超高層建筑電氣設(shè)計分析

天津企宏騰科技有限責(zé)任公司 王升義

1 超高層電氣設(shè)計特征

1.1 需滿足更多用電需求

相比于普通層高建筑超高層建筑（總高度超過100m的建筑）承載著更多功能，其中大部分功能都需電力作為支撐。如垂直交通系統(tǒng)（即電梯系統(tǒng)），由于超高層層數(shù)較多、用戶數(shù)量較大，垂直交通系統(tǒng)的承載量也就相應(yīng)增大，用電負荷也即增多。再者超高層建筑也存在許多特殊的用電需求，諸如建筑消防系統(tǒng)。當超高層建筑發(fā)生火災(zāi)時高層住戶無法迅速逃離，因此為了保證安全，超高層建筑須依據(jù)國家規(guī)范要求設(shè)置消防系統(tǒng)，而消防系統(tǒng)中存在許多用電設(shè)備，如消防水泵、消防風(fēng)機、防火卷簾、電動防火閥等。

電氣系統(tǒng)中的火災(zāi)自動報警系統(tǒng)也是建筑消防系統(tǒng)的重要組成部分。其中煙感、溫感、火焰探測器等探測設(shè)備，時刻探測、監(jiān)控建筑物內(nèi)各個區(qū)域的實時狀態(tài)，為建筑安全保駕護航；消防聯(lián)動控制系統(tǒng)將建筑物內(nèi)所有消防設(shè)備全部聯(lián)動控制，通過計算機程序控制設(shè)備的啟動、停止，并且可通過系統(tǒng)編程實現(xiàn)更復(fù)雜的控制邏輯，以滿足建筑消防系統(tǒng)中各個設(shè)備各種繁瑣的運行要求，因此消防系統(tǒng)與建筑電氣設(shè)計密不可分。另外，超高層建筑也包含普通建筑的所有用電需求，如照明、動力、電子系統(tǒng)等設(shè)備，因此總體上超高層建筑用電類目繁多，電氣設(shè)計需滿足大量用電需求，具有一定難度[1]。

1.2 必須保障供電穩(wěn)定性

因為超高層建筑高度太高、供電線程較長，且供電線路長度與電阻高低呈正比關(guān)系，因此線路越長則電阻越高，造成供電線路的電壓降損失越大，從而影響供電質(zhì)量，無法保證供電穩(wěn)定性。同時從用電量及配電形式的角度來看，超高層建筑的容納空間較大，內(nèi)部住戶數(shù)量更多，因此需更大供電容量、更多供電回路，因此會產(chǎn)生更復(fù)雜的供配電形式。電氣系統(tǒng)中用電設(shè)備過多、設(shè)備容量過大，都會對供電穩(wěn)定性帶來影響，甚至?xí)斐蓢乐仉[患。由此可見，超高層建筑電氣設(shè)計需要盡可能提高供電穩(wěn)定性，并且予以一定的保障。

值得注意的是，超高層建筑供電穩(wěn)定性除了取決于設(shè)計階段以外，還與后期的維護、保護有關(guān)。前期設(shè)計中如未考慮后期維護、保護需要，可能導(dǎo)致電氣設(shè)備經(jīng)常出現(xiàn)故障、壽命減短，或不利于后期維護工作展開，使得維護不到位，設(shè)備也容易出現(xiàn)故障，這些現(xiàn)象自然導(dǎo)致供電穩(wěn)定性變差，甚至還會引發(fā)一些電力事故，威脅住戶安全，因此超高層建筑電氣設(shè)計必須保障設(shè)計穩(wěn)定性[2]。

2 電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、設(shè)計要點

2.1 基本結(jié)構(gòu)

因為不同超高層建筑的電氣需求存在差異，所以電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也有一些區(qū)別，但這些差異主要體現(xiàn)在應(yīng)用功能方面，系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)相同。結(jié)合以往經(jīng)驗，超高層建筑電氣系統(tǒng)主要由10/0.4kV變配電系統(tǒng)、低壓配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、防雷接地系統(tǒng)等組成，具體內(nèi)容如下。

10/0.4kV變配電系統(tǒng)。其為建筑電氣系統(tǒng)的核心、供配電系統(tǒng)的源頭。包括建筑供電負荷分級、供電電源、變配電所設(shè)置、建筑負荷容量計算、繼電保護裝置、操作電源及信號、電能計量、功率因數(shù)節(jié)能補償、諧波治理、低壓保護裝置、電力監(jiān)控系統(tǒng)、配電線路等內(nèi)容；低壓配電系統(tǒng)。是電氣系統(tǒng)的重要組成部分，它將電能從變配電室輸送至建筑內(nèi)各區(qū)域，以構(gòu)成龐大的配電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。低壓系統(tǒng)以滿足供電可靠性、靈活性、安全、檢修方便以及減少損耗等原則進行設(shè)計。通常自變電所饋線柜低壓出線至用電設(shè)備間的低壓配電級數(shù)不超過三級。

照明系統(tǒng)。包括室內(nèi)外照明、插座，以及部分小動力設(shè)備，是直接面對用戶的末端設(shè)備，這些設(shè)備自身容量雖然不高，但數(shù)量眾多，覆蓋面極廣。因此，照明系統(tǒng)是否正常決定了超高層建筑的功能服務(wù)以及用戶體驗。

防雷接地系統(tǒng)。出于供電穩(wěn)定性與用電安全考慮，超高層建筑設(shè)計中需要做好防雷接地系統(tǒng)。自然環(huán)境中的雷電對建筑電氣系統(tǒng)有較大影響，尤其是超高層建筑，其受雷電影響的概率、影響力度遠超普通城改建筑，若受到影響電氣系統(tǒng)的供電就會出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，如短路、設(shè)備損壞等。接地系統(tǒng)是建筑內(nèi)保證人身安全的重要措施，電氣設(shè)備以及可導(dǎo)電金屬物體沒有做好接地保護，不僅會造成人員觸電的危險，還會產(chǎn)生電氣火災(zāi)的隱患。因此，做好防雷接地系統(tǒng)設(shè)計，不僅能夠為其他系統(tǒng)提供保護，還可提高供電穩(wěn)定性、用電安全性[3]。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計要點

出于電設(shè)計整體考慮，各個系統(tǒng)都不能出現(xiàn)問題，因此設(shè)計人員要了解各系統(tǒng)的設(shè)計要點，具體內(nèi)容如下。

2.2.1 10/0.4kV變配電系統(tǒng)設(shè)計要點

按照國家規(guī)范要求，超高層建筑為一類高層民用建筑，供電負荷等級為一級。需要由雙重電源供電，并且當一電源發(fā)生故障時，另一電源不應(yīng)同時受到損壞。

超高層建筑一般在建筑地下層或首層設(shè)置變配電室，由市政引來兩路或多路（偶數(shù)）10kV高壓電源，通過變壓器變?yōu)?.4kV低壓電源，供給樓內(nèi)各個用電設(shè)備。由于變配電室的位置直接影響配電線路的供電半徑，所以從經(jīng)濟性、節(jié)能性的角度考慮，變配電室選址尤為重要。另外如果建筑高度超過200m，就需在中間層增設(shè)變配電室，以縮短供電半徑，減少電壓、電能損耗。

因為超高層建筑形式特殊，用電需求要求較高，因此有部分用電設(shè)備需要應(yīng)急電源作為第三路備用電源,包括自備柴油發(fā)電機組、EPS應(yīng)急電源、UPS不間斷電源。柴油發(fā)電機組：有部分超高層建筑（如國際高級酒店、醫(yī)院、國家級會展中心、金融中心、超豪華寫字樓等）由于供電級別較高，建筑內(nèi)存在一些重要負荷（消防負荷、安防系統(tǒng)、安全系統(tǒng)用電等），按照國家規(guī)范（民用建筑電氣設(shè)計標椎GB 51348-2019）要求，此部分重要負荷需要第三路供電電源作為備用，于是自備發(fā)電機組因此產(chǎn)生；EPS應(yīng)急電源：應(yīng)急照明一般采用雙互投電源（ATS）在末端切換，但（ATS）互投開關(guān)在動作時需要一定切換時間，不能滿足應(yīng)急照明持續(xù)點亮的要求，所以需要設(shè)置EPS應(yīng)急電源，以補足切換時間的不足；UPS不間斷電源：計算機運營管理、金融服務(wù)、安防等系統(tǒng)需要服務(wù)器持久在線，電源不能間斷。但電氣轉(zhuǎn)換開關(guān)需要轉(zhuǎn)換時間，無法滿足持續(xù)不間斷的供電要求，因此需要設(shè)置UPS不間斷電源，作為市政電源故障時計算機服務(wù)器持久在線的電源支持。

高、低壓供電系統(tǒng)結(jié)線型式及運行方式一般采用以下形式：高壓為單母線分段運行方式，中間設(shè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)，平時兩路電源同時分列運行，互為熱備用，當一路電源故障時，通過手動操作聯(lián)絡(luò)開關(guān)，由另一路電源負擔(dān)全部二級及以上重要負荷。高壓主進開關(guān)與聯(lián)絡(luò)開關(guān)之間設(shè)電氣連鎖，任何情況下只能合其中的兩個開關(guān)；低壓為單母線分段運行，聯(lián)絡(luò)開關(guān)設(shè)自投自復(fù)/自投不自復(fù)/手動轉(zhuǎn)換開關(guān)，確保后期管理時能夠手動操作。自投時應(yīng)自動斷開非保證負荷，以保證變壓器正常運行。低壓主進線開關(guān)與聯(lián)絡(luò)開關(guān)之間設(shè)電氣連鎖，任何情況下只能合其中的兩個開關(guān)。

10kV繼電保護采用綜合繼電保護器實現(xiàn)三相定時限過流保護、電流速斷保護、零序保護；變壓器10kV側(cè)設(shè)置單相接地信號裝置、兩段溫度保護及信號裝置。高壓斷路器采用真空斷路器，操作電源采用直流電源。低壓斷路器操作電源采用交流電源，分段能力需滿足規(guī)范要求。

2.2.2 低壓配電系統(tǒng)要點

低壓配電系統(tǒng)采用放射式或樹干式供電，對于單臺容量較大的負荷或重要負荷采用放射式供電，對于照明及一般負荷采用樹干式與放射式相結(jié)合的供電方式，對于消防電梯、消防泵、噴淋泵、應(yīng)急照明及防排煙風(fēng)機等消防負荷及變配電室及安保等一類負荷用電設(shè)備的供電，采用雙電源送至各用電點進行末端自動切換，以保證供電的可靠性。其中計算機管理系統(tǒng)、電話通信、安防系統(tǒng)負荷為一類負荷中的特別重要負荷，采用雙電源送至各用電點進行末端自動切換，并設(shè)有應(yīng)急電源系統(tǒng)作為后備電源。其余的重要負荷如非消防部分的生活水泵、排水泵等也采用雙電源末端或適當位置自動切換供電。地上應(yīng)急照明、走廊一般照明等負荷采用電纜T接的樹干式配電方式。

所有非消防用電設(shè)備及非消防照明其供電主開關(guān)均須設(shè)置分勵脫扣器以能在火警發(fā)生時切斷非應(yīng)急負荷。發(fā)電機供電的非消防重要設(shè)備負荷在火災(zāi)時自動強切；在三相配電系統(tǒng)中，單相負荷應(yīng)均勻分配以減少中性線電流，照明和動力用電將按照實際需求盡量分獨立回路設(shè)計，以減少因動力負荷所引起的電壓波動而影響照明用電質(zhì)量。

2.2.3 照明系統(tǒng)設(shè)計要點

超高層建筑照明設(shè)計較為復(fù)雜，總結(jié)經(jīng)驗設(shè)計要點主要有以下幾點：照度要求及功率密度限值：按照國家規(guī)范要求，建筑照明照度不能超過國家標準規(guī)定的照明功率密度限值，但照明設(shè)計又必須滿足各功能區(qū)域的使用要求，達到規(guī)范要求的照度標椎值（lx）。因此需根據(jù)建筑內(nèi)各房間功能合理設(shè)計照明數(shù)量；照明燈具選型：根據(jù)規(guī)范要求，建筑照明必須采用節(jié)能型燈具。因此設(shè)計中選擇光源一定要符合當前節(jié)能要求。另外顯色指數(shù)、色溫、光通量等參數(shù)也是選擇燈具的重要指標；照明控制系統(tǒng)：為方便日常維護管理、建筑節(jié)能，滿足各種場景對照明環(huán)境要求，不同功能區(qū)域需采用不同控制方式。

如：樓梯間、樓梯前室、合用前室等公共區(qū)域采用雙鑒(超聲+紅外)探測器控制照明的啟停，以達到延時關(guān)閉的效果；車庫、后勤、后勤走廊等公共區(qū)域可采用智能照明控制系統(tǒng)或建筑設(shè)備管理系統(tǒng)（BA系統(tǒng)），以實現(xiàn)時間控制；大堂、多功能廳、餐廳、游泳館等精裝區(qū)域可采用智能照明控制系統(tǒng)，實現(xiàn)集中控制、場景控制；辦公室、會議室等功能房間采用就地開關(guān)控制；loft辦公、躍層戶型上下樓梯、長過道的照明采用雙控開關(guān)兩地控制；室外照明可采用智能照明控制系統(tǒng)或BA系統(tǒng)，可根據(jù)白天、夜間、節(jié)假日等的不同需要對室外照明場景進行系統(tǒng)設(shè)置，并在規(guī)定時間關(guān)閉，節(jié)約電能。另外，應(yīng)急照明應(yīng)選用滿足國家標準的應(yīng)急燈具，采用應(yīng)急獨立電源、專用配電線路，以此避免應(yīng)急照明電源受到影響，確保應(yīng)急照明設(shè)備在應(yīng)急狀態(tài)下能夠正常使用。

2.2.4 防雷接地系統(tǒng)

防雷系統(tǒng)：首先要估算建筑物的年雷擊次數(shù)，然后根據(jù)年雷擊次數(shù)確定建筑物的防雷等級。一般情況下超高層建筑防雷等級為二類。根據(jù)國家規(guī)范要求，超高層建筑的防雷裝置必須滿足防直擊雷、側(cè)擊雷、防雷電感應(yīng)以及雷電波的侵入。接閃器：在屋頂采用Φ12熱鍍鋅圓鋼作避雷帶，屋頂避雷連接線網(wǎng)格不大于10m×10m或8m×12m。所有突出屋面的金屬物均與避雷帶相接；引下線：利用建筑物外側(cè)柱的主鋼筋做防雷引下線，其間距不應(yīng)大于18m。所有鋼筋構(gòu)件之間必須連接成電氣通路；防側(cè)擊雷：每層設(shè)均壓環(huán)，均壓環(huán)均與該層外墻上的所有金屬窗、構(gòu)件、引下線連接；接地極：利用建筑之基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)樁基內(nèi)之主鋼筋及地梁內(nèi)主筋作為接地體。

接地系統(tǒng)：超高層建筑室內(nèi)低壓配電系統(tǒng)的接地型式為TN-S系統(tǒng)，系統(tǒng)變壓器中性點接地、電梯導(dǎo)軌的接地、綜合監(jiān)控中心接地、通信接入機房接地、網(wǎng)絡(luò)機房接地等均共用基礎(chǔ)接地極，要求接地電阻不大于1歐姆；凡正常不帶電而當絕緣破壞有可能對地呈現(xiàn)電壓的一切電氣設(shè)備的金屬外殼均應(yīng)可靠接地；全部供移動用電設(shè)備使用的電源插座，潮濕場所及室外設(shè)備用電的配電線路設(shè)剩余電流保護措施；變配電室內(nèi)設(shè)置總等電位鏈接（MEB）。帶淋浴的公共衛(wèi)生間、浴室、洗衣房、游泳池、廚房等潮濕場所、醫(yī)療用房內(nèi)均應(yīng)設(shè)置局部等電位聯(lián)結(jié)（LEB）；柴油發(fā)電機房、制冷機房、生活水泵房、中水機房、弱電機房等各設(shè)備機房均設(shè)置等電位接地端子板/箱，所有外露可導(dǎo)電部分均與之相連。

綜上，超高層建筑與普通層高建筑多有不同，設(shè)計過程中應(yīng)當注意相關(guān)要點，并嚴格遵守國家相關(guān)的規(guī)范標準，提高電氣系統(tǒng)質(zhì)量，為住戶用電、安全提供保障。