淺議高層建筑供配電系統(tǒng)的設計

尹承民

為滿足城市化進程不斷推進的要求，我國建筑正向著高層化和超高層化的方向發(fā)展，雖然高層建筑能夠解決城市用電緊張、人口劇增的要求，但也存在著安全、交通、環(huán)境、能源消耗等多種難以有效解決的問題，建筑工程高度越大，則安全性、耐久性、舒適性方面存在的問題就越多，尤其是供配電系統(tǒng)，幾乎涉及高層建筑每個角落，對設計質(zhì)量有極高的要求，任何一個環(huán)節(jié)控制不當，都會影響高層建筑使用性能，甚至引發(fā)安全事故?；诖耍_展高層建筑供配電系統(tǒng)的設計分析研究尤為必要[1]。

1.工程概述

某高層建筑，共26 層，建筑高度為84.2m，其中地上總建筑面積為2.62萬m2，地下建筑面積為3.12 萬m2，地下1 層為停車場，地上1 層～5 層為商業(yè)功能區(qū)，6 層～12 層為人員避難層，13 層～26 層為多功能數(shù)字化辦公樓層，不同樓層的結(jié)構(gòu)用途不相同，對供配電系統(tǒng)的要求也不相同，對高層建筑供配電系統(tǒng)設計有很高的要求。

2.高層建筑供配電系統(tǒng)的特點

和傳統(tǒng)多層建筑的供配電系統(tǒng)相比，高層建筑供配電系統(tǒng)具有如下特點：

（1）建筑體量比較大，其用電量大，供電半徑長。

（2）建筑功能多樣化，高層建筑供配電系統(tǒng)的設計需要同時滿足不同功能區(qū)的不同要求，設計難度比較大。

（3）高層建筑供配電系統(tǒng)至少需要2 路市政獨立電源。

（4）為保證高層建筑對電力持續(xù)、安全、穩(wěn)定的需求，需要設置多個變電所。

（5）需要考慮備用電源、應急電源的設置。

3.高層建筑供配電系統(tǒng)的設計要點

3.1 供電系統(tǒng)設計要點

3.1.1 負荷等級設計

案例工程供電負荷比較大，為保證供電的穩(wěn)定性，在供電系統(tǒng)設計之前，需要對用電負荷進行限制分級，做到該保的必須保，該停的必須停，遵循“區(qū)別對待”的設計原則，既要保證供電的合理性，又要避免電力資源無故浪費。高層建筑供電系統(tǒng)負荷等級包括：一類高層建筑中的消防用電需要按照一級負荷要求進行供電；二類消防用電則需要按照二級符合要求進行供電。如果高層建筑中有一級負荷特別重要時，影響供電系統(tǒng)運行的空調(diào)用電需要按照一級負荷進行供電。而如果主體建筑中有很多一級負荷時，影響供電系統(tǒng)運行的空調(diào)用電要設計成二級負荷[2]。

3.1.2 計算供電負荷

在建筑供電系統(tǒng)設計中，為更好地確定供電等級、供電方式、供電設備等，需要做好供電負荷計算工作。我國不同地區(qū)，溫差比較大，建筑形式及結(jié)構(gòu)也存在一定的差別，不能按照統(tǒng)一的標準來計算供電負荷。就案例工程而言，不同樓層的使用功能存在較大區(qū)別，用電設備也不相同，很多高能耗電器被廣泛應用到建筑工程中，用電需求量非常大，而且呈現(xiàn)不斷上升的趨勢，為滿足后期用電需求，在本工程供電系統(tǒng)設計中，按照樓層高低和建筑面積的不同，合理制定衡量標準計算負荷，取得了良好效果。

3.1.3 變壓器布置和選型

在變壓器布置設計中，需要根據(jù)負荷容量、負荷分布、建筑物功能分區(qū)等實際情況，合理確定變壓器的布設位置和數(shù)量。變壓器容量則要按照計算容量合理選擇，目前我國變壓器的運行負荷率在70%～85%之間。低壓線路上的供電半徑通常不應超過200m。如果供電容量大于500kW,供電距離也超過200m，就需要在適當?shù)奈恢貌荚O變配電所，盡量靠近負荷中心，以提升供電系統(tǒng)運行的安全性、穩(wěn)定性以及節(jié)能效果。本工程對供電的穩(wěn)定性要求比較高，因此，在地下一層設置變配電所，通過地下停車庫和車道來運輸變配電設備。在選擇變壓器時，需要綜合考慮各種因素，按照不同樓層的用電需求，合理確定變壓器的單機容量和臺數(shù)。本工程按照空調(diào)設備的分組來設置專用的變壓器，此種設計方法，能夠?qū)崿F(xiàn)按照空調(diào)機組的投切來投切相應的變壓器，具有良好的節(jié)能效果和經(jīng)濟效益。

3.1.4 供電電源和電壓設計

在高層建筑供電系統(tǒng)設計中，為保證供電系統(tǒng)運行的安全性、合理性、可靠性等，需要結(jié)合供電系統(tǒng)的負荷等級，選擇合理的供電措施，所選擇的供電電源必須滿足設計規(guī)范的要求。案例工程并沒有特備重要的負荷，一級負荷的容量也比較小。選擇兩路市政電源，或者一路市政電源聯(lián)合應急發(fā)電機組，都可以滿足持續(xù)供電的需求。供電電源可選擇一路獨立的10kV 高壓電源，通過附加市政變配電站引入開關層，低壓配電電壓要選擇380V 或者220V。同時還要設置一套柴油發(fā)電機組，以保證消防用電的需求，提升建筑工程消防水平。

3.2 配電系統(tǒng)設計要點

當供電電壓為380V/220V 時，接地系統(tǒng)多采用TN-S 系統(tǒng)，如果高層建筑為一棟獨立的建筑，電源通過其他建筑引進來的，則接地系統(tǒng)可選擇TN-C-S 系統(tǒng)。

高層建筑低壓配電系統(tǒng)有兩種可供選擇，一種是樹干式的低壓配電系統(tǒng)，另一種是放射式混合配電系統(tǒng)。比如：地下室負荷通常比較大，低壓配電房可選擇放射式配電系統(tǒng)。而從低壓配電房到建筑工程地上部分配電箱，可選擇樹干式配電系統(tǒng)。針對那些大容量干線，則要選擇封閉式母線槽，小容量干線則可以選擇銅芯塑料電纜。垂直的部分，可順著電纜井進行布設，而水平部分，則需要采用金屬橋架或者金屬線槽進行敷設，以降低配電系統(tǒng)的成本，獲得更大的經(jīng)濟效益。高層建筑的動力系統(tǒng)、照明系統(tǒng)可通過低壓配電柜的電源母線來供電，而高層建筑中的火災應急照明系統(tǒng)、消防電梯、消防水泵等，可選擇雙回路供電，但需要在線路末端配電箱中設置自動切換系統(tǒng)，以達到自投自復的設計效果[3]。

3.3 接地系統(tǒng)和等電位聯(lián)結(jié)系統(tǒng)設計

本工程供電選擇了市政公用變壓器供電，因此，接地系統(tǒng)要設計成TT 接地系統(tǒng)，并設置專用的保護線，以保證接地的可靠性和安全性。高層建筑供配電系統(tǒng)中等電位聯(lián)結(jié)系統(tǒng)是設計的重點，其主要作用是降低接觸電壓，避免發(fā)生觸電事故，保證人員安全。在《低壓配電設計規(guī)范》中明確規(guī)定，在高層建筑供配電系統(tǒng)接地故障保護設計中，需要在高層建筑內(nèi)部設計總等電位聯(lián)結(jié)。如果受到條件的限制，電氣裝置的接地故障保護難以滿足實際需求，需要在局部范圍內(nèi)，設置局部等電位聯(lián)結(jié)，以保證用電的安全性[4]。

3.4 供配電系統(tǒng)的節(jié)能設計

電能是現(xiàn)代化社會持續(xù)發(fā)展的主要因素，加強高層建筑供配電系統(tǒng)節(jié)能設計具有長遠的意義。高層建筑供配電系統(tǒng)在運行中，會形成大量的電能損耗，如果不重視節(jié)能設計，會導致大量電能被無故浪費，在節(jié)能設計時需要高度重視以下幾個方面：

（1）如果采用10kV 電壓等級供電，則變配電所的布設位置，要盡量靠近負荷中心，并按照“兩點之間線段最短”的原則選擇配電路徑，盡量縮短線路距離，減少線路上的電能損耗。

（2）大量研究和實例表明，當變壓器的負載率在50%～60%時，變壓器的有功功率損耗達到最低值，但如果負載過高，需要設置多臺變壓器來滿足供電需求，增大初始投資量，在短時間內(nèi)，難以通過節(jié)能的方法收回投資費用。在案例工程供配電設計中，選擇了低損耗節(jié)能型干式變壓器，有效降低變壓器運行中的空載損耗，將變壓器的負載率控制在70%～85%之間，運行最經(jīng)濟合理[5]。

（3）案例工程空調(diào)負荷屬于季節(jié)性負荷，而且容量比較大，為滿足實際運行需求，需要設置獨立的空調(diào)專用變壓器，在春季、秋季氣溫適宜，可停止運行，提升節(jié)能效果。

3.5 抑制諧波設計

高層建筑供配電系統(tǒng)中，諧波源包括：換流設備、鐵芯設備、照明設備、空調(diào)等非線性電氣設備。諧波對這個供配電系統(tǒng)造成的危害比較大，比如：諧波會降低電動機的效率，提升發(fā)熱量，縮短使用壽命。此外，諧波還會對電子設備、繼電保護以及通信線路等造成不同程度的影響。

為抑制諧波問題，在案例工程供配電系統(tǒng)設計中，采取了如下措施：（1）采用接線組別為D，yn11 變壓器，能夠很好地抑制供配電系統(tǒng)中的3n 次諧波電流；（2）在變壓器低壓側(cè)設置有源電力濾波器，以消除電網(wǎng)中的諧波，而且還能起到節(jié)能、降耗的目的；（3）采用靜止無功發(fā)生器，以提升功率因數(shù)，以便更好地克服三相不平衡，消除電壓閃變以及電壓波動，合理解決諧波污染問題。

4.結(jié)束語

綜上所述，本文采用工程實例，結(jié)合理論和實踐的實際，分析了高層建筑供配電系統(tǒng)的設計，結(jié)果表明，高層建筑供配電系統(tǒng)設計具有很強的復雜性和技術性，影響因素比較多，為保證設計效果，需要結(jié)合工程特性，分別設計供電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)，從細節(jié)入手，保證每個環(huán)節(jié)的設計都符合高層建筑用電安全、用電穩(wěn)定可靠的需求。