某超高層建筑供配電設(shè)計(jì)分析

陸健文

南京長(zhǎng)江都市建筑設(shè)計(jì)股份有限公司，江蘇 南京 210002

0 引言

根據(jù)《民用建筑設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50352—2019）的定義，建筑高度超過(guò)100 m，無(wú)論是住宅建筑還是公共建筑，均屬于超高層建筑。隨著超高層建筑高度的不斷增加，供配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也隨之復(fù)雜化，建筑高度增加對(duì)供配電系統(tǒng)的安全性、合理性提出了更加嚴(yán)格的要求[1-3]。

1 工程概況

案例工程位于南京市，為一棟建筑高度為500 m的超高層公共建筑。該建筑地下有4層，主要為地下車(chē)庫(kù)及相關(guān)設(shè)備用房；地上有102層，其中1～3層為商業(yè)裙房，4～80層為辦公用房，81～102層為酒店。該工程地下總建筑面積為57 530 m2，地上總建筑面積為269 868 m2，其中商業(yè)裙房36 543 m2，辦公室188 666 m2，酒店44659 m2。

2 負(fù)荷分級(jí)

（1）一級(jí)負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷：超高層公共建筑消防負(fù)荷，如消防水泵、消防電梯、防排煙及加壓風(fēng)機(jī)、應(yīng)急照明及疏散照明、消防控制室等；五星級(jí)酒店經(jīng)營(yíng)及設(shè)備管理用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)用電。

（2）一級(jí)負(fù)荷：超高層公共建筑的走道照明、排污泵、生活水泵、客體用電等；五星級(jí)酒店的宴會(huì)廳、廚房、餐廳、康樂(lè)設(shè)施、門(mén)廳及高級(jí)客房照明、弱電安保、通信機(jī)房、商業(yè)備用照明等。

（3）二級(jí)負(fù)荷：商業(yè)自動(dòng)扶梯、電影院、五星級(jí)酒店中除一級(jí)負(fù)荷外的其他用電、辦公特殊用電等。

（4）三級(jí)負(fù)荷：其他普通照明及普通動(dòng)力等。

3 供電電源

根據(jù)《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50052—2009）的要求，一級(jí)負(fù)荷應(yīng)由雙重電源供電，當(dāng)一個(gè)電源發(fā)生故障時(shí)，另一個(gè)電源可以發(fā)揮作用；一級(jí)負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷除應(yīng)由雙重電源供電外，還應(yīng)增設(shè)應(yīng)急電源。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，該項(xiàng)目所有用電設(shè)備的計(jì)算負(fù)荷為19 797.7 kW，其中一級(jí)負(fù)荷平時(shí)負(fù)荷（含一級(jí)負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷）為4 060.1 kW，一級(jí)負(fù)荷消防負(fù)荷（含一級(jí)負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷）為4 812 kW，二級(jí)負(fù)荷為2 853.3 kW，總裝機(jī)容量27 700 kVA。

當(dāng)?shù)毓╇姽疽?guī)定，用戶申請(qǐng)容量在8 000 kVA以下時(shí)，宜采用10 kV電壓供電；城鎮(zhèn)或高新技術(shù)（經(jīng)濟(jì)）開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)的用戶申請(qǐng)容量超過(guò)8 000 kVA，并且附近沒(méi)有35 kV供電條件時(shí)，可采用10 kV多回路供電。該項(xiàng)目周邊無(wú)35 kV電源，因此考慮采用多回路的10 kV線路供電。

為了保證供電的安全及可靠性，要求市政電源采用10 kV的專線供電，且對(duì)應(yīng)的雙重電源引自不同變電站的10 kV出線，其引入該建筑項(xiàng)目的通道亦應(yīng)選擇不同路徑，從而在源頭上最大限度地減少雙重電源同時(shí)故障的可能性。根據(jù)該項(xiàng)目負(fù)荷計(jì)算，選擇4回10 kV線路接入。

4 高低壓系統(tǒng)設(shè)置

4.1 高壓系統(tǒng)

建設(shè)單位要求，在任意一側(cè)電源失電的情況下，應(yīng)能保證整棟建筑的正常用電。在全部電源失電的情況下，應(yīng)能保證消防負(fù)荷、安保中心、公共照明、弱電機(jī)房、生活泵、酒店廚房、高端客房、酒店公區(qū)、電梯等的正常用電。為此，高壓系統(tǒng)采用單母線分段帶聯(lián)絡(luò)的接線方式。如前文所述，該項(xiàng)目采用4回10 kV線路供電，線路兩兩成對(duì)，每組成對(duì)線路來(lái)自2座不同的上級(jí)變電站，分別接入該項(xiàng)目1#、2#公共開(kāi)閉所，再由1#公共開(kāi)閉所不同母線段各新出1回10 kV線路，接入1#用戶中心站，由2#公共開(kāi)閉所不同母線段各新出2回10 kV線路，接入2#、3#用戶中心站，其中1#用戶中心站提供41層及以下樓層的辦公、商業(yè)及地庫(kù)用電，2#用戶中心站提供42層及以上樓層的辦公用電，3#用戶中心站提供酒店用電。

該項(xiàng)目辦公與酒店產(chǎn)權(quán)不同，因此選擇通過(guò)不同用戶中心站分別進(jìn)行高壓側(cè)計(jì)量。高壓系統(tǒng)考慮到在雙重電源中一側(cè)電源失電的情況下，應(yīng)滿足用戶的持續(xù)用電，因此在公共開(kāi)閉所及用戶高壓中心站內(nèi)，均考慮設(shè)置高壓聯(lián)絡(luò)，高壓聯(lián)絡(luò)配合高壓備用電源自動(dòng)投入裝置，可實(shí)現(xiàn)在一側(cè)電源失電的情況下，自動(dòng)切除失電側(cè)電源主進(jìn)線開(kāi)關(guān)，同時(shí)合上母聯(lián)開(kāi)關(guān)，以實(shí)現(xiàn)用戶的持續(xù)供電。

在部分避難層設(shè)置有變電所，為了保證供電的可靠性及安全性，由用戶中心站10 kV出線間隔，放射式的敷設(shè)10 kV電纜至變電所的高壓進(jìn)線柜，以減小10 kV出線間隔或線路故障所帶來(lái)的影響面。

同時(shí)，62層及以上設(shè)置的變電所中，在一半高壓柜中考慮設(shè)置高壓應(yīng)急電源的進(jìn)線位置，高壓柴發(fā)的10 kV出線接入變電所高壓應(yīng)急電源進(jìn)線柜，雙電源切換后提供變電所的應(yīng)急電源。市電與應(yīng)急電源采用不同管道井敷設(shè)，減小兩者同時(shí)損壞的概率。

4.2 變壓器的選擇

根據(jù)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，變壓器應(yīng)滿足所有消防負(fù)荷或非消防負(fù)荷中較大者，且其負(fù)載率不大于85%，并且在一路電源失電時(shí)，應(yīng)能保證所有二級(jí)及以上負(fù)荷的供電需求。為了減少超高層部分因變壓器故障帶來(lái)的停電范圍，并且考慮方便運(yùn)輸及減小載荷，設(shè)置在避難層的變壓器，容量不宜超過(guò)1 250 kVA。該項(xiàng)目變電所及變壓器配置情況如表1所示。

表1 變電所及變壓器配置情況表

4.3 低壓系統(tǒng)

低壓配電系統(tǒng)采用雙母線分段帶聯(lián)絡(luò)的接線方式，低壓系統(tǒng)采用進(jìn)線開(kāi)關(guān)、母聯(lián)開(kāi)關(guān)雙電源自動(dòng)切換，在一側(cè)電源失電的情況下，自動(dòng)將失電一側(cè)的進(jìn)線開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，合上母聯(lián)開(kāi)關(guān)，使得失電側(cè)低壓母線段與帶電母線段聯(lián)絡(luò)。

在62層以下的變電所，另設(shè)置一段應(yīng)急母線段，主要將需要柴油發(fā)電機(jī)作為應(yīng)急電源的負(fù)荷接至此處，正常供電時(shí)，其電源取自市電，在市電失電時(shí)，啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)，作為該母線段的應(yīng)急電源持續(xù)供電。

4.4 應(yīng)急電源系統(tǒng)

第一，柴油發(fā)電機(jī)。柴油發(fā)電機(jī)作為該項(xiàng)目主要的應(yīng)急電源，在市電均失電時(shí)，保證持續(xù)性的供電，為滿足消防電源的需求，柴油發(fā)電機(jī)最低工作時(shí)長(zhǎng)為3 h。

柴油發(fā)電機(jī)保證的負(fù)荷基本為消防負(fù)荷，包括消防泵、噴淋泵、排煙風(fēng)機(jī)、正壓風(fēng)機(jī)、防火卷簾、消防電梯、應(yīng)急照明、消防控制中心等，也包含酒店管理公司要求的額外負(fù)荷。柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)信號(hào)取自高壓進(jìn)線開(kāi)關(guān)，兩路市電同時(shí)失電的信號(hào)聯(lián)動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)，發(fā)電機(jī)組應(yīng)能在30 s內(nèi)實(shí)現(xiàn)正常供電。

該項(xiàng)目B4～62層需柴油發(fā)電機(jī)作為應(yīng)急電源的非消防負(fù)荷為3 404 kW，消防負(fù)荷為1 344 kW；63～102層需柴油發(fā)電機(jī)作為應(yīng)急電源的非消防負(fù)荷為2 894 kW，消防負(fù)荷為1 194 kW?？紤]外部電源全部失電的情況下，未發(fā)生火災(zāi)時(shí)，應(yīng)保證柴油發(fā)電機(jī)供電范圍內(nèi)非消防負(fù)荷及部分消防負(fù)荷（如消防控制室、消防電梯等）的正常使用；發(fā)生火災(zāi)時(shí)，應(yīng)保證柴油發(fā)電機(jī)供電范圍內(nèi)消防負(fù)荷及部分火災(zāi)時(shí)不切除的非消防負(fù)荷（如安保中心）的正常使用，再根據(jù)發(fā)生火災(zāi)和未發(fā)生火災(zāi)時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)所帶負(fù)荷的最大值選擇柴油發(fā)電機(jī)的容量。

綜合考慮上述條件后，該項(xiàng)目在地下一層分別設(shè)置1座高壓柴油發(fā)電機(jī)房和1座低壓柴油發(fā)電機(jī)房。高壓柴油發(fā)電機(jī)房設(shè)置1臺(tái)2 000 kVA高壓柴油發(fā)電機(jī)，提供63～ 102層的應(yīng)急電源；低壓柴油發(fā)電機(jī)房設(shè)置1臺(tái)2 000 kVA低壓柴油發(fā)電機(jī)，提供B4～62層的應(yīng)急電源。為了滿足高端客戶的更高供電要求，預(yù)留1臺(tái)1 000 kVA柴油發(fā)電機(jī)的設(shè)備位置。

第二，不間斷電源。各弱電系統(tǒng)、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)等分別隨設(shè)備配置了UPS不間斷電源。不間斷電源平時(shí)處于浮充狀態(tài)，在失電時(shí)不間斷對(duì)負(fù)荷供電。不間斷電源應(yīng)能保證在柴油發(fā)電機(jī)完成啟動(dòng)并正常輸出，以及系統(tǒng)切換至柴油發(fā)電機(jī)供電前，各弱電系統(tǒng)及消防報(bào)警系統(tǒng)的不間斷供電，考慮各不間斷電源的供電時(shí)間應(yīng)不低于15 min。

5 結(jié)束語(yǔ)

文章是筆者對(duì)超高層建筑供配電設(shè)計(jì)的一些經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，分析了超高層建筑供配電設(shè)計(jì)中的一些共同特點(diǎn)，在供配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、變電所的設(shè)置、變壓器容量的選擇、應(yīng)急電源系統(tǒng)的設(shè)置等方面進(jìn)行了著重分析。在考慮建設(shè)單位使用要求的同時(shí)，更要重視系統(tǒng)的安全性與合理性。同時(shí)，提供了超高層建筑供配電設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)遇到的一些共同問(wèn)題，并提供了相關(guān)解決方法或措施，希望能對(duì)今后的超高層建筑供配電設(shè)計(jì)起到一定的參考作用。