某超高層建筑的電氣設(shè)計(jì)方法

楊志鋒

（四川省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610000）

1 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市建筑建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，在土地資源有限的背景下，超高層建筑成為建設(shè)的重點(diǎn)，以“向上要空間”的方式緩解土地資源緊缺的局面。 超高層建筑的電氣設(shè)計(jì)具有系統(tǒng)性、復(fù)雜性等特性，涉及的設(shè)計(jì)要素豐富。 為做好超高層建筑電氣設(shè)計(jì)工作， 有必要對(duì)其設(shè)計(jì)方法進(jìn)行深入探討。

2 工程概況

某超高層建筑，建筑總高度242 m，地下3 層，地上53 層，建筑面積22 萬m2。 超高層建筑的設(shè)計(jì)要求高，在充分做好防災(zāi)設(shè)計(jì)、消防安全設(shè)計(jì)等工作的同時(shí)，還需兼顧防災(zāi)系統(tǒng)的預(yù)警性、弱電系統(tǒng)的兼容性等功能設(shè)計(jì)。 同時(shí)，該建筑存在屋頂停機(jī)坪電氣設(shè)計(jì)、航空障礙燈設(shè)計(jì)等方面的難題。 設(shè)計(jì)人員需做深入的探索，進(jìn)行方案的設(shè)計(jì)、論證、優(yōu)化，突破技術(shù)難題，保證設(shè)計(jì)質(zhì)量。

3 超高層建筑供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 負(fù)荷分級(jí)

超高層建筑的負(fù)荷密度取決于建筑的高度、面積、功能等因素，通常按照80～120 W/m2的要求控制。 火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警及聯(lián)動(dòng)控制裝置如圖1 所示。 在一級(jí)負(fù)荷中，重要負(fù)荷包含火災(zāi)應(yīng)急照明及疏散標(biāo)志、消防水泵、自動(dòng)滅火系統(tǒng)、排水泵等[1-2]。

圖1 火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警及聯(lián)動(dòng)控制示意圖

3.2 供電電源及電壓

綜合考慮建筑負(fù)荷等級(jí)（一級(jí)負(fù)荷）、供電距離、用電量，從技術(shù)可行性和成本可控性兩方面進(jìn)行分析， 合理地設(shè)計(jì)供電電源及電壓。 項(xiàng)目設(shè)置20 kV 開閉所，由城市電力電網(wǎng)提供兩路20 kV 電源至該處，保障供電電源的可靠性。 開閉所提供4 組20 kV 饋線向1#-20kV～4#-20 kV 配電室供電， 結(jié)合項(xiàng)目使用功能，細(xì)分為2 條路徑，一是引至公寓用電的配電室，此部分采用1 組饋線；二是引至商業(yè)+ 辦公、酒店、車庫的配電室，此部分采用3 組饋線。

3.3 應(yīng)急電源

1）不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）。 在各負(fù)荷端配置第三電源，確保允許中斷供電時(shí)間為ms 級(jí)的負(fù)荷供電，例如，大廈的網(wǎng)絡(luò)機(jī)房、安防控制室、酒店、商場(chǎng)等，在本項(xiàng)目中，配置的是UPS 裝置。

2）應(yīng)急照明電源。 通過集中蓄電池應(yīng)急照明電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，確保允許中斷供電時(shí)間為0.25～0.5 s 的負(fù)荷供電，例如，航空障礙標(biāo)志照明、值班照明、消防應(yīng)急照明等。 第三電源的配置根據(jù)具體需求而定，以航空障礙標(biāo)志、疏散指示標(biāo)志燈為例，各自分別采用的是自帶的鎳鉻蓄電池、鎳氫蓄電池。

3）柴油發(fā)電機(jī)。 于地下1 層規(guī)劃發(fā)電機(jī)房，額外配置1 臺(tái)0.4 kV 的2 000 kV·A 柴油發(fā)電機(jī)組，保證部分負(fù)荷供電的可靠性。 針對(duì)發(fā)電機(jī)組與市電間采取安全防護(hù)措施，避免兩者并列運(yùn)行的情況。 同時(shí)，做好發(fā)電機(jī)房的排煙通風(fēng)、防火、隔振等設(shè)計(jì)工作，維持良好的發(fā)電機(jī)房運(yùn)行環(huán)境。

3.4 供電系統(tǒng)

1）開閉所。 項(xiàng)目建設(shè)于城市繁華區(qū)域，土地資源寶貴，為節(jié)約空間，在本建筑地下1 層規(guī)劃20 kV 開閉所，且優(yōu)先選取的是便于管理和維護(hù)等日常工作順利開展的區(qū)域， 同時(shí)加強(qiáng)防水，竭力減小外界因素對(duì)開閉所的影響。

2）中壓配電室。根據(jù)功能的不同，將項(xiàng)目劃分為商業(yè)+辦公、酒店、車庫、公寓4 部分，再對(duì)各自做針對(duì)性的中壓配電室設(shè)計(jì)，分別對(duì)應(yīng)的是1#-20 kV～4#-20 kV 配電室。 配電系統(tǒng)實(shí)行單母線分段運(yùn)行機(jī)制，配電室臨近開閉所電源側(cè)布置。 兩段母線分別配出回路至變電所，兩路電源互為備用。

3）20 kV/0.4 kV 變配電所。根據(jù)空間資源利用價(jià)值最大化的原則，在地下1 層、2 層設(shè)車庫、酒店（部分）、商業(yè)+ 辦公（部分）變配電所；對(duì)于塔樓，采取豎向分段依次設(shè)計(jì)的方法，具體分段方式根據(jù)功能而定，形成相對(duì)應(yīng)的變配電所設(shè)計(jì)方案。以A 塔樓為例進(jìn)行分析， 將10 層、42層避難層作為重點(diǎn)規(guī)劃區(qū)域，分別設(shè)計(jì)辦公、酒店的變配電所，并集中布置設(shè)備機(jī)房。低壓線路的供電半徑不大于150 m，塔樓的貨梯井作為垂直運(yùn)輸通道進(jìn)行變壓器的運(yùn)送，樓層變壓器的容量不宜超過1 000 kV·A。

4）負(fù)荷容量及變壓器安裝容量。一級(jí)、二級(jí)負(fù)荷分別約為4 783 kW、10 547 kW。 A、B 塔樓公寓預(yù)計(jì)容量4 520 kV·A，含此部分在內(nèi)的變壓器裝機(jī)容量為28 220 kV·A。 消防設(shè)備總負(fù)荷約4 106 kW。

5）變壓器負(fù)荷率。 分兩種情況考慮：其一，長(zhǎng)期工作負(fù)荷率為70%～80%；其二，某變壓器發(fā)生故障或電源中斷供電時(shí)，另一裝置的容量不少于總負(fù)荷的60%，同時(shí)需完全承擔(dān)一、二級(jí)負(fù)荷的供電，以保證供電的穩(wěn)定性。

6）低壓配電系統(tǒng)主接線。 低壓配電系統(tǒng)實(shí)行單母線分段運(yùn)行機(jī)制，正常狀態(tài)下均采取分列運(yùn)行的方式，遇特殊情況時(shí)運(yùn)行狀態(tài)隨即調(diào)整，以一臺(tái)變壓器存在故障為例，在該變配電所中的另一臺(tái)變壓器完全承擔(dān)一、二級(jí)負(fù)荷的用電。 根據(jù)低壓側(cè)兩臺(tái)總斷路器和母聯(lián)斷路器的運(yùn)行特性，為兩者設(shè)計(jì)機(jī)械、電氣聯(lián)鎖。

7）功率因數(shù)補(bǔ)償。 硬件設(shè)計(jì)方面，采用免維護(hù)移相式靜電電容動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置，將其規(guī)劃在變配電所低壓側(cè)，采取混合補(bǔ)償?shù)墓ぷ髂Ｊ健?補(bǔ)償后，變壓器中壓側(cè)功率因數(shù)不低于0.95，為使補(bǔ)償有效，分相補(bǔ)償容量不低于總補(bǔ)償量的40%。

3.5 低壓配電設(shè)計(jì)

1）重要負(fù)荷采用放射式配電方式，在本項(xiàng)目中包含消防控制中心、 防火分區(qū)或人防防護(hù)單元的電力及照明、 主要客梯、車庫機(jī)械停車設(shè)備等。 在該配電設(shè)計(jì)方式下，在末端配電箱處可實(shí)現(xiàn)兩回路的自動(dòng)切換。

2）大容量負(fù)荷分組采用放射式配電，主要包含空調(diào)機(jī)組、景觀照明、生活泵等。

3）消防負(fù)荷采用雙回路放射-樹干式配電，主要包含防排煙風(fēng)機(jī)、火災(zāi)應(yīng)急照明等，類似于放射式配電設(shè)計(jì)方式的是，依然可在末端配電箱進(jìn)行兩回路的切換。

4）建筑平面分布不規(guī)則，具有較大的高度，在特殊的建筑空間形式下，配電的電纜敷設(shè)及設(shè)備安裝難度高。 為盡可能創(chuàng)設(shè)有利于配電設(shè)施安裝的作業(yè)條件， 提出如下方案：A、B 塔樓，設(shè)計(jì)辦公、酒店、公寓的電氣豎井；裙樓商業(yè)和地下室設(shè)電氣豎井，由其貫通上下各層，其他防火分區(qū)則根據(jù)電力設(shè)施安裝要求配置針對(duì)性的配電小間。 考慮到操作和維護(hù)的便捷性要求，在條件允許的前提下，盡可能在臨近負(fù)荷中心的部位規(guī)劃電氣豎井。

4 照明設(shè)計(jì)

4.1 正常照明、景觀照明

公寓、商業(yè)、寫字樓等區(qū)域，主體電氣設(shè)計(jì)僅預(yù)留電源至配電箱，在二次裝潢時(shí)配合，最終形成完善的照明設(shè)施。 照明設(shè)計(jì)中，以GB 50034—2013《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》為基準(zhǔn)，結(jié)合本高層建筑的實(shí)際建設(shè)條件和使用條件，確定照度標(biāo)準(zhǔn)，匹配合適類型的光源燈具和附屬裝置。 景觀照明方面，以突顯城市地標(biāo)建筑的標(biāo)志性為重要設(shè)計(jì)思路，結(jié)合城市街區(qū)照明、櫥窗照明等做整體設(shè)計(jì)。

4.2 消防應(yīng)急照明、疏散指示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）配電系統(tǒng)。 配電箱規(guī)劃在1 層或中間避難層電氣豎井內(nèi)，樓梯間按區(qū)域劃分情況做相應(yīng)的配電箱設(shè)計(jì)，以滿足消防應(yīng)急照明的用電需求。 疏散照明由特定的分支回路配電。

2）正常照明控制。 （1）A 塔樓，高檔辦公區(qū)實(shí)行智能化控制策略，配置日光探測(cè)器，以自動(dòng)化的方式調(diào)節(jié)照度，滿足正常照明和節(jié)能環(huán)保兩項(xiàng)要求；普通行政辦公、設(shè)備用房，就地控制；商場(chǎng)、酒店大堂、餐廳等，為總線制智能照明控制。 為保證管理的可靠性同時(shí)提高管理效率， 在各場(chǎng)所設(shè)置就地控制的組群，開發(fā)調(diào)光功能，根據(jù)場(chǎng)景的不同執(zhí)行針對(duì)性的控制措施。 （2）B 塔樓，公共場(chǎng)所照明為就地及多地點(diǎn)相對(duì)集中控制，主要考慮的是門廳、樓梯間、電梯廳等功能區(qū)。

5 防雷設(shè)計(jì)

根據(jù)本項(xiàng)目的功能定位以及對(duì)市場(chǎng)的預(yù)測(cè)， 建成后建筑內(nèi)的人員密集，安全防護(hù)要求高。 在防雷設(shè)計(jì)中，按一級(jí)防雷標(biāo)準(zhǔn)開展設(shè)計(jì)工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)人員人身安全的全面防護(hù)。 防雷措施包含防雷電感應(yīng)、防雷擊電磁脈沖、等電位聯(lián)結(jié)等，構(gòu)筑完善的防雷體系。 防雷引下線采用的是建筑物外圍四周結(jié)構(gòu)柱的鋼筋，平均間距不超過12 m。

6 超高層建筑電氣節(jié)能設(shè)計(jì)

6.1 節(jié)能設(shè)備

主要光源采用的是具有良好節(jié)能特性的緊湊型熒光燈、T5 系列熒光燈等， 適配節(jié)能型電感鎮(zhèn)流器或電子鎮(zhèn)流器，結(jié)合電容補(bǔ)償技術(shù)，進(jìn)一步提高設(shè)備的節(jié)能水平，例如，以合理的設(shè)計(jì)方法將氣體放電燈功率因數(shù)提至0.9 以上。

6.2 電氣系統(tǒng)節(jié)能

1）優(yōu)化設(shè)計(jì)變配電所及各區(qū)的配電豎井，條件允許時(shí)盡可能臨近負(fù)荷中心；選擇截面規(guī)格合適的配電電纜[3]，目的在于盡可能減少線纜損耗；對(duì)變電所低壓側(cè)做集中無功補(bǔ)償；配置具有低損耗特性的環(huán)保型變壓器。

2）項(xiàng)目超高層建筑的電子設(shè)備豐富，例如，辦公、商業(yè)等功能區(qū)均有大量的計(jì)算機(jī)， 此類設(shè)備也是節(jié)能設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)考慮對(duì)象，原因在于隨著該類非線性負(fù)荷的使用，中性線奇次諧波含量增加， 此時(shí)可能出現(xiàn)中性線電流與相線電流基本相當(dāng)?shù)那闆r，嚴(yán)重時(shí)甚至更高，其帶來的不良影響是發(fā)熱劇烈致使絕緣破壞，且運(yùn)行時(shí)的能耗增加。 為應(yīng)對(duì)該問題，采取諧波抑制和治理措施，具體方法為：配置消諧型電容補(bǔ)償裝置；控制變壓器的負(fù)載率，將其穩(wěn)定在70%～80%；合理選擇中性線，以較大截面為宜。

7 結(jié)語

綜上所述，在超高層建筑的電氣設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員需要具有統(tǒng)籌兼顧的理念， 綜合考慮超高層建筑工程要求、 行業(yè)規(guī)范、當(dāng)?shù)卣叩?，根?jù)安全、質(zhì)量可靠、經(jīng)濟(jì)高效、環(huán)保的原則做好電氣設(shè)計(jì)工作。 考慮到高層建筑電氣設(shè)施類型豐富、復(fù)雜性較高的情況， 設(shè)計(jì)人員需要注重對(duì)設(shè)計(jì)方案的分析以及優(yōu)化，改進(jìn)不合理之處，最終制定一套科學(xué)可行的超高層建筑電氣設(shè)計(jì)方案，為后續(xù)電氣專業(yè)相關(guān)工作的開展打好基礎(chǔ)。