓等級的選擇，在國家電氣設計規(guī)范中沒有規(guī)定。

(2)《超高層建筑電氣設計與安裝》(14D801)對于柴油發(fā)電機組的選擇建議：當建筑高度低于200m時，宜選用0.4kV柴油發(fā)電機組；當建筑高度超過400m時，宜選用10kV柴油發(fā)電機組；當建筑高度為200～400m時，需進行技術經(jīng)濟比較后確定柴油發(fā)電機組的額定電壓。

(3)本次考察回訪范圍內(nèi)的超高層建筑高度不超過300m，均選用0.4KV柴油發(fā)電機組。

4.2 柴油發(fā)電機容量

(1)現(xiàn)行電氣規(guī)范未對柴油發(fā)電機組的容量進行規(guī)定。在方案時按10%～20%預留，施工設計時按實際負荷進行計算。

(2)項目設置柴油發(fā)電機組的情況統(tǒng)計見表6。

項目設置柴油發(fā)電機組的情況統(tǒng)計表 表6

(3)從回訪情況來看，各超高層建筑的供電可靠性均比較高，暫未出現(xiàn)長時間斷電情況。各柴油發(fā)電機使用頻率均不高。

(4)油罐設置情況：按消防要求，柴油發(fā)電機組的油箱容量應能保證180min。室內(nèi)設置的儲油間為1m3，一般不能滿足。另外有些五星級酒店要求的時間更長。此時可在室外設置小型地埋式油罐。但是回訪的項目中均未設置室外小型油罐，僅設置了室外油罐車的接口。

(5)柴油發(fā)電機組的運輸：超高層建筑內(nèi)設置的柴油發(fā)電機組容量均比較大，機組重量在10t以上，機組的尺寸比較大。一般需要預留設備吊裝孔，此吊裝孔可與其他設備吊裝孔共用。并需規(guī)劃柴油發(fā)電機組的運輸路線。以風冷式柴油發(fā)電機組舉例，奔馳機組1 500kW尺寸為4 250×1 670×2 390，康明斯機組1 500kW尺寸為61 750×2 286×2 537，一般柴發(fā)機組的水箱在運輸時可先拆卸，但是柴發(fā)機組運輸路線其高度不小于2.6m。如有特殊要求，需提前和建筑溝通。

(6)柴油發(fā)電機組的排煙：根據(jù)現(xiàn)在的環(huán)保要求，柴油發(fā)電機組的煙氣需高處排放。此問題需提前與當?shù)丨h(huán)保部門進行溝通。如果需要嚴格執(zhí)行此條，則柴油發(fā)電機組的排煙管需通過核心筒上到最高層的屋面，對整個項目造成較大的影響。本次回訪的各個項目，均未按此要求設計施工，而是在裙房屋頂排放。

5 負荷分級

(1)根據(jù)GB 51348《民用建筑電氣設計標準》、GB 50052《供配電系統(tǒng)設計規(guī)范》等現(xiàn)行電氣設計規(guī)范，統(tǒng)計負荷分級情況如表7。

負荷分級情況統(tǒng)計表 表7

(2)根據(jù)超高層建筑特點，補充部分負荷分級，詳見表8。

超高層負荷分級 表8

6 變電所

超高層建筑用電容量大，供電距離長，業(yè)態(tài)比較多，需綜合考慮設置多個變電所。

6.1 變壓器不上樓及上樓方案的比較

變電所設置位置一般分兩種情況，上樓與不上樓的優(yōu)、缺點比對見表6。

(1)200m及以上的超高層建筑，一般在避難層、頂層設置變電所，分區(qū)進行供電，以減少供電距離。

(2)在200m 及以下的超高層建筑中，可不在避難層設置變電所，直接低壓配電即可，也可在避難層設置變電所，分區(qū)供電。

(3)本次回訪的各個項目，200m以下的項目均在避難層設置變電所，分區(qū)供電。

6.2 變壓器運輸方案

變壓器運輸上樓有以下幾種方案可選擇。

(1)利用貨梯運輸：此種運輸方式，對電氣專業(yè)最有利，對建筑結(jié)構(gòu)專業(yè)影響最小。但是需要設置專門的運輸電梯，提高造價及運行成本，需建設方認可。

(2)利用電梯井道運輸：此種運輸方式，需提前與建筑專業(yè)確定電梯井道，并預留結(jié)構(gòu)條件。建設方在電梯訂貨時需告知電梯廠商，按此要求供貨。此方案簡單可行，但是需協(xié)調(diào)好各方，做好前期預留工作。

(3)利用室外吊裝：利用屋頂或避難層，預留吊裝構(gòu)件，從室外吊裝變壓器。此種運輸方式，運輸過程中的晃動量不可控，容易損壞設備和外立面。不推薦此種運輸方式。

(4)變壓器拆裝運輸：變壓器先行拆卸，再通過電梯運輸上樓，再在樓上變電所組裝。此種運輸方式，變壓器設備在上樓后還需做各種測試，有些測試已無條件再做，帶來使用上的隱患。不推薦此種運輸方式。

(5)本次回訪，大部分項目未考慮變壓器上樓的運輸方式。此問題需引起設計院足夠的重視。變壓器上樓與不上樓的優(yōu)缺點對比詳見表9。

變壓器設置方案比較 表9

6.3 避難層變電所設置注意事項

(1)建筑專業(yè)的影響：設置在避難層的變電所，其外墻均為玻璃幕墻。但是考慮安全，可要求建筑再增加一道砌塊墻。

(2)結(jié)構(gòu)專業(yè)的影響：結(jié)構(gòu)專業(yè)可能在避難層設置桁架以加強結(jié)構(gòu)剛度。設計時需提前與結(jié)構(gòu)專業(yè)溝通，已確認結(jié)構(gòu)桁架對變電所的影響(可能對變壓器運輸也有影響)。

(3)規(guī)范的要求：變電所不應與住宅類功能的建筑貼鄰。

(4)設置在避難層變電所需考慮減震、降噪等措施，以減少對上、下層房間的影響?，F(xiàn)行的標準圖集對此問題沒有涉及，從回訪情況分析，也未進行處理。此問題需引起設計院足夠的重視。

6.4 充電樁變壓器設置需求

根據(jù)現(xiàn)在各地政府要求，需配置一定比例的電動汽車充電樁。由于超高層建筑停車數(shù)量比較大，故電動汽車充電樁的用電量也比較大，可根據(jù)需要及當?shù)毓╇姴块T要求設置專用變壓器。

7 配電干線

配電方案可根據(jù)工程實際情況，結(jié)合建筑用電負荷分布及業(yè)態(tài)管理要求靈活組合應用。

(1)建筑上部的用電負荷可從避難層變電所往上供電；建筑中部的負荷可從避難層變電所上供、下供或上下供；建筑底部的負荷由下部變電所往上供電。

(2)超高層建筑的低壓配電(主塔部分)一般為雙母線交叉供電。本次回訪的工程均采用此配電系統(tǒng)。

(3)地下車庫、裙房商業(yè)、塔樓辦公、酒店等歸屬不同的業(yè)態(tài)，需按業(yè)主方要求進行配電設計。

(4)一般屋頂設有電梯、直升機、插窗機等設備，配電時需進行電壓損失效驗。

(5)超高層建筑核心筒宜設置10kV電力電纜專用豎向井；250m及以上超高層建筑核心筒還需增設消防專用豎向井。

8 結(jié)束語

(1)超高層民用建筑中存在一級負荷中的特別重要負荷，變壓器裝機指標一般在80～110VA/m2，另需設置自備應急電源為一級負荷中的特別重要負荷提供備用電源。

(2)超高層建筑的正常電源數(shù)量不應少于兩個，各路電源應為不同路由的線路，宜采用專線由上級變電站或開關站放射式供電。電源電壓等級可以為10kV、20kV或35kV。

(3)超高層建筑的高壓供配電系統(tǒng)宜采用主配變電所——分配變電所結(jié)構(gòu)，主配變電所應采用單母線分段的主接線形式，采用放射式引至分配變電所。

(4)當建筑物高度低于200m時，宜采用低壓柴油發(fā)電機；當建筑物高度大于400m時，宜選用高壓柴油發(fā)電機。

(5)可在避難層、頂層設置分變電所，分變電所內(nèi)單臺變壓器容量不宜超過1 000kVA，最大不超過1 250kVA。