超高层建筑变电所设计需注意的几个问题

何 创

(南宁市建筑设计院，南宁 530022)

0 引言

近几年来，随着中国经济的高速发展，各地超高层建筑不断涌现，成为现代化大都市的重要标志。超高层建筑的用电负荷多且单台设备容量大，而且部分大容量设备可能还设置在楼上，为了满足超高层建筑供电可靠性，减少投资、降低运行线路损耗、满足节能及环保需求，本文特从用电负荷等级划分、电源进线电压等级、电源进线数量、变电所设置位置、供配电系统可靠性以及供配电设备选择等方面，对超高层建筑变电所设计时需注意的几个问题进行分析。

1 用电负荷等级划分

参考GB 50052 -2009《供配电系统设计规范》和GB 50016 -2014(2018年版)《建筑设计防火规范》有关规定，笔者建议，可以按下面的原则划分用电负荷等级。

(1)中断供电时将造成政治影响很大、人身伤害、经济重大损失的用电设备应按一级负荷供电。

对超高层建筑主要是以下用电负荷：消防设备负荷、电梯、生活水泵、排污泵、公共照明、航空障碍照明、避难层照明、网络机房用电、安防设备用电、热交换泵、厨房或超市冷库、大型商业或四星级旅馆等经营管理的电子计算机系统，以及新闻发布中心、指挥中心设备用电等。

(2)在一级负荷中，中断供电时将造成政治影响重大、人身伤亡、贵重设备损失或发生爆炸、火灾等灾害情况的负荷，应按一级负荷中特别重要的负荷供电。具体为：网络机房用电、安防设备用电、大型商业或四星级旅馆等经营管理的电子计算机系统，以及省部级及以上新闻发布中心、指挥中心设备用电等。

(3)中断供电时将造成政治影响较大、经济上造成较大损失或影响较重要客户的正常工作的用电设备应按二级负荷供电。具体为：自动扶梯、厨房动力及照明、大型商业照明和空调、四星级及上旅馆客房照明，市级新闻发布中心、指挥中心设备用电等。

(4)其他不属于一级和二级负荷应按三级负荷供电。具体为：一般照明及动力、空调等设备。

值得注意的是，当建筑物高度超过250m时，其消防用电负荷应按一级负荷中特别重要负荷供电；当建筑物高度为100 ～250 m时，其消防用电负荷应按建筑电源最高级别供电。

2 高压电源进线电压及数量

超高层建筑供电电源等级可为10kV、20kV、35kV 或 110kV。在初步设计阶段应从供电可靠性及经济性方面进行供电方案比选，确定采用供电电源等级。超高层建筑正常电源数量不应少于两个，且满足双重电源供电要求，采用专线由上一级变电所或开闭所放射式供电，各路电源应为不同路由的线路。当一路电源断电时，剩余电源应能保证二级及以上用电负荷需求。

高压电源进线数量应根据建筑用电负荷容量及供电电源等级确定。根据《中国南方电网城市配电网技术导则》规定：开闭所设计容量不宜超过 10 000kVA 原则。一般可按下列原则确定电源数量及其工作方式。

(1)10 000kVA以下的用户可采用2路10kV电源同时工作、互为备用的运行方式供电。

(2)20 000kVA以下的用户可采用3路10kV电源2路同时工作、1路备用的运行方式供电，有条件电地区，或采用2路20kV电源同时工作、互为备用的运行方式供电。

(3)30 000kVA以下的用户可采用5路10kV电源3路同时工作、2路备用的运行方式供电，有条件电地区，或采用3路20kV电源2路同时工作、1路备用的运行方式供电；同时工作、互为备用、运行方式供电。

(4)40 000kVA以下的用户可采用2路35kV电源同时工作、互为备用、运行方式供电。

(5)100 000kVA以下的用户可采用2路110kV电源同时工作、互为备用、运行方式供电。高压电源进线电缆应采用耐火电缆。

3 变电所位置确定

要确定超高层建筑变电所的位置，除了要满足相应规范中规定的要求外，还需考虑低压供电半径、建筑各场所使用功能、业态以及大型用电设备设置场所等因素，以满足业主对变电所管理的灵活性及投资、运营的经济性。

笔者曾经设计过一座超高层建筑，总建筑面积约30万m2，地上2栋42层塔楼，地下4层，1～5层为商业，6～42层为办公，建筑高度为178.8m，避难层设于12层和27层。项目1～5层商业空调采用集中空调，冷水机组设置于地下2层，6～42层办公空调采用分散式多联空调机，分别设置于12层、27层及天面层。若按低压半径250m作为设置变配电所的依据，项目于地下2层设置变电所可满足供电要求，但是，笔者考虑到12层、27层及天面层多联空调机设备容量很大，单栋分别为1 379kW、1 379kW、978 kW，并且为三级负荷。经过供电方案比选，并与业主沟通，确定采用分别在每栋12层、27层设置分变电所的供电方案，变电所专供12层、27层及天面层分散式多联空调机用电负荷。

经过综合比较，即使未考虑配电线路过长、运营期间电能损耗节约费用，初期一次性投资也节约了300多万元。

4 供配电系统可靠性

(1)高压配电系统

超高层建筑的高压配电系统宜采用总配变电所——分变电所结构形式，总变电所应采用单母线分段的接线形式，由总变电所引至分变电所应采用放射式配电方式，配电电缆应采用耐火电缆。高压配电系统高压系统的配电级数不宜多于两级。

(2)低压配电系统

超高层建筑低压配电系统结构形式应采用单母线分段接线形式，两段母线之间设联络断路器，为了提高应急负荷供电可靠性，宜设置一段应急母线段，为消防及重要负荷等应急负荷供电。发电机与市电之间采用机械、电气连锁。

超高层建筑低压配电形式可采用放射式或树干式配电方式，对于单台容量大或重要的设备应采用放射式配电，其他可采用树干式或树干式与放射式相结合的配电方式。为了提高供电可靠性，重要负荷各级配电系统相互之间要求保护开关动作具有选择性。当配变电所设置于避难层时，其配电线路不应穿越上、下避难层供电。

超高层建筑低压配电电缆线路是保障或防范电气火灾的重点。对于消防设备负荷应采用矿物绝缘电缆配电，对于非消防设备负荷宜采用低烟无卤阻燃绝缘电缆或母线槽配电。鉴于超高层建筑特点，当采用母线槽配电时，由于母线槽是刚性结构，应考虑建筑物的扰动，选用时应慎重，或需隔一定的距离(高度)设置缓冲设施；对于火灾时由于普通电梯负有避难层救援工作，其配电线路应按消防设备负荷配设电缆。

5 发电机选择

超高层建筑发电机组的位置确定，除了要满足GB 50016 -2014(2018年版)《建筑设计防火规范》有关规定外，还需考虑供电半径，以及建筑各场所使用功能、业态等因素，以满足电压损失在规范允许范围，以及业主管理的灵活性、投资的经济性。

超高层建筑往往是城市综合体，建筑面积大，使用功能、业态复杂，发电机设置数量应与业主充分沟通，了解业主需求，才能设计出既满足规范要求又满足业主对投资、管理的管控要求。例如某超高层建筑，其建筑面积较大，建筑内包含有旅馆、商业、超市、办公等功能，业主为了管理方面需要在旅馆、超市单独设置发电机。发电机容量确定同样应与业主充分沟通，其既可作为应急电源使用，也可以作为备用电源使用。当备用电源满足应急电源条件时，备用电源可以兼作为应急电源。有些业主为了节省投资要求，发电机容量仅按满足应急电源容量要求考虑，但有些业主却要求发电机容量按满足备用电源容量要求考虑。发电机组额定输出电压应由供电半径确定：250m及以上超高层建筑或供电半径≥300m时，宜采用10kV发电机组；250m以下超高层建筑或供电半径<300m时，宜采用0.4kV发电机组。

6 楼上变电所设计

超高层建筑的一个明显特点就是建筑高度高，这对电气设计的影响就是在设计变电所时要考虑供电半径问题。

低压配电线路供电不宜超过 250 m，因此，当建筑高度大于200m，应设置楼上变电所；当建筑高度小于200m，应进行供电方案比选，并与业主进行沟通，确定是否设置楼上变电所。

若设置楼上变电所，变压器后期运营维护是个关键问题，由于变压器的使用寿命一般为30年，而建筑使用寿命一般为50年，而且变压器也无法保证在正常寿命期间不会损坏，这就带来了一个如何维修或更换变压器的问题。

变压器运输方式是解决更换变压器的关键。目前变压器直接运输方式有两种，一种是采用货梯直接运输，该方式要求设置一台货梯，方案阶段应与建筑专业协商并征得业主同意，选择满足变压器重量和尺寸的货梯；另一种是采用电梯井道运输，这种运输方式需要在更换变压器前，将电梯轿厢下降到底，拆除原有的电梯曳引绳等，在井道内安装一套提升设备及滑轮组，将变压器本体通过井道提升上去。设计阶段应向建筑专业提供预埋吊钩方案，以及变压器尺寸，吊钩的承载力应大于变压器重力，电梯井道尺寸应大于变压器尺寸。

解决变压器后期运营维护方法还有一种：即预留备用变压器法，也就是在每个楼上变电所内备用1～2台相同型号的变压器。由于不同厂商、不同型号电变压器重量、尺寸不同，建议楼上变电所变压器单台容量不超过1 250 kVA 为宜。

楼上变电所的中性点接地宜采用建筑物基础接地体，通过电缆竖井采用铜排或铜缆与建筑物基础接地体连接。保护接地可利用建筑本层的主要钢结构体做接地体，在变电站供电范围之内，PE线及用电设备外壳均应与各层钢结构做等电位联结。

7 结束语