超高层建筑供配电系统设计

孙 峰

［同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司，上海 200092］

0 引言

随着我国经济的高速发展和技术的不断完善，超高层建筑在各大型及中型城市不断涌现，并成为地标建筑的典型。鉴于超高层建筑自身的功能多样性、特殊性、复杂性，相应的电气系统具有供配电系统复杂、用电负荷较大、供电距离长等特点，对系统的可靠性、安全性都提出了较高要求。在各个超高层项目设计中，变电所的设置位置、柴油发电机的出口电压、应急电源系统形式均有差异。

1 工程概况

某高铁站附近的超高层办公楼，地上63层，地下4层，建筑高度为280 m，建筑面积为40万m2。裙楼共7层，为商业及餐饮，塔楼标准层层高为4.2 m，设备层层高为5.6 m。

2 负荷等级及供电电源

该工程为一类超高层民用建筑，应按一级负荷要求供电;大楼内消防及重要用电设备按一级负荷供配电设计，其余动力、照明、空调按二、三级负荷供配电设计。一级负荷有消防泵、喷淋泵、消防输转泵、消防风机、消防电梯、应急照明、走道照明、航空障碍照明、弱电机房、生活泵、客梯、排污泵、生活水泵等。二级负荷有扶梯、地下车库照明等。其余为三级负荷。其中，消防、弱电机房等一级负荷中有特殊要求的负荷为特别重要负荷，应由柴油发电机提供应急电源供电。

3 变电所设置方案比较

3.1 变电所设置方案

为满足该工程供电要求，在-1F设置10 kV配电中心，用电的10 kV进户均在10 kV配电中心，10 kV进户经过计量分配后至各个10 kV/0.4 kV变电所。从市政分别引来6路10 kV电源，两两一组，同时供电互为备用，要求满足一级负荷的要求。当一路电源损坏时，另一路电源不能同时损坏。1#(1A)、2#(1B)10 kV电源进户，供电于地上办公变电所;2#(2A)、3#(2B)10 kV电源进户，供电于-1F冷冻机房高压机组、专用变和低区办公变电所;5#(3A)、6#(3B)10 kV电源进户，供电于商业地库变电所。

超高层办公部分，10F及以下部分由地下室变电所供电，地上部分共有四个设备层(分别为11F、25F、39F、53F)，标准层每层面积约为4 000 m2。综合供电距离及负荷情况，由于供电距离较远，负荷较大，需要在设备层增设变配电房，而变电所设置于设备层对变压器的运输提出了较高的要求，将电梯的载重量及占用核心筒面积等经济性结合一起考虑，变压器的容量以不超过1 250 kVA为宜。结合该项目的具体情况，进行负荷估算后，做出如下三个方案。

(1)方案一:每个设备层设置变电所，该方案的配电系统单向供电，最大供电半径为180 m。

(2)方案二:11F设置变电供电给11F～32F，在39F设置变配电房供电给32F～38F、40F～52F，53F设置变电所供电给53F及以上部分。该方案的配电系统须倒送电，最大供电半径为230 m。

(3)方案三:25F设置变电供电给11F～38F，在53F设置变配电房供电给40F～屋顶层。该方案的配电系统须倒送电，最大供电半径为190 m。

考虑系统的灵活性，以上三种方案均在相应的变电所做一级配电并设置联络，进行分配后放射式配电至各台变压器。

方案一、方案二、方案三分别如图1、图2、图3所示。

图1 方案一

3.1 变电所设置方案对比

3.1.1 电压降比较

办公区配电所主要干线回路的电压压降损失较大。因此，选取配电干线最远的几个主要回路进行电压压降的分析比较。其中，线缆选型及电压压降损失基于如下考虑:

图2 方案二

图3 方案三

(1)线缆的额定载流量参考《建筑电气常用数据》，环境温度按40℃，降低系数综合0.7进行校验及选型。

(2)线缆压降计算范围为配电屏至回路最远端的楼层配电箱。

(3)变压器二次绕组输出端至配电屏馈线端的压降损失忽略不计。

(4)电缆压降计算仅考虑该回路用电高峰的压降损耗。

(5)树干式配电回路电压降计算式为

式中:Δu%——线路电压损失百分数;

Δua%——三相线路每1 A·km的电压损失百分数;

Ii——每一段的负荷计算电流;

li——每一段的线路长度。

方案一，每个区段的照明和空调干线类似，选取具有代表性的干线计算;方案二与方案一的区别在于26F～31F的干线负荷压降比方案一的大。方案三与方案一接近，但是由于26F～38F及40F～52F为倒送电，24F及52F为避难层，负荷较小，因此方案三相比方案一的主干线供电距离略长，26F～38F及40F～52F供电干线多出2层的高度，11F、39F设备层的干线负荷压降比方案一的大。

方案典型的回路比较如表1所示。

表1 方案典型的回路比较

由表1可以看出，方案二的低压供电半径最大，电压降也较大，但在规范允许范围内。

3.1.2 电能损耗比较

配电系统的电能损耗主要由高压电缆电能损耗、变压器损耗、低压电缆电能损耗三部分组成。

各方案变压器数量相同，变压器损耗不再比较。由于10 kV侧电流较小，且电缆数量较少，因此高压电能损耗相比较于低压电能损耗只占极小一部分，不再比较。

三种方案中，方案一的低压供电最小，因此低压损耗也最小。方案二的26F～31F低压供电半径超出方案一及方案三的较多，而方案三的变电所设置较集中，11F及39F的用电设备低压损耗高于方案二及方案一。

由于确定变电所位置在方案阶段，因此电能损耗为根据项目情况预估干线后进行的计算(按照用电高峰时段考虑)。以方案一为基准，方案二总电能耗损为23 kW，方案三总电能损耗为18 kW。

3.1.3 技术经济比较

超高层变电所的设计除了考虑安全可靠之外，还需考虑运营投资的经济性，因此尚需进行投资、电能损耗、占用面积等方面进行技术经济比较。以方案一为基准，考虑电缆及设备使用寿命，电能损耗电费按照30 a计算，方案技术经济比较如表2所示。

表2 方案技术经济比较

3.1.4 运营管理及可靠性

方案二、方案三相比方案一，变电所相对集中，便于维护管理。其中方案三变电所最为集中，维护管理也最方便，但一旦高压侧出现故障，影响的面积也最大。

3.1.5 综合比较

从分析可以看出，方案二的初次投资较小，运营管理较为方便，但从长期考虑经济性欠佳，且竖向管井面积较大，设备层桥架较多，不利于核心筒的布置及净高控制;方案三初次投资最小，考虑长期运营成本后与方案一相近，但事故影响面积较大，设备层桥架很多，对净高控制极为不利，且影响其他专业的机房设置。综上，方案一最为合理。

4 应急柴油发电机组的设置

为保证一级负荷中特别重要负荷供电的可靠性，需要设置应急柴油发电机组，作为两路市电的的第三电源。

4.1 应急柴油发电机出口电压的选择

JGJ 16—2008《民用建筑电气设计规范》第3.4.5 条规定，为保证动力照明设备的正常运行，电压偏差需要控制在±5.0%以内(远离变电所的小面积的一般工作场所的照明可为10%，电梯电动机宜为±7.0%以内)，对于一般性的民用建筑较易实现。对于超高层，供电距离超长，0.4 kV柴油发电机是否可行?

该工程中大楼高度为280 m，而发电机房又无法设置在离办公楼最近的地方，因此供电线路的电压降较大。11F以上柴油发电机应急干线电压降计算如表3所示。从变电所配出的各干线电缆在80%额定电流时线路上电压降如表4所示，二者相加即是供电末端的考虑。

表3 11F以上柴油发电机应急干线电压降计算

表4 各干线电缆存在80%额定电流线路上电压降

根据计算数据，仅11F柴油发电机配出的应急母线的末端电压380 V左右，与0.4 kV变压器出口电压相同，可以采用0.4 kV柴油发电机;23F柴油发电机配出的应急母线末端电压为375 V，即在变电所内的出口处已经有5 V的电压损失，配至末端的电压降允许范围在15 V以内，多数回路满足要求，但会有部分回路电缆要放大电缆截面，而且大容量电动机(消防泵等)起动时的引起的电压降并未计入。

考虑这些因素，主干电缆也应放大，造价也相应增加;在不放大截面的情况下，39F变电所配电电缆超出150 m后电压损失刚好满足要求，但仅是干线电缆的电压损失，考虑支线电缆的电压损失后便不能满足要求，需适当放大部分电缆截面，0.4 kV柴油机的经济性优势已经下降;53F电压损失除了离变电所较近的部分负荷外，其余很难满足要求，即便在合理供电半径内也需放大电缆截面，而对于较大容量的电机类负荷，起动时也难以满足起动电压降的要求，因此需采用10 kV发电机。

需要指出的是，计算均没有计入低压配电柜内母线阻抗，电器元件的阻抗计算的也仅是干线线路的电压损失，将这些因素考虑后，电压损失会更大。

综合上述分析，11F及23F可采用0.4 kV柴油发电机，但23F需要适当放大电缆截面等技术措施;39F及53F采用10 kV柴油发电机。如果配置两种电压等级的发电机组，应急供电区域应该有严格的划分，灵活性相对较低，最终塔楼设备层的应急系统全部采用10 kV发电机。

由此也可以得出以下结论:当建筑高度不高于250 m时，柴油发电机房设置可以采用0.4 kV柴油发电机，但是高区需要采取放大电缆截面等措施，且高区不宜有大容量电机类负荷。从53F应急母线电压损失结果来看，当建筑高度大于400 m时，0.4 kV柴油机已经不适用，因为电缆截面不可能无限放大，而且当电缆截面达到一定规格，降低电压损失已经收效甚微。

4.1 10 kV应急电源供配电系统方案比较

10 kV应急电源供配电系统方案如图4所示。

图4 10 kV应急电源供配电系统方案

(1)方案一:专门设置应急变压器，平时不带负载(冷备用)。优点:系统接线简单，应急电源完全独立，应急变压器10 kV侧与市电完全独立;0.4 kV发电电源与0.4 kV正常电源切换相对较简单，响应较快。

缺点:应急变压器平时不带电，平时无法带载维护，且容易受潮，一旦故障，系统可靠性无法有效保障;增加了维护成本和运行风险;应急变压器平时不带负载，无法利用，占地面积大，增加投资。

(2)方案二:应急变压器与市电变压器兼用，平时供给消防电梯、平时排风兼火灾排烟等负荷，本文仅针对应急电源单路布线在高压侧切换的典型情况进行比较、分析。优点:应急变压器平时也带电，日常维护简单。应急变压器平时可以带负载，如消防电梯、平时排风兼消防排烟风机等，因此得以充分利用。应急变压器平时通电不易受潮，符合供电局变压器通电前需要做电试的习惯做法;应急变压器平时得以利用，减少一组变压器及开关柜，占地面积小，节约投资。

缺点:在高压侧需要设置由高压开关组成的常备用电源自投自复，相比于0.4 kV的ATS复杂;高压柴油发电机出口短路电流较小，继电保护也较复杂;联锁关系相对复杂。高压常备用电源自投自复装置切换时间略高于低压ATS，响应时间高于0.4 kV发电电源与0.4 kV正常电源切换时间。设备层变压器数量较少或应急负荷容量较少时平衡负荷较难。

从可靠性和经济性综合考虑，方案二优于方案一。由于当地供电局要求不允许10 kV发电机与市政电源在10 kV侧切换，且根据负荷分析发现部分区段平时兼应急负荷较少，采用方案二时也需要增加变压器。因此，最终选择方案一。

5 结语

超高层配电系统复杂，供电可靠性要求高，在设计前一定要针对不同的方案进行比较，以保证安全、可靠。

通过本文的分析，可以得出以下结论:

(1)变电所的设置位置应充分考虑配电干线长度，降低电压损失及电能损耗，而不能只考虑初期投资，降低在寿命内的运营成本也是要重点考虑的方面。

(2)每个设备层(间隔60 m左右)设置变电所向上单向供电，电能损失较小，长期运营成本低，竖向管井相对较小，设备层桥架较少，方案较合理。

(3)结合其他工程案例和该工程计算，建筑高度在250 m以下时，可以采用选0.4 kV柴油发电机;大于250 m而小于400 m时需要进行比较、分析，一般低区采用0.4 kV柴油机，高区采用10 kV柴油机或全部采用10 kV柴油发电机;大于400 m时，采用10 kV发电机。

(4)应急变压器冷备用还是与市电变压器兼用各有优缺点，总体来说，与市电变压器兼用优于冷备用方案。

［1］ 中国航空工业规划设计研究院.工业与民用配电设计手册［M］.3版.北京:中国电力出版社，2005.

［2］ JGJ 16—2008 民用建筑电气设计规范［S］.

［3］ 04DX101-1建筑电气常用数据［G］.