高层建筑电气设计中常见问题探讨

杨 春 霞

(太原市城市规划设计研究院，山西 太原 030012)



高层建筑电气设计中常见问题探讨

杨 春 霞

(太原市城市规划设计研究院，山西 太原 030012)

结合某高层建筑工程实例，介绍了建筑设计中电梯电缆的选型方法，探讨了民用供电系统中四极开关的使用范围，并阐述了应急照明的设计要求，为类似工程的设计提供了思路。

电梯，电缆，四极开关，应急照明

随着城市化进程的推进，城中村的改造深化，越来越多的高楼拔地而起，不但美化了城市，方便了生活，而且对实现工业化、现代化、缩小城乡差别、推动社会经济发展做出了重要贡献，而且高层建筑的兴起也带动了各行各业。下面就高层建筑设计中常见的几个问题进行探讨。

以一实际工程为例，某市一城中村改造项目，住宅地上34层，地下1层为停车库。地上1层为商业服务网点，2层～34层为住宅，屋顶有电梯机房。屋面结构标高为101.2 m，地下车库高度为5.15 m，设有变配电室。

1 电梯电缆的选型

每单元屋顶机房里设有消防电梯和普通客梯。根据国家规范，分开供电。由建筑专业提供电梯型号，一般一部电梯按20 kW考虑(已含电梯机房插座，电梯井道照明，插座，轿厢照明插座等)。通常按经验选WDZB-YJY-4×25+1×16的电缆，以此为例计算一下末端短路电流和电压损失。

本楼座变压器型号选为SCB9-1 250 kVA,母线选用变压器出线母排选用LMY-3[2(100×10)]+100×10，长度为5 m，母排上馈线选用3(WDZB-YJY-4×185+1×95)长度为并联至本楼座低压配电室，长度为72 m，低压配电室配电柜母排LMY-4[100×10]，2 m，配电柜到末端电梯控制箱的距离为112 m，由当地供电局提供的数据，系统短路容量为200 MVA，如图1所示。

计算整个线路的短路电流如下：

1)三相短路电流：根据《工业与民用配电设计手册》第3版，P154表4-21，查得高压侧系统短路容量换算到400 V时的阻抗值(单位均为mΩ)，高压侧的系统电抗Xs=0.80，系统电阻Rs=0.08；查P155表2-23，变压器电阻Rt=0.93，变压器电抗Xt=7.62；变压器母排，查表4-24得知，LMY-3[2(100×10)]+100×10，母排1电阻Rx1=0.016×5=0.08 mΩ，母排1电抗Xm1=0.181×5=0.905 mΩ；馈线1，3(WDZB-YJY-4×185+1×95)，查表4-25，Rkx1=0.095×72/3=2.28 mΩ,Xkx1=0.076×72/3=1.824 mΩ；低压配电室的母排LMY-4[100×10]的阻抗，查表4-24，母排2电阻Rm2=0.033×2=0.066 mΩ，电抗Xm2=0.181×2=0.362 mΩ，末端馈线，WDZB-4×25+1×16，查表4-25，电缆电阻Rmd=0.702×112=78.6 mΩ，Xmd=0.08×112=8.96 mΩ。系统总电阻R=82.0 mΩ，系统总电抗X=20.5 mΩ。根据162页，式(4-54)计算出三相短路电流为2.72 kA，由P179小于电动机额定电流的0.01倍，所以需要计算电动机对短路电流的影响。由P151公式(4-26)，(4-28)，(4-29)，(4-30)得，考虑异步电动机(该工程电梯选用异步电机)对短路点的影响，异步电动机启动电流倍数取5，I″p=5×0.055=0.275 kA。计算的三相短路电流交流分量初始值为：I″=2.72+0.275=3.0 kA。本工程电梯电动机回路末端选用NM7-125S/63塑料外壳式断路器，短路电流最小持续时间为0.15 s。由P211，式(5-25)，(5-26)算得电缆热稳定允许的最小界面。

热稳定系数C查P212表5-9为137,计算出Smin≈10 mm2，满足热稳定要求，且33.0 kA<35 kA断路器的分断电流。

2)接地故障电流：根据工业与民用配电设计手册第3版，P154表4-21，查得高压侧系统短路容量换算到400 V时的阻抗值(单位均为mΩ)，高压侧的系统相保电阻Rphp.s=0.05，系统相保电抗Xphp.s=0.53；查P155表2-23，变压器相保电阻Rph.p=0.93，变压器相保电抗Xph.p=7.62；变压器母排，查表4-24得知，LMY-3[2(100×10)]+100×10，母排1相保电阻Rphp1=0.048×5=0.24 mΩ，母排1相保电抗Xphp1=0.366×5=1.83 mΩ;馈线1，3(WDZB-YJY-4×185+1×95)，查表4-25，Rphpk1=0.285×72/3=6.84 mΩ,Xphpk1=0.152×72/3=3.648 mΩ；低压配电室的母排LMY-4[100×10]的阻抗，查表4-24，母排2相保电阻Rphpm2=0.066×2=0.132 mΩ，相保电抗Xphpm2=0.366×2=0.732 mΩ，末端馈线，WDZB-4×25+1×16，查表4-25，电缆相保电阻Rphpk2=2.106×112=235.87 mΩ，Xphpk2=0.164×112=18.37 mΩ。系统总相保电阻Rphp=244.1 mΩ，系统总相保电抗Xphp=32.73 mΩ。根据162页，式(4-54)计算出低压单相接地故障电流Id=893.3 A。根据低压配电线路的保护和断路器的选择，瞬时过电流脱扣器整定电流Iset3≥1.2I′stM(电动机全启动电流，取启动电流的2倍)=1.2×5×55×2=660 A。按短路电流校验低压断路器动作的灵敏性，893.3=Idmin≥1.3Iset3=1.3×660=858 A,满足灵敏性。

3)计算电压损失：从始端母线到末端电缆的电压损失，由《工业与民用配电设计手册》第3版，P551表9-78和P555续表9-83算得总的电压损失ΔU%=3.1%<7%，满足规范要求。

综上所述，选用WDZB-YJY-4×25+1×16是满足大部分一类高层普通功率为20 kW左右电梯的供电，应满足三相短路和单相接地故障的要求。

2 四极开关的选用

为了便于供电局的统一管理，一类高层电源进线一般有居民用电进线，公共用电进线两类。根据GB 50016—2014中10.2.7条款，一类高层民用建筑非消防用电负荷宜设置电气火灾监控系统，采用剩余电流动作保护器保护出线回路。根据GB 50054—2011低压配电设计规范3.1.11条款，除在TN-S系统中，当中性导体为可靠接地电位时可不断开外，应能断开所保护回路中所有带电导体。3.1.12条，采用剩余电流动作保护电器作为间接接触防护电器的回路时，必须装设保护导体。所以居民用电配电柜的出线回路选用四极开关，同时断开中性导体。

一般民用供电系统，由于广泛存在三相不平衡，零线有一部分电流存在，投切时会引起相电压波动，影响用电稳定，所以需采用四极开关。根据JGJ 16—2008民用建筑电气设计规范7.5.3条三相四线制四极开关的选用：

1)保证电源转换的功能性开关应作用于所有带电导体，均不得使这些电源并联；

2)TN-C-S，TN-S系统中的电源转换开关，应采用切断相导体和中性导体的四极开关；

3)正常供电电源和备用发电机之间，其电源转换开关应采用四极开关。

本工程为一类高层，消防负荷、普通客梯、应急照明、走道照明、值班照明、安防系统、排污泵、生活水泵为一级负荷，采用双电源供电，当一路电源发生故障时，另一电源不应同时受到损坏，且备用电源为供电网络中独立于正常电源的专用的馈电线路，且两者之间要求采取防止并列运行措施，消防负荷要求末端切换，普通一类负荷选用CB级，消防负荷选用PC级，所选用的电源转换开关均为四极开关。

在民用建筑中，有些特殊功能的房间需要采用局部TT系统接地方式，即使用户侧做了总等电位联结，但因为此时的总等电位联结不包括中性线，线路故障(譬如：某相线接地)在电源侧接地极上产生的电位会传导至用户侧，从而导致在使用三级开关时电气维修的电击事故。此时，需要四极开关将中性线和相线全部隔离。

除此之外，当IT系统引出中性线时，为维修安全起见：IT系统一般不引出中性线，原本不存在采用四极开关的问题。如果引出中性线，当发生一相接地故障时，中性线对地电压将为相电压220 V，电击危险很大，需为电气维修安全安装四极开关。

3 应急照明

很多电气设计人员认为，应急照明就是指疏散指示照明，其实不然。根据GB 50034—2013建筑照明设计标准2.0.19名词解释，应急照明：因正常照明的电源失效而启用的照明。应急照明包括疏散照明、安全照明、备用照明，可见应急照明包括的范围比较广。

1)疏散照明是用于确保疏散通道被有效地辨认和使用的应急照明，在高层建筑中，以一类高层住宅为例，防烟楼梯间及其前室、消防电梯间的前室或合用前室、避难走道，避难层(间)、要进人的地下室等均需设置疏散照明。

2)安全照明是用于确保处于潜在危险之中的人员安全的应急照明，一般在民用建筑中设计的比较少，在工业设计或有工艺流程要求的机械，化工厂的设计中比较常见。

3)备用照明是确保正常活动继续或暂时继续进行的应急照明，如停电可能会发生爆炸、火灾和人身伤亡等事故的场所，或者停电会造成很大影响和经济损失而设的照明。在高层民用建筑中，最常见的有为了保证火灾时消防设备的正常运行和操作而设的照明。如消防控制室的照明，消防电梯机房的照明，消防风机的照明，消防水泵房的照明，消防水箱间的照明，配电室和弱电室的照明都属于为保证火灾时设备的正常运行而设的备用照明。高层建筑底层所带的超市、商场或如银证机构的一些特殊场所，因照明停电会造成一定的经济损失而设的备用照明，也属于应急照明。

对于以上三种照明，虽然都属于应急照明，但是具体所属的功能不一样，从设计角度，消防相关的疏散照明和备用照明要求级别最高，对于一类高层采用双电源再加蓄电池供电，且疏散照明要求连续供电时间不少于30 min；相关备用照明要求连续供电时间不少于180 min，为了保证供电的稳定性，要求两者从不同的回路引来，最好不要共用回路。而非消防相关的备用照明要求级别要低，根据业主的需要，确定是否要加正常电源和备用电源之间切换的中间过渡照明，可以考虑双回路供电。

4 设计与规范之间存在的矛盾

根据GB 50052—2009供配电系统设计规范3.0.3-1：一级负荷应由双重电源供电，当一电源发生故障时，另一电源不应同时受到损坏，除应由双重电源供电外，尚应增设应急电源，并不得将其他负荷接入应急供电系统。强条3.0.9：备用电源的负荷严禁接入应急供电系统。

一类高层建筑中，消防负荷、普通客梯、安防系统、排污泵、生活水泵均为一级负荷。通常做法有以下几种：1)分别来自不同区域变电站的两路10 kV电源，由不同变压器的低压侧出线，互为热备用；2)设自备电源柴油发电机组：a.配出一路，在低压配电柜处设置一个双电源切换装置，双切后面的配出回路作为所有一级以上(包括末端切换的消防负荷)的备用电源。b.配出几路，某些路给消防负荷用，某些路给非消防的重要负荷用(例如上述生活水泵)，柴发配出的线路在变电所的低压柜处分别设置多个双电源切换装置给消防与非消防一级负荷，双切后面的配出回路作为负荷(还需末端切换)的备用电源。以上几种常规做法均与规范有冲突。规范也没有具体指出应急供电系统的分界线在何处，电压等级是多少。如果按规范强条3.0.9条，应急电源只能给应急负荷供电不能给备用负荷供电，必须要引入三路市电和两台柴发，这显然是不符合实际的。如果按照3.0.3-1理解，只有在为一级负荷中有特别重要的负荷供电才设应急电源，那显然不满足普通一级负荷的供电级别。如果从低压配电柜的出线母排处为界点，那又体现不出应急负荷和普通一级负荷的区别。

以上是笔者对自己从事设计几年的心得和体会，资历尚浅，难免有不足和欠妥之处，望各位前辈和同仁指正。

[1] GB 50052—2009,供配电系统设计规范[S].

[2] GB 50054—2011,低压配电设计规范[S].

[3] GB 50034—2013,建筑照明设计标准[S].

[4] JGJ 16—2008,民用建筑电气设计规范[S].

[5] GB 50054—2014,建筑设计防火规范[S].

[6] 任元会，卞铠生，姚家祎.工业与民用配电设计手册[M].北京:中国电力出版社,2005.

On common problems of electrical design in high-rise building

Yang Chunxia

(Taiyuan Urban Planning and Design Institute, Taiyuan 030012, China)

Combining with some high-rise building example, the paper introduces the type selection method for the elevator cable in the architectural design, explores the application scopes four-pole switch in the civil power-supply system, and illustrates the design requirements for the emergency light, so as to provide some ideas for the design of similar projects.

elevator, cable, four-pole switch, emergency light

1009-6825(2016)34-0125-03

2016-09-24

杨春霞(1984- )，女，工程师

TU972

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