陳 瑩， 張 爭

(北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100045)

0 引言

近年來，我國各地超高層建筑的數(shù)量日益增多,超高層建筑體量大、人員密集、投資運(yùn)維成本高，在消防、安防、運(yùn)營管理等方面有著特殊的要求，因此，對供配電系統(tǒng)的要求相對于一般高層建筑也要高得多。

1 負(fù)荷分級(jí)

1.1 供配電系統(tǒng)特點(diǎn)

通常超高層建筑的供配電系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：(1)建筑體量大、用電量大、供電半徑長；(2)至少需要2 路市政獨(dú)立電源，甚至多路市政電源；(3)建筑功能多樣，供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)需考慮滿足多個(gè)物業(yè)運(yùn)營管理模式的需要；(4)會(huì)設(shè)置多個(gè)變電所，以及出現(xiàn)變電所上樓的情況；(5)需考慮備用電源和應(yīng)急電源的設(shè)置。

1.2 用電負(fù)荷分級(jí)

負(fù)荷分級(jí)的目的和意義在于根據(jù)不同的負(fù)荷級(jí)別確定用電單位和用電設(shè)備的供電要求和供電措施，以保證供電系統(tǒng)的安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性和合理性。

超高層建筑負(fù)荷分級(jí)相關(guān)依據(jù)有：GB 50052-2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》、JGJ 16-2008《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 50016-2014(2018版)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》、國標(biāo)圖集14 D801《超高層建筑電氣設(shè)計(jì)與安裝》等。此外，由于超高層建筑往往是集商業(yè)、金融、辦公、星級(jí)酒店、高級(jí)公寓等諸多業(yè)態(tài)于一體，在進(jìn)行負(fù)荷分級(jí)時(shí)，根據(jù)不同的使用功能，還應(yīng)遵守相關(guān)行業(yè)規(guī)范中的規(guī)定，如JGJ 62-2014《旅館建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》、JGJ 67-2006《辦公建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》、JGJ 284-2012《金融建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》、JGJ 392-2016《商店建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》、JGJ 242-2011《住宅建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》等。

超高層建筑的供電負(fù)荷等級(jí)應(yīng)為一級(jí)，對于建筑內(nèi)的消防、安防用電負(fù)荷、計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、保障建筑正常運(yùn)營的重要設(shè)備、重要場所中不允許中斷供電的負(fù)荷等應(yīng)作為一級(jí)負(fù)荷中的特別重要負(fù)荷。表1列舉了超高層建筑主要用電負(fù)荷分級(jí)。

超高層建筑主要用電負(fù)荷分級(jí) 表1

注：一級(jí)*為一級(jí)負(fù)荷中特別重要負(fù)荷。

對于超高層建筑一級(jí)負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷，電氣設(shè)計(jì)師應(yīng)該考慮設(shè)置應(yīng)急電源，當(dāng)超高層建筑為四級(jí)及以上酒店或者大型商業(yè)時(shí)，會(huì)有一部分負(fù)荷在酒店管理公司或者商業(yè)顧問提供的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中被列為保障性負(fù)荷，對于這部分負(fù)荷，也應(yīng)該考慮設(shè)置備用電源。

因此，在進(jìn)行超高層建筑供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除雙重市政電源外，需要選擇獨(dú)立于正常電源的柴油發(fā)電機(jī)組作為是備用電源及應(yīng)急電源。

2 變壓器容量指標(biāo)

超高層變壓器容量指標(biāo)與建筑功能、建筑面積、建筑高度和附屬功能等因素有關(guān)。表2歸納總結(jié)了筆者所在單位已經(jīng)完成設(shè)計(jì)和正在設(shè)計(jì)中的若干超高層建筑的變壓器容量指標(biāo)。

超高層建筑表壓器容量指標(biāo)舉例 表2

3 變電所的設(shè)置

3.1 變電所設(shè)置基本原則

在進(jìn)行超高層建筑變電所位置和數(shù)量的選擇時(shí)，筆者認(rèn)為，應(yīng)遵循以下幾點(diǎn)基本原則。

(1)根據(jù)負(fù)荷容量和分布，使變電所及變壓器靠近建筑物用電負(fù)荷中心。

(2)應(yīng)該考慮低壓供電半徑的限制。

(3)根據(jù)功能分區(qū)的要求設(shè)置變配電所，可考慮按照地下室、裙房商業(yè)、辦公層、酒店層、住宅(公寓) 層設(shè)置。

(4)根據(jù)物業(yè)業(yè)態(tài)設(shè)置變配電所，比如出租/出售情況、不同業(yè)態(tài)的計(jì)費(fèi)方式及后期物業(yè)管理分區(qū)等幾個(gè)方面的情況考慮變配電所的數(shù)量。

(5)根據(jù)負(fù)荷性質(zhì)設(shè)置變配電所，比如制冷機(jī)房設(shè)置專用變壓器或者變電室等。

3.2 避難層設(shè)置變電所

由于超限高層建筑的供電半徑長，為降低電壓降和電能損耗、減少電氣豎井面積，變配電所設(shè)置需深入負(fù)荷中心，會(huì)出現(xiàn)塔樓高區(qū)設(shè)置分變配電所的情況，而且分變電所通常設(shè)置在避難層。

在避難層設(shè)置變電所應(yīng)注意以下幾個(gè)問題：(1)應(yīng)考慮設(shè)備對樓板荷載的影響；(2)應(yīng)考慮預(yù)留變壓器的水平運(yùn)輸通道和垂直運(yùn)輸通道；(3)可采用大載重量的貨梯運(yùn)輸或者電梯井道運(yùn)輸；(4)采用電梯作為設(shè)備運(yùn)輸方式時(shí)，電梯的載重應(yīng)大于變壓器的重量；(5)單臺(tái)變壓器的容量不宜超過1 250kVA。

表3為某品牌變壓器SCB11系列變壓器的相關(guān)參數(shù)，從表中數(shù)據(jù)中可以看出，1 250kVA變壓器帶外殼的重量約為3.3t，普通1.6t或者2.0t的客梯不能滿足設(shè)備運(yùn)輸需要，如果采用電梯進(jìn)行設(shè)備運(yùn)輸，需考慮設(shè)置至少3.5t的貨梯進(jìn)行運(yùn)輸，且超過 1 250kVA 的變壓器會(huì)給設(shè)備運(yùn)輸帶來更大困難。

某品牌變壓器參數(shù) 表3

3.3 工程實(shí)例

3.3.1 工程實(shí)例一

該項(xiàng)目為總建筑面積為220 053.4m2，其中地上建筑面積15 6 911m2，地下建筑面積63 142.4m2。建筑主要功能為高檔辦公及商業(yè)配套設(shè)施，地上57層(辦公樓層)、地下4層，建筑高度275m(屋頂機(jī)房女兒墻高度)，一類高層建筑，建筑耐火等級(jí)為一級(jí)。

根據(jù)業(yè)主方的物業(yè)管理要求，辦公、商業(yè)及能源站需單獨(dú)設(shè)置變電所，該項(xiàng)目設(shè)有四座變配電所，其中三個(gè)變電所位于地下二層塔樓核心筒西側(cè)，還有一個(gè)變電所位于34層。其中E1為主變配電所， E2為能源站變電所， E3為商業(yè)變電所，E4為高區(qū)變電所；變電所設(shè)置詳見表4，示意圖參見圖1。

工程實(shí)例一變電所配置 表4

此項(xiàng)目變電所的設(shè)置充分考慮了靠近建筑物用電負(fù)荷中心、低壓供電半徑的限制，以及根據(jù)功能分區(qū)、物業(yè)業(yè)態(tài)、負(fù)荷性質(zhì)設(shè)置變電所等基本原則。

3.3.2 工程實(shí)例二

該項(xiàng)目為大型商業(yè)綜合體，總建筑面積為 356 557 m2，其中地上建筑面積230 489 m2，地下建筑面積126 068 m2。建筑主要功能為大型商業(yè)、辦公、公寓及五星酒店，地上47層、地下2層，建筑高度200m(屋頂機(jī)房女兒墻高度)，一類高層建筑，建筑耐火等級(jí)為一級(jí)。變電所設(shè)置示意圖參見圖2。

圖2 工程實(shí)例二建筑功能示意圖

對于200m的超高層建筑，在進(jìn)行變電所設(shè)計(jì)時(shí)通常會(huì)糾結(jié)是否要在避難層設(shè)置分變電所，對于本項(xiàng)目，筆者所在單位進(jìn)行了兩個(gè)方案的對比。

(1)方案1

根據(jù)物業(yè)管理的需要酒店和辦公分設(shè)變電所，該方案酒店變電所和辦公變電所均設(shè)于地下二層，在避難層不設(shè)置分變電所(圖3)。裝機(jī)容量分別為：酒店變電所2×2 000kVA+2×1 600kVA，辦公變電所2×1 000kVA。酒店用柴發(fā)機(jī)房設(shè)置在地下二層。

圖3 在避難層不設(shè)置分變電所示意圖

(2)方案2

根據(jù)物業(yè)管理的需要酒店和辦公分設(shè)變電所，該方案酒店總變電所和辦公變電所均設(shè)于地下二層，在19層避難層設(shè)置酒店分變電所(圖4)。裝機(jī)容量分別為：酒店總變電所2×2 000kVA+2×1 600kVA，酒店分變電所4×800kVA，辦公變電所2×1 000kVA。酒店用柴發(fā)機(jī)房設(shè)置在地下二層。

圖4 在避難層設(shè)置分變電所示意圖

對于兩個(gè)方案，筆者分別從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)角度進(jìn)行了比對。

在經(jīng)濟(jì)性方面，主要從一次投資和系統(tǒng)運(yùn)行之后的能耗情況2個(gè)要點(diǎn)進(jìn)行比較(參見表5)，其中能耗主要來自高壓電纜、低壓電纜、母線槽及變壓器等設(shè)備，能耗差異主要由長度不同的高壓電纜、低壓電纜或母線槽導(dǎo)致。

由表5可知，方案1的高壓電纜造價(jià)較低、低壓電纜或母線槽造價(jià)較高，能耗主要來自低壓電纜、母線槽及變壓器等設(shè)備，線路能耗較高；方案2的高壓電纜造價(jià)較高、低壓電纜或母線槽造價(jià)較低，能耗主要來自于高壓電纜、變壓器等設(shè)備，線路能耗較低。因此，可以明顯看出，方案2的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于方案1，即使僅對比一次性投資，方案2也較方案1節(jié)省投資造價(jià)258萬元。

在技術(shù)性方面，筆者從技術(shù)角度和日常運(yùn)維、故障搶修等要點(diǎn)展開了比對，具體參見表6。

兩個(gè)方案的經(jīng)濟(jì)性對比 表5

兩個(gè)方案的技術(shù)性對比 表6

從表6來看，方案一需要進(jìn)行電壓降校驗(yàn)，校驗(yàn)后會(huì)存在部分電纜增加截面的可能性，也會(huì)進(jìn)一步帶來投資造價(jià)和運(yùn)維成本的增加；但是，在運(yùn)維方面，方案一比方案二的便捷性更好，搶修及設(shè)備更換難度也比較低。

綜合考慮兩個(gè)方案的技術(shù)性及經(jīng)濟(jì)性，筆者所在單位在這個(gè)項(xiàng)目中采用了方案二作為實(shí)施方案。通過工程實(shí)例二，對超高層建筑樓上是否設(shè)置變電所可以得出一個(gè)經(jīng)驗(yàn)性結(jié)論，如表7所示。

就超高層建筑樓上是否設(shè)置變電所的結(jié)論 表7

4 供配電系統(tǒng)方案

4.1 供配電系統(tǒng)方案的基本原則

在確定超高層建筑供配電系統(tǒng)方案時(shí)，通常要注意以下幾點(diǎn)基本原則：(1)超高層建筑的高壓供配電系統(tǒng)宜采用主變電所—分變電所結(jié)構(gòu)；(2)主變電所采用單母線分段的主接線形式，放射方式引至分變電所；(3)高壓系統(tǒng)的配電級(jí)數(shù)不宜多于兩級(jí)；(4)充分了解當(dāng)?shù)厥姓娫辞闆r及供電部門的規(guī)定，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行項(xiàng)目的供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

4.2 工程實(shí)例

以本文中列舉的工程一為例，雖然設(shè)置了4個(gè)變電所，但是對于這4個(gè)變電所的供配電系統(tǒng)架構(gòu)如何搭建的問題，筆者所在單位在設(shè)計(jì)之初給出了兩種方案。

方案1：采用主分高壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，兩路市政10kV電源，總配電室采用10kV電纜放射配出至分變電室各臺(tái)變壓器，柴發(fā)機(jī)組配電分應(yīng)急母線和備用母線。系統(tǒng)圖如圖5所示。

方案2：采用主分高壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，兩路市政10kV電源，總配電室10kV電纜放射配出至B2層分變電室，避難層分變電室另設(shè)有一級(jí)高壓配電，柴發(fā)機(jī)組配電分應(yīng)急母線和備用母線。系統(tǒng)圖如圖6所示。

圖5 供配電系統(tǒng)架構(gòu)搭建方案一示意圖

圖6 供配電系統(tǒng)架構(gòu)搭建方案二示意圖

該項(xiàng)目設(shè)置4個(gè)變電所、16臺(tái)變壓器，在避難層設(shè)置的分變電所中設(shè)置了6臺(tái)變壓器。兩個(gè)方案的區(qū)別在于，方案1從B2層高壓總配放射式地引出6根10kV高壓電纜至避難層分變電所的6臺(tái)變壓器，方案2是從B2層高壓總配引出2根10kV高壓電纜至避難層分變電所，在分變電所另設(shè)一級(jí)高壓配電后再引至6臺(tái)變壓器。經(jīng)過比對，方案1的供電可靠性明顯高于方案2，但方案2的經(jīng)濟(jì)性又略優(yōu)于方案1。因此，當(dāng)設(shè)計(jì)超高層建筑遵循供配電系統(tǒng)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、合理的原則時(shí)，供配電方案就會(huì)較為容易進(jìn)行取舍。

5 豎向配電干線系統(tǒng)

對于超高層建筑的豎向配電干線系統(tǒng)，根據(jù)筆者過往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本文總結(jié)了以下幾點(diǎn)需要注意的要點(diǎn)。

(1)在避難層設(shè)置分變電所時(shí)，高壓線路宜設(shè)置獨(dú)立的豎井。

(2)普通線纜和應(yīng)急線纜應(yīng)分線槽敷設(shè)，有條件時(shí)，將普通線槽和應(yīng)急線槽分豎井敷設(shè)。

(3)雙電源供電的兩根電纜宜分設(shè)在兩個(gè)線槽內(nèi)。

(4)各避難層的交直流電源，應(yīng)按避難層分別供給，并在末端互投。

(5)配電干線應(yīng)按避難層劃分供電區(qū)域， 同一干線不應(yīng)跨避難層，帶兩個(gè)區(qū)域單元的用電負(fù)荷。

(6)豎向配電干線采用母線槽時(shí)，要注意超高層建筑物在搖擺時(shí)可能會(huì)對銅母線槽接駁組件位置產(chǎn)生拉扯壓力，此時(shí)可考慮采用電纜連接銅母線槽配電的方式，以減少故障發(fā)生、增加干線系統(tǒng)供電可靠性。

(7)超高層建筑處于地震烈度較高的地區(qū)時(shí)，豎向配電干線宜考慮采用電纜供電，電纜在抗震方面的安全性高于密集型母線槽。

(8)為了提高供電可靠性，超高層建筑中可考慮采用雙母線奇偶層供電方式，并在備用母線上預(yù)留插接口。

(9)建筑中的電纜豎井宜按避難層上下錯(cuò)位設(shè)置，有條件時(shí)豎井之間的水平距離至少相隔一個(gè)防火分區(qū)。

(10)在超高層建筑的線纜選型時(shí)，普通設(shè)備的配電干線應(yīng)為阻燃低煙無鹵交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜，消防設(shè)備的配電干線應(yīng)采用礦物絕緣電纜。

6 結(jié)束語