【IBE】项目实例|某超高层建筑供配电设计

wjj019 2016-05-25

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通过工程实例，对超高层建筑的供配电系统进行简要介绍，并对避难层的配电设计提出合理化见解；通过对比国内外标准，详细分析消防设备的配电方案；最后对工程中主要采取的节能及谐波治理措施进行介绍。

0 引言

随着我国建筑业不断发展,城市发展水平不断提高，超高层建筑正成为一个城市发展水平的体现，甚至是一个城市的标志性建筑。然而，超高层建筑就像一条竖立起来的街道，存在着安全、交通、环境及能源消耗等多种难以妥善解决的问题，越是向高处发展，安全性、耐久性及适用舒适等问题就愈多，对各个专业的要求就越高。本文通过工程实例对超高层建筑的供配电系统进行简要的介绍。

1 工程概况

该项目地上32层，地下1层，建筑高度124.2m,分为S1、S2双塔，地上总建筑面积131 260.26m2，地下总建筑面积24 885.58m2。建筑地下1层为车库，地上1~4层为大型商业裙房，5层及19层为人员避难层，其余层为办公用房。

2 负荷分级及供电电源

本工程内的火灾自动报警系统、消防泵、喷淋泵、消防电梯、防排烟设备、火灾应急照明及航空障碍灯等消防负荷按一级负荷要求供电；商场内营业厅备用照明、弱电机房、生活水泵、客梯电力、排污泵、安防系统及主要通道照明等设备按一级负荷要求供电；商场经营管理用计算机系统用电为一级负荷中特别重要负荷，商场的营业厅照明及空调为二级负荷，其他为三级负荷。

经计算，本工程总用电容量为8 986kVA，共设6台1 250kVA及4台1 000kVA变压器，从城市高压电网引入2路10kV电源（双重电源），当一路电源发生故障时，另一路电源不应同时受到损坏，2路电源互为备用，均可以负载全部的一、二级负荷。

本工程中的商场经营管理用计算机系统用电为一级负荷中特别重要负荷，此类负荷对供电连续性要求较高，容量较小，因此采用UPS不间断电源作为应急电源。

3 高压配电

据当地供电部门提供的资料显示，该项目所在区域的10kV城市电网采用两个不同区域变电站（110kV区域变电站）出线形成的双环网，经与供电部门及当地行业内专家论证后，最终确定从10kV双环网中的两个环网柜（分别位于两不同环网中）分别引入1路10kV电源。该工程地下10kV开闭所内高压侧选用单母线分段中间设置联络开关的接线方式，两路电源互为备用，当一路电源故障时，分段断路器自动投入，高压主进开关与联络开关之间设电气联锁，任何情况下只能闭合其中的两个开关。

4 变配电所及竖井选址

变配电所是整栋建筑电力系统的心脏，其位置是否合理关乎整个配电系统的合理性及可靠性，其位置应深入负荷中心，以缩短低压供电半径，降低电能损耗，节约有色金属，减少电压损失，提高供电质量；低压线路的供电半径应根据具体供电条件，干线一般不超过200m，否则应考虑增设变配电所。

本工程总建筑高度为124.2m，高度远未达到200m，考虑到设备的运输、装卸及搬运，宜在地下层设置高压变配电室。本工程变压器台数较多，若将变压器集中设在一处，则变配电所的位置需设在两栋塔楼中间（图1），此种方案中高压变配电室内的设备太多，发热量及噪声较大，桥架管线太集中，供电半径较大，存在诸多不合理之处。

图1 高压变配电室位置一

为此，在地下一层设置2处高压变配电室（图2），每处变配电室内设5台变压器，变配电室分别设置于S1、S2塔楼下，有效地缩短了供电半径，同时便于管线敷设。

图2 高压变配电室位置二

竖井宜按防火分区布置并深入负荷中心，该工程S1、S2塔楼分别在核心筒区域设置竖井，商业裙房按防火分区及供电半径设置竖井，各竖井的配电半径不超过50m。

5 低压供电系统

低压配电系统应满足较高的供电可靠性和供电质量，系统接线应简单、操作安全、方便维修并具有一定的灵活性。

1）为了确保供电可靠性及灵活性，保证当供电系统内部设备发生故障检修时，影响范围不致过大，重要的负荷不受到影响，本工程中低压侧采用单母线分段中间设联络开关的运行方式。

2）考虑空调负荷为季节性负荷，将其单独设置变压器；同时考虑该工程中1~4层为商业用房，其他为办公用房，为将来物业管理的方便性，商业用电与办公用电分别单独设置变压器。

3）普通照明、应急照明、普通电力、空调电力、消防电力分别自成配电系统；供电干线按防火分区、功能分区、竖向或水平分区划分供电区域。对于单台容量较大和较重要的用电负荷（如电梯、水泵等）从低压柜放射式配电；对于照明及空调负荷采用树干式配电。

4）对于办公层照明及空调负荷，由于采用树干式配电且层数较多、容量较大，因此采用密集型母线槽配电；此种配电方式可以减少电缆的使用量，但事故时影响范围较大，为减少事故范围同时方便施工，母线槽容量不易过大，本工程中采用奇偶层交错的方式配电，每根母线槽配电层数控制在10层左右，容量控制在1 600A以下。

5）一级消防负荷及一级非消防负荷采用双电源末端自动切换供电；二级负荷采用专线配电，备用电源由母联开关提供。

6 避难层

超高层建筑中的避难层是为人员暂时躲避火灾及其烟气危害所设的楼层。在发生火灾时，要保证避难层内的用电设备可靠地工作且不受其他层用电设备影响，因此避难层内的应急照明、消防风机等设备应从低压柜采用单独的专线配电，如图3所示。

图3 避难层低压配电干线图

7 消防与非消防负荷的设计

建筑的低压配电系统主接线方案应遵循安全、可靠、合理的原则，以保证当切断生产、生活电源时，消防电源不受影响。

目前国内主要有两种设计方案：不分组方案和分组方案。对于不分组方案，常见消防负荷采用专用母线段，消防负荷与非消防负荷共用同一进线断路器或消防负荷与非消防负荷共用同一进线断路器和同一低压母线段。对于分组设计方案，消防供电电源是从建筑的变电站低压侧封闭母线处将消防电源分出，形成各自独立的系统。

对于消防负荷与非消防负荷是否需要分组，国内外标准均未做具体规定，从国际电工委员会标准（IEC 60364-5-56中560.6.5条）可知，消防设备的供电也可以采用不分组设计方案：

560.6.5. Separate, independent feeders from a supply network shall not serve aselectrical sources for safety services unless assurance can be obtained thatthe two supplies are unlikely to fail concurrently。

2011~2012年笔者参与设计了毛里求斯西乌萨格拉姆国际机场（Sir Seewoosagur Ramgoolam International Airport）项目，该项目采用英国标准设计，其中消防设备的供电即采用不分组的设计方案，见图4。

图4 毛里求斯国际机场项目低压配电方案

8 节能

电能是社会可持续发展的重要因素，加强建筑电气供配电系统的节能设计有着长远的意义。建筑电气供配电系统中会产生电能损耗的主要因素有供配电线路、变压器、照明设备及用能管理不科学等，若不采取行之有效的节能措施，会造成极大的电能浪费。针对以上几种产生电能损耗的因素，本工程采取以下节能措施。

1）采用10kV电压等级供电，合理选择变配电所位置，使其靠近负荷中心，同时选择合理的配电路径，使线路尽可能缩短，降低线路损耗。

2）变压器的负载率在50%~60%时，其有功功率损耗最低，但负载率太低会造成变压器的初装台数增多，初始投资增大，短时间内难以通过节能来收回投资费用。本项目中使用低损耗节能型干式变压器，有效降低变压器的空载损耗，同时在设计时将变压器的负载率控制在70%~85%，使其接近经济运行方式，不仅节能且降低初始投资。

3）本工程中空调负荷为季节性负荷，且容量较大，因此单独设置空调专用变压器，在春、秋季空调不需运行时可以停用，以利于节能。

4）在变压器低压侧采用静止无功发生器进行自动无功功率补偿，提高配电系统的功率因数，降低线路损耗，减少变压器的铜损及电压损失，提高发配电设备的供电能力。

5）电机采取节能控制方式，如生活水泵采用变频控制、电梯采用智能控制、排污泵采用液位传感器控制、排风机采用定时及温度控制。

6）设置能耗监测系统，实时记录建筑物用能状况，自动进行能耗数据处理，完成建筑能耗结构、建筑用能效率以及建筑节能潜力数据分析，及时发现、纠正用能浪费现象。

除以上节能措施外，本工程还采用效率高、能耗低、性能先进、耐用可靠、由绿色环保材料制成的电气装置。

9 谐波治理

1）谐波源

用户向公用电网注入谐波电流的电气设备或在公用电网中产生谐波电压的电气设备，统称谐波源[5]。民用建筑中常见的谐波源主要有换流设备（整流器、逆变器、变频装置）、铁芯设备、照明设备及空调等非线性电气设备。

2）谐波危害

电网中的谐波会降低电动机的效率，增加发热量，缩短其使用寿命；过大的谐波电流会使变压器产生附加损耗，从而引起过热，使绝缘介质老化加速；电网中的谐波电流还会引起并联电容器过载发热甚至导致谐波、谐振等，高次谐波含量较高的电流能降低断路器的开断能力，除此之外，谐波还对电子设备、继电保护、通信线路产生不同程度的影响。

3）抑制谐波技术措施

减小谐波影响的措施有很多，本工程中采取抑制谐波的主要措施有：（1）采用接线组别为D,yn11的变压器，有效抑制配电系统中的3n次谐波电流。（2）在变压器低压侧设置有源电力滤波器，可以有效滤除电网中的谐波，同时实现节能、降耗。（3）采用静止无功发生器，提高功率因数，克服三相不平衡、消除电压闪变和电压波动，抑制谐波污染。（4）设计时对各个配电箱进行整体负荷分配，以保持三相负荷平衡，可有效地减少3次谐波的产生，有利于设备的正常用电，减小损耗。