超高层建筑供配电系统设计探讨

徐建栋

【摘要】针对超高层建筑电气设计的特点，结合相关材料和工程经验，对超高层建筑的供配电设计中的几个要点进行探讨。

【关键词】超高层建筑；负荷等级；供配电系统；设备运输

引言

随着我国经济建设的快速发展，全国各大城市出现一股超高层建筑的建设热潮，仅250m以上的有100多栋，占全球总数一半以上。超高层建筑的电气设计问题也趋于复杂和越发重要。

1 超高层建筑的定义

1972年8月，国际高层建筑会议专门讨论并提出了超高层建筑的分类和定义：超高层建筑指40层以上高度超过100米的建筑。

根据GB50352—2005《民用建筑设计通则》3.1.2条第3款，建筑高度大于100m的民用建筑为超高层建筑。另外，根据GB50016-2014《建筑设计防火规范》第1.0.6条规定，建筑高度大于250m的建筑，除应符合本规范的要求外，尚应结合实际情况采取更加严格的防火措施，其防火设计应提交国家消防主管部分组织专题研究、论证。

2 超高层建筑电气设计特点

由于超高层建筑规模大、高度高、业态功能多，使得其电气设计上具有用电负荷大、配电距离长、变配电系统复杂、供电安全可靠性要求高等特点。

3 超高层建筑负荷分级

依据GB50016-2014《建筑设计防火规范》第5.1.1条，高层民用建筑可分为一类和二类，并未对超高层建筑单独划分，另外其它电气相关的设计规范对超高层建筑的负荷分级亦没有特殊要求，因此超高层建筑供电负荷分级按照一类高层的要求来设定。

a.消防负荷

GB50016-2014《建筑设计防火规范》第10.1.1条规定：“下列建筑物的消防用电应按一级负荷供电：1.建筑高度大于50m的乙、丙类厂房和丙类仓库；2.一类高层民用建筑。”所以，超高层建筑的所有消防负荷按照一级负荷进行设计。

b.非消防负荷

JGJ16-2008《民用建筑电气设计规范》（以下简称《民规》）第3.2.2条规定，民用建筑中各类建筑物的主要用电负荷的分级，应符合本规范附录A的规定。参照附录A可知，一类高层的走道照明、值班照明、警卫照明、障碍照明用电，主要业务的计算机系统用电，安防系统用电，电子信息机房用电，客梯用电，排污泵、生活水泵用电等为一级负荷。

《民规》）第3.2.4条规定：“当主体建筑中有一级负荷中特别重要负荷时，直接影响其运行的空调用电为一级负荷；当主体建筑中有大量一级负荷时，直接影响其运行的空调用电为二级负荷”。

《民规》第3.2.1条，第2款的规定对二级负荷的描述，“符合下列情况之一时，应为二级负荷：1）中断供电将造成较大影响或损失；2）中断供电将影响重要用电单位的正常工作或造成公共场所秩序混乱。第3款规定不属于一级和二级的用电负荷应为三级负荷。

4 超高层建筑供配电系统的设计

1）供电要求

为保证超高层建筑的供电可靠性，电源数量应视负荷的重要性和大小以及当地电网条件而定，但至少应具备两回路独立的市电电源供给，最好来自两个发电厂或两个降压站。即使一回路电源断电，也可由另一回路电源保证二级及以上负荷的用电。电源电压等级可为10kV、20kV、35kV或110kV。

此外，超高层建筑还应装设具有自动巡检功能的应急发电机组和UPS（或EPS）不间断电源装置，以保证消防设备以及特别重要负荷的应急用电。

2） 高压配电系统

超高层建筑的高压供配电系统宜采用主--分变配电所结构。主变配电所采用单母线分段主接线形式放射至分变配电所。

根据不同地区供电部门的规定，35kV电压等级可直降到0.4kV，也可先将35kV降到10kV，再将10kV降到0.4kV。如当地供电部门没有特殊要求，20kV电压等级可直降到0.4kV。

3） 低压配电系统

低压配电系统宜采用三级配电方式，即总配电（变配电所）、区域配电（配电间）和终端配电。三级配电系统相互之间保护开关动作要具有选择性。

根据GB 50052-2009《供配电系统设计规范》第3.0.9条规定，备用电源的负载严禁接入应急供电系统，3.0.3条第1款也规定，严禁其它负荷接入应急供电系统。考虑到这一强制性要求，低压配电系统型式一般为单母线分段+两段应急母线的方式：即两路市电为分段母线供电，中间设置联络断路器；应急母线段由市电/发电机切换后供电，应急母线分为两段，一段用于应急负荷供电，一段用于备用负荷供电。

表1 部分超高层建筑主要电气设计参数

4） 变配电所的设置原则

《民规》第4.2章节针对变电所位置选择有很多原则性的规定和建议性的要求，在具体设计过程中，设计人员考虑最多的是對负荷中心的把握和供电半径的限制要求。

a.负荷中心

对高压配电所来说，其一般位于建筑的地下室，在综合考虑市政电源进线条件和设备运输条件的前提下，高压配电所能安置的场所往往很难落在甚至接近一个负荷中心的位置上，更多时候是位于一个进出线便利，能充分应用建筑约束的条件的位置上。也就是说，高压配电所的位置一般很难用负荷中心的原则来约束。

但是，对于分布在建筑内相对集中设置的变配电所而言，其设置原则一定是深入或接近负荷中心为衡量标准的。

在超高层建筑中，除了照明、插座用电和空调末端通风设备外，其他用电设备都是相对集中的。这些负荷相对集中的区域大多位于地下设备机房、地上设备层、避难层、转换层及屋面设备层，这也就决定了超高层建筑内变配电所的分布特点也是相对集中，负荷深入或接近负荷中心的原则。

b.供电半径

供电半径考虑的是满足用电设备电压降的因素，其长度通常指由变电所低压出线柜至用电设备的线路长度，这个长度通常取200～250m。

当然供电半径不是一个严格的数据，实际设计中可以根据项目特点做适当调整，其根本原则在于满足末端设备的允许电压降要求。

c.变配电所的设置

地下层往往有几个负荷比较集中的设备机房，如冷冻机房、水泵房、锅炉房等，如果分开独立来看，可以分别是多个负荷中心，而若按照整体考虑，又可理解为一个负荷中心，因此在设置变配电所位置和数量时，一般建议是：一是在充分利用单台变压器最大容量（一般为2500kVA）的前提下，变配电所应尽量按区域集中设置；二是土建条件比较苛刻且单台设计容量不小于1000kVA时，可以考虑分散设置。

超高层建筑地上变配电所位置相对容易确定，一般位于相应设备层和避难层内。超高层建筑一般每隔15层设置一个避难层，但不一定需要在每个避难层都设置变配电所，因为大多数超高层建筑地上层15层标准楼层范围内的用电负荷是不足以为其设置一个变配电所的，因此可以在中间避难层设置变配电所，然后向上向下配电，这样既可以减少变配电所的数量，也可以减少变压器的台数，而且充分利用能够上楼使用的的最大单台变压器的允许容量，同时也满足深入负荷中心的原则。

5） 柴油发电机电源电压等级选择

设置在超高层建筑中的柴油发电机，应根据其负荷大小、单台发电机启动容量、供电半径等因素确定其电压等级。

当建筑高度小于200m时，宜采用低压柴油发电机；

当建筑高度大于400m时，应采用高压柴油发电机；

当建筑高度介于200～400m之间时，应进行技术分析、比较，确定柴油发电机额定电压。

下面以高压发电机组与市电（10kV）切换关系做简单讨论和方案比较，见图2～6。

a. 方案1，采用0.4kV柴油发电机，尽可能减少发电机上楼的不便，具有节省造价、启动快、维护方便等优点。但是低压供电至避难层及屋顶设备，供电距离长，电压损失比较大，适用于高度在200m以内的超高层建筑。

b. 方案2，其优点在于应急电源、应急变压器10kV侧与市电完全独立，在0.4kV等级与市电切换。缺点是占地面积较大，应急变压器平时不带电不带负载，容量无法利用，需加强日常维护。

c. 方案3～5，应急变压器平时带电，日常维护简单。充分利用应急变压器容量，平时可以带载，如消防电梯、平时排风兼排烟风机等。另外应急变压器平时通电不易受潮和凝露，负荷供电部门变压器通电前做电试的习惯做法。其缺点是控制和继电保护较复杂。

6） 电气设备井道设置

超高层建筑避难层设置多个变配电所时，大楼主干配电高压电缆敷设路由所占空间相当可观，此时在土建条件允许的情况下，建议为高压配电系统设置单独的供电竖井。另外，超高层建筑的应急用电负荷量较大，柴油发电机往往需要配出大量的母线，也要占用较大的敷设空间，所以建议为应急配电回路也设置单独的供电竖井。

5 超高层建筑设备运输

当上楼变压器数量不多，单台变压器容量也不大时，可以采用把杆外挑和电梯井道运输。但是利用电梯井道运输变压器有如下问题：恢复供电时间长；电梯需要重新调试，影响使用；几吨重的变压器在狭窄的电梯井道内吊运十分困难，与施工初期未安装电梯时的吊装完全是两个概念。

当上楼变压器数量较多，单台变压器容量较大时，垂直运输需要依靠大吨位电梯，这是世界上的通常做法。

超高层建筑的上楼变压器一般控制在630～1600kVA，单台变压器容量取小，台数增加，占地大，货梯吨位小；反之单台变压器容量取大，台数少，占地小，货梯吨位大。

结 語

本文对超高层建筑电气设计中的几个要点进行了讨论，希望能对今后的超高层建筑供配电系统设计有所帮助。

参考文献

[1] GB50352—2005 民用建筑设计通则. 北京：中国建筑工业出版社，2005；

[2] GB50016-2014 建筑设计防火规范. 北京：中国计划出版社，2014；

[3] JGJ16-2008 民用建筑电气设计规范. 北京：中国建筑工业出版社，2008；

[4] GB 50052-2009 供配电系统设计规范. 北京：中国计划出版社，2009；

[5] 工业与民用配电设计手册.第三版. 北京：中国电力出版社，2005；

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