高層建筑供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

吳濤

（國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司黃岡供電公司，湖北黃岡 438000）

我國(guó)高層建筑的定義為十層或以上的建筑物，隨著建筑樓層的增加，電氣設(shè)備數(shù)量和用電住戶數(shù)量會(huì)增多，而且不同用戶的電氣設(shè)備功率、數(shù)量存在較大的差異，如果建筑電氣設(shè)計(jì)不合理，就會(huì)在正常使用過程中發(fā)生故障，影響建筑用電體驗(yàn)。所以在高層建筑設(shè)計(jì)中，電氣系統(tǒng)的安全防護(hù)能力也是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。因此，高層建筑低壓配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)以安全為基本原則，為建筑的正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供穩(wěn)定的電能供應(yīng)，推動(dòng)城市穩(wěn)定發(fā)展。

1 供配電系統(tǒng)的含義分析

眾所周知，在高層建筑當(dāng)中有著多種多樣的電氣設(shè)施，例如：給排水設(shè)施、防排煙設(shè)施、其他消防設(shè)施等。另外，高層建筑的使用功能之間存在著極大的差異，所以電功率也會(huì)有很大的不同，總體來說，高層建筑當(dāng)中所需要的功率極高極大。另外，高層建筑當(dāng)中的應(yīng)急用電都需要獨(dú)立的電源，所以供配電系統(tǒng)的運(yùn)行應(yīng)該與電力系統(tǒng)的總體要求相符合、相一致，只有這樣，才能確保高層建筑電氣工程在使用過程當(dāng)中的穩(wěn)定性與安全性。通過對(duì)于一些高層建筑供配電系統(tǒng)進(jìn)行仔細(xì)地研究之后發(fā)現(xiàn)，幾乎都會(huì)運(yùn)用功率單方向流動(dòng)的方法，也就是從供電端到用戶端的流動(dòng)方式，這樣做的好處就是能夠?qū)㈦娔苓M(jìn)行科學(xué)、合理的分配和進(jìn)行降壓，然后這些外部的電能就轉(zhuǎn)化成為用戶端可以直接運(yùn)用的電能[1]，圖1為防排煙空調(diào)機(jī)組。

2 設(shè)計(jì)高層建筑供配電系統(tǒng)時(shí)所需要遵循的原則

2.1 可靠的原則

在高層建筑物的供配電系統(tǒng)中，應(yīng)嚴(yán)格遵守安全性、可靠性等基本原理。在電力負(fù)載方面，第一個(gè)負(fù)載最為突出。在日常的生活中，一次負(fù)載主要是與火災(zāi)有關(guān)的滅火設(shè)備。另外，還有一臺(tái)升降機(jī)、一臺(tái)生活泵，與高層住宅使用者的日?；顒?dòng)息息相關(guān)。為了保證這些設(shè)備的正常運(yùn)行，一般情況下，大樓里都會(huì)有兩個(gè)電源，當(dāng)某一條線路出現(xiàn)問題時(shí)，另外一條線路就能保證第一條線路的正常運(yùn)行，圖2為高層建筑火災(zāi)起因。

圖2 高層建筑火災(zāi)起因

2.2 合理的原則

如果能合理地進(jìn)行電力供應(yīng)和分配，不僅可以節(jié)約電力，還可以為電力公司做出個(gè)正確的預(yù)測(cè)。對(duì)企業(yè)來說，對(duì)供電和分配進(jìn)行科學(xué)的規(guī)劃，可以為公司節(jié)省資金，提高效益[1]。在保證居民用電需要的前提下，盡量降低用戶與用戶之間的連接，同時(shí)根據(jù)電力設(shè)施的具體狀況進(jìn)行分配。如果電力供應(yīng)系統(tǒng)的線路數(shù)目過多，不僅會(huì)導(dǎo)致電力供應(yīng)單元的數(shù)量增多，而且還會(huì)導(dǎo)致電力供應(yīng)和分配系統(tǒng)的危險(xiǎn)。在分配線路不合理時(shí)，往往是由于分配系統(tǒng)不合理而造成的。所以，在高層建筑的供配電工程前期，要對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化，使其位于最靠近其負(fù)載的地方，圖3為供配電系統(tǒng)。

圖3 供配電系統(tǒng)

2.3 節(jié)能的原則

在高層建筑的供電和分配中，變壓器是一種很大的消耗能源，所以在選用變壓器的過程中，要充分考慮到電力消耗和投入。許多公司的終極目的都是獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益，因此在選用變壓器時(shí)要考慮到其壽命周期，這樣才能保證其合理性。一般來說，在選用變壓器的過程中要考慮到變壓器的最優(yōu)負(fù)荷和電力市場(chǎng)的實(shí)際需要，而實(shí)際上，由于變壓器的負(fù)荷一般都要大于真實(shí)的負(fù)荷，所以要保證其負(fù)載不超過85%，這樣就能保證電力使用的安全。

3 高層建筑電氣工程供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在的問題

3.1 斷路器的適用性問題

在高層建筑物的供電與分配中，斷路器的選擇是一個(gè)頗具爭(zhēng)議性的問題，一些設(shè)計(jì)者往往會(huì)選擇較高級(jí)的斷路器，因?yàn)樗麄兿嘈?，斷路器的性能?huì)直接影響到供電的安全性，從而保證用戶的供電需要。而在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)一種先進(jìn)的斷路器末端的短路電流產(chǎn)生時(shí)，會(huì)引起一系列的跳閘。另外，一般情況下，在選擇不選擇的情況下，仍然會(huì)有很多的選擇。當(dāng)居民居住小區(qū)的能耗偏低時(shí)，往往會(huì)造成大量的無選擇設(shè)備，造成資源的浪費(fèi)，進(jìn)而增加了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)費(fèi)用。另外，還會(huì)出現(xiàn)一些共同的問題，那就是因?yàn)橄乱患?jí)的開關(guān)設(shè)備所選用的參數(shù)比上面的過電流跳閘設(shè)定的更高，從而導(dǎo)致了該選擇性器件的故障。在線路工作中，若出現(xiàn)了故障，使線路中斷，將導(dǎo)致重大的安全事件，造成巨大的財(cái)產(chǎn)損失[2]。

3.2 回路設(shè)計(jì)問題

從現(xiàn)有的多棟高層建筑物的配電網(wǎng)設(shè)計(jì)中，很難引起人們的重視。一些設(shè)計(jì)師將會(huì)削減，或者干脆不去做循環(huán)。從而造成電線截面小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在過載工況下使用，從而造成電線外殼的絕緣性能下降，從而造成電器的工作溫度上升，對(duì)住宅電器造成一定的損害。若環(huán)故障等未引起足夠的關(guān)注，將對(duì)今后的應(yīng)用造成很大的威脅。

4 高層建筑電氣工程供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 做好高壓配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作

當(dāng)前，由于高層建筑對(duì)電力設(shè)備的要求越來越高，因此要加強(qiáng)電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作，才能保證其正常使用。目前的高層建筑中，大部分都是采用了大量的能源，因此采用的都是10kV的電源，兩個(gè)電源一起提供，可以保證工程的正常運(yùn)行。在高層建筑的電氣工程中，高壓配電網(wǎng)是一個(gè)十分關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，它能夠保證整個(gè)電網(wǎng)的穩(wěn)定，一般的高壓配電網(wǎng)都是采用一條母線，在使用的過程中，這些電纜可以進(jìn)行自動(dòng)的轉(zhuǎn)換，同時(shí)也可以作為一個(gè)后備裝置來提供電能，保證電力的安全，同時(shí)也保證了高樓的供電。母線基本分為幾個(gè)部分，并能與供電進(jìn)線回路相配合。

4.2 做好低壓配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作

在高層建筑的電力工程中，低壓配電網(wǎng)也是十分關(guān)鍵的一環(huán)，它能提高大樓的綜合利用效率。只有在實(shí)際應(yīng)用的時(shí)候，一定要采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)，讓其更能充分地利用，避免不必要的損耗。在對(duì)高層建筑的低壓配電網(wǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意對(duì)其進(jìn)行接地防護(hù)，采取接地保護(hù)，既能保證供電線路的供電電壓，又能減少發(fā)生事故的概率。因此，對(duì)高層建筑的供電和供電系統(tǒng)進(jìn)行綜合的規(guī)劃是非常必要的，特別是在漏電保護(hù)方面，采用漏電開關(guān)可以降低漏電事故的發(fā)生，提高了高層建筑的使用效率，提高了電網(wǎng)的可靠性。

4.3 選擇供配電系統(tǒng)中的導(dǎo)線

電線是電力輸送的基本設(shè)備，也是電力傳輸?shù)年P(guān)鍵。所以，在進(jìn)行線路的設(shè)計(jì)時(shí)，一定要選用適當(dāng)?shù)木€材，以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)行要求，從而達(dá)到合理的線路布置要求[4]。因此，在選用電線的過程中，電線的材質(zhì)是一個(gè)很關(guān)鍵的因素，如果電線的長(zhǎng)度越短，則造價(jià)就會(huì)降低，并且在滿足用戶的需要時(shí)，盡量縮短電線的長(zhǎng)度，降低電力消耗，達(dá)到節(jié)約能源的目的。

4.4 設(shè)置供配電系統(tǒng)的配電箱

低壓配電裝置的組成主要有開關(guān)設(shè)備、保護(hù)電器還有測(cè)量?jī)x表等，通常都是把這些設(shè)備安裝到金屬柜上面，而且金屬柜基本是封閉式的。一般來講，這種設(shè)備都是裝在一個(gè)金屬箱里面的。而低壓配電設(shè)備在正常工作的情況下，可以通過人工和自動(dòng)切換添加的方式進(jìn)行接線和斷線，一旦線路發(fā)生故障，就可以將線路給斷掉，避免發(fā)生意外。另外，還必須要有一種儀器，可以實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)到電廠和配電站的工作狀態(tài)，將這些數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如果有太大的誤差，那么就必須要發(fā)出警報(bào)，然后找到問題，然后進(jìn)行處理，才能防止災(zāi)難的出現(xiàn)。另外，在照明配電盒內(nèi)的環(huán)路的分布上，有一些需求是必需的。首先，要保證各個(gè)單元的電源輸出是獨(dú)立的。其次，為了滿足空調(diào)回路的需求，需要分別設(shè)計(jì)一套獨(dú)立的空調(diào)回路，而在廚房和浴室等地方，一般都要有獨(dú)立的回路。最后，為了防止發(fā)生意外，必須安裝與之對(duì)應(yīng)的泄漏安全開關(guān)。

4.5 消防系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)

為了確保電力供應(yīng)的安全，電力設(shè)備的安全起到了關(guān)鍵的作用，因此，電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須引起設(shè)計(jì)者的足夠的關(guān)注，并在確保電力供應(yīng)的前提下，進(jìn)行電力供應(yīng)的優(yōu)化，以提高電力的安全性和可靠性。因此，在高層建筑物中，防火門的電氣設(shè)計(jì)應(yīng)包含自動(dòng)滅火、滅火裝置聯(lián)動(dòng)、自動(dòng)切斷電源等。所以，在進(jìn)行消防系統(tǒng)的電氣設(shè)計(jì)中，必須依據(jù)建筑物的構(gòu)造和電力供應(yīng)狀況，設(shè)定電力供應(yīng)和電力供應(yīng)，以確保一旦發(fā)生電力故障，立即發(fā)出警報(bào)，切斷電力，以保障消防設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，從而有效地控制建筑火災(zāi)險(xiǎn)情，保證建筑物的安全。

4.6 照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

照明系統(tǒng)是建筑中直接影響用戶日常生活的重要系統(tǒng)，因此在對(duì)高層住宅的采光系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃時(shí)，必須參考相關(guān)的規(guī)范，根據(jù)室內(nèi)構(gòu)造對(duì)采光的要求，對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的調(diào)節(jié)，確保其運(yùn)行的安全和方便。在高層建筑中，泛光的燈光效果也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生一定的影響。

4.7 確定負(fù)荷的等級(jí)以及負(fù)荷容量的計(jì)算

在進(jìn)行載荷分級(jí)時(shí)，應(yīng)按照有關(guān)法規(guī)和具體條件進(jìn)行。通常，對(duì)于高層建筑來說，其負(fù)載水平可以分為：消防設(shè)備、生活泵房、客梯、安全設(shè)施、主要通道以及樓梯間的燈光。在高層建筑的電力消費(fèi)總量中，以居民為主體。所以，居民家庭的負(fù)荷核算，與選擇變壓器和工程用電量的計(jì)劃有密切的聯(lián)系。所以，在規(guī)劃中，既要依據(jù)有關(guān)法規(guī)，又要考慮到高層建筑的特殊條件，才能做出最經(jīng)濟(jì)、最合理的選擇。在選取系數(shù)時(shí)，若選取過大，將導(dǎo)致變壓器的容量選取較大，增加了費(fèi)用，導(dǎo)致了能源的消耗。如果選用因子太低，則極易造成電力負(fù)荷超負(fù)荷，給電力系統(tǒng)帶來安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也會(huì)縮短電力設(shè)備的使用年限。

4.8 合理選擇接觸器

在分配方案的設(shè)計(jì)上，人們常常把重點(diǎn)放在了對(duì)斷路器的選取上，而對(duì)接觸器的需求卻很少考慮，因?yàn)榻佑|器是配電網(wǎng)中最關(guān)鍵的一種功能的接觸器，它的選取要考慮到其具體的復(fù)雜性以及具體的應(yīng)用場(chǎng)合。在使用觸點(diǎn)進(jìn)行低負(fù)荷電機(jī)的防護(hù)時(shí)，必須確保其在接觸面上的電壓不能低于所需的斷開電壓。觸點(diǎn)的主要觸點(diǎn)必須比電機(jī)的標(biāo)稱或?qū)Ь€的設(shè)計(jì)值要高，并且要有足夠的空間，并且要把接觸器的工作時(shí)間也要包括在長(zhǎng)時(shí)間的工作時(shí)間內(nèi)。在使用接觸機(jī)時(shí)，所選用的接觸點(diǎn)的電流不得超過90%的電力裝置（導(dǎo)線）。采用鎢絲光源和帶電容器進(jìn)行電容器時(shí)，要注意其導(dǎo)通電流。在不同的溫度、濕度、振動(dòng)、粉塵、化學(xué)腐蝕等條件下，應(yīng)根據(jù)不同的工作條件選擇不同的接觸方式。

4.9 應(yīng)急發(fā)電機(jī)組供電系統(tǒng)

在進(jìn)行高層建筑的供、配電網(wǎng)的規(guī)劃時(shí)，必須配備備用電源。緊急電源應(yīng)該具有迅速和可靠的自起動(dòng)能力，在電源被切斷15～30s后，可以重新開始工作。這就確保了高層建筑的電力供應(yīng)可靠。我國(guó)目前的高壓電源多為10kV，主要是單母線，單母線系統(tǒng)設(shè)備少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資少，經(jīng)濟(jì)性能好，深受高層建筑和工業(yè)單位的青睞。

4.10 接地保護(hù)系統(tǒng)

目前較為常見的系統(tǒng)接地方式分為IT系統(tǒng)、TT系統(tǒng)和TN系統(tǒng)，其中又分為TN-C，TN-C-S和TN-S系統(tǒng)。在施工現(xiàn)場(chǎng)，為了防止施工單位的不正確或施工單位的工作，必須統(tǒng)一施工控制方式，盡量保持接線過程和工作程序，并根據(jù)接地規(guī)范和特殊要求，采取措施措施，降低施工工程項(xiàng)目安全隱患的發(fā)生。

IT設(shè)備，在變壓器的中性點(diǎn)處未接地，而外部的導(dǎo)體部分為接地。該技術(shù)系統(tǒng)適用于醫(yī)療、醫(yī)療等高可靠性場(chǎng)合，不適用于住宅小區(qū)等樓宇；TT從電力供應(yīng)站的中性點(diǎn)引出N條電纜，但PE電纜均為單獨(dú)的地線，不會(huì)產(chǎn)生短路，因此不能作為接地保護(hù)，而應(yīng)該選擇余流保護(hù)，一般用于農(nóng)村電網(wǎng)，不適用于建筑物電力。

TN-C體系中的零點(diǎn)N與保護(hù)地PE是一體的，也就是說，PEN只有一條線路，而且有電流經(jīng)過，所以可以在TN-C輸入端PEN線路上反復(fù)地接，然后將PE和N分離，從而形成TN-C-S體系。TN-C-S系統(tǒng)既能滿足常規(guī)PE的要求，同時(shí)也能很好地克服PEN的缺點(diǎn)。在老式樓房中，采用了這樣的保護(hù)性接地方式，因?yàn)殡娏M(jìn)入之前的PEN導(dǎo)線，會(huì)產(chǎn)生一定的電力擾動(dòng)。

TN-S體系的零線N與PE（PE）在變電站的一個(gè)點(diǎn)上接地，當(dāng)電力回路后PE和N被分離，沒有線路的電線路。PE接頭的金屬殼體，在常規(guī)情況下不會(huì)產(chǎn)生任何的電流，安全可靠，抗干擾能力很好。該接地系統(tǒng)雖然成本略高于其他方法，但是它的安全性和可靠性是當(dāng)前工程中常用的一種。

5 結(jié)語

由于高樓大廈的電力設(shè)備種類多，線路復(fù)雜，因此其在工程建設(shè)中的應(yīng)用非常困難，因此要對(duì)其進(jìn)行充分的分析才能保證其在工程應(yīng)用中的安全。若不能正確地進(jìn)行配電網(wǎng)的規(guī)劃，將會(huì)造成電力設(shè)備的失效，造成電力系統(tǒng)的運(yùn)行中斷。所以，在進(jìn)行高層建筑的供配電系統(tǒng)的規(guī)劃時(shí)，應(yīng)充分考慮各種因素，對(duì)其進(jìn)行合理的優(yōu)化，以達(dá)到節(jié)能、穩(wěn)定、高效的目的。