200米超高层建筑避难层变电所设置探讨

杨春丽

(北京维拓时代建筑设计股份有限公司，北京 100025)

0 引言

依据笔者近年参与的多个超高层建筑设计的经验，本文主要针对200m左右的超高层办公建筑，对超高层建筑内变电所设置方案优化问题进行探讨。参考《全国民用建筑工程设计技术措施(2009版)》电气的规定：低压线路的供电半径一般不超过200m；当供电容量超过500kW，供电距离超过200m时，宜考虑增设变配电所。对于高度200m的建筑，如变电所设在地下层，低压供电线路的水平距离加上垂直距离，远端供电距离会达到250m，处于低压供电半径的极限值。线路电压降可能超过规定值，导致供电质量下降，同时电能损耗加大，影响到电梯等设备的运行。配电系统设计的合理性，直接影响到设备投资及后期运行管理，针对处于供电半径临界边缘的建筑，避难层是否设置分变电所需做技术分析及方案比选。

1 项目概况

在多个200m左右的超高层建筑中，选择具有典型性、代表性项目作为样本，对避难层是否设置变电所进行经济技术分析比较。

本项目位于天津，建筑高度195m，建筑面积约11万m2。地上42层，地下2层。地下为停车库，地上1～3层为商业裙房，地上4～42层为办公，其中4、20、35层为避难层。

2 低压供电线路电压降与供电距离关系分析

根据GB 50052-2009《供配电系统设计规范》规定，用电设备处电压偏差要求宜为±5%，高档甲级写字楼要求更高一些。一般情况，设计中控制干线电压降在3%～3.5%，支线压降1.5%～2%。在超高层建筑配电系统设计中，首先针对常用电缆、母线规格两种供电方式，分别进行干线电压降及供电距离进行初步计算分析。

2.1 交联聚乙烯绝缘电缆供电

假定前提条件：负荷为三相平衡，电缆载流量按环境温度40℃，敷设在空气中选择，电缆载流量修正系数取值0.7，cosφ取值0.9，θ=80℃，核算常用大截面交联聚乙烯绝缘电缆供电距离见表1。

三相380V交联聚乙烯绝缘电缆电压降与供电距离 表1

由表1可以看出，如果将干线电缆压降控制在3%以内，即便采用240大截面电缆供电，供电距离仅为165m。即当负荷电流达到300A以上，供电距离超过150m时，依靠增加电缆截面来增加供电距离，作用已经非常有限。

2.2 密集式铜母线供电

假定前提条件： cosφ取值0.9，θ=65°；密集式铜母线供电，干线电压损失见表2。

三相380V铜母线槽的电压损失(%) 表2

假定有负荷参数如下：在cosφ=0.9，供电距离L=200m，负荷计算电流I=800A运行条件下，由表2可以得出采用 1 000A 母线供电，其最小电压损失为：0.03×200×800=4.8%，采用1 250 A母线供电，其最小电压损失为0.026×200×800=4.16%，采用 1 600 A 母线供电，其最小电压损失为0.021×200×800=3.36%。也就是说如果负荷运行电流在800A时，密集母线需要加大截面采用1 600A，方可基本满足干线电压损失3%的要求。

当供电距离达到200m时，为满足线路电压降要求，供电母线截面可能要加大2级以上，供电线路的造价成本要增加很多，造成线路方案不经济。

3 负荷估算

负荷估算是供电系统设计的基本依据，在方案阶段，可根据项目建筑规模、使用功能、办公用电负荷特点等进行用电估算(估算数据参见表3)，本项目采用单位指标法来确定变压器容量。

负荷密度及负荷估算 表3

表3为本项目负荷估算,变压器总装机容量为9 600kVA。接下来变压器单台容量、台数、变电所设置数量以及设置位置是供电方案选择的关键点。

4 供电方案比选

本项目建筑高度195m，主体塔楼正下方地下一层层高较高,变电所可布置在塔楼核心筒附近，变电所至核心筒水平距离长度较短，加上竖向距离，刚好处于供电半径的临界边缘；同时，由图1可见本项目建筑形态采用退台方式，使得20层避难层以上办公面积指标比较小，仅占整个塔楼办公面积的四分之一左右，两个因素导致是否在避难层设置分变配电所难以选择取舍，必须同时结合技术性与经济性，对本项目进行供电方案综合分析。

4.1 确定比选方案

本项目20层避难层以上，21层至42层办公面积约13 800m2，办公用电负荷密度取值80W/m2，则21层至42层办公用电负荷约为1 104kW，加上考虑中区、高区电梯、高区水泵、空调机组其他用电等，可设置两台800kVA变压器。整个项目采用电制冷中央空调系统，空调制冷机房、水泵房、换热站等主要设备站房集中在地下层，裙房商业、20层以下办公供电等大量用电集中在20层避难层以下，这部分负荷由设置在地下一层的变配电所供电，变电所深入负荷中心，供电半径也合理，不在方案比较之列。下面对2个供电方案进行比较。

方案一：根据负荷估算情况，地下一层设主变配电所，安装2 000kVA变压器4台，为地下车库、地下设备站房、地上1～3层商业、地上4～19层办公供电；20层避难层设置分变配电所一处，安装800kVA变压器两台，为地上21～42层办公供电。

方案二：两台800kVA变压器设置在地下一层主变配电所，20层避难层不设分变电所，其他同方案一。仅针对20层以上办公用电，是否在20层避难层设置分变配电所进行比较。

两个方案供电示意如图1～2所示。

图1 方案一供电示意图

图2 方案二供电示意图

4.2 压降与截面选择

电气设计中电缆截面的选择应主要遵照以下原则：电缆载流量、与保护开关的配合(大于断路器额定电流)、按电压损失校验截面等。

避难层以上21～42层办公面积约 13 800m2，用电负荷密度80W/m2，用电负荷约为 1 104kW，需用系数0.8，计算电流约为 1 491A，采用两条密集母线集中供电，分别为奇数层偶数层供电，不考虑两条母线相互备用预留因素，在cosφ=0.9，I=1 491A/2≈750A运行条件下，两种方案电压损失(%)计算如下。

(1)方案一：避难层设分变电所， L=100m，采用800A母线，其最小电压损失为：0.038×750×0.1=2.85%，满足压降要求。

(2)方案二：避难层不设分变电所，L=200m，采用铜母线时，槽电压损失情况参见表4。

方案2铜母线槽电压损失(%) 表4

在20层避难层不设分变配电所的情况下，20层避难层以上的办公用电母线槽供电距离过长，需要加大母线截面，采用1 600A母线，方可基本满足压降要求。

4.3 母线初期成本对比

假定铜价为：60 000元/t，密集母线价格粗略约为2.5元/m/A，母线初期成本方案一较方案二节省120万，计算结果见表5。

2种方案母线初期成本比较 表5

4.4 线路电能损耗对比

配电线路导体通过电流，会产生电能损耗，与导体材料、截面和长度有关。

三相线路有功功率损耗为：△PL=3I2R10-3kW，其中，R为每相线路电阻，R=rl；l为线路计算长度，m；r为线路单位长度的交流电阻，Ω/km；三相线路年有功电能损耗为：△WL=△PLτ。

假设：办公年最大负荷利用小时数Tmax：2 790h，年最大负荷损耗小时τ，采用《工业与民用供配电设计手册》第四版，图1.10-7τ与Tmax的关系曲线查得，按一般工商业电价0.8元/kWh，考虑电缆寿命为30年。方案二因压降因素加大了母线截面，但是利于降低线损，在生命周期内累计线损费用，两种方案母线线路能耗比较见表6，方案一比方案二低9.72万，差异并不特别明显。

2种方案线路能耗比较 表6

4.5 综合分析

对20层避难层及以上高区电梯、避难层生活水泵、中水泵、空调机组等设备用电，对比方案一、二进行上述相同分析，结果显示与方案二相比，方案一综合技术经济指标有优势，分析数据不再一一列举。

另外，还应综合考虑以下因素：方案一、二两种供电方案中，方案一设置主、分两个变配电所，分变配电所不需24 h值班，但是需要巡查，运营维护会增加部分成本；方案一的变配电所总面积稍有增加，但是分变配电所设在避难层，除满足避难层有效避难面积外，对其他影响不大；方案一需要增加两台高压负荷开关柜，以及增加主变配电所至分变配电所的10kV高压电缆等初期投资成本；方案一存在变压器运输问题；方案二竖向母线为4条，核心筒电气管井面积增大，对标准层办公使用面积有影响。

综合上述低压配电干线，变电所面积、开关设备、运营维护等多方面因素考虑后，避难层设置分变配电所，由于配电变压器深入负荷中心，减少了大量低压出线电缆及长度，降低了低压配电线路初始投资造价，同时也减低了长期运行的配电线路损耗费用，方案一具有一定的综合技术经济优势，建议选择方案一。

5 变压器运输问题

在本项目方案设计阶段，供电方案比选过程中，避难层设置分变配电所，应结合建筑专业、电梯专业综合考虑变压器垂直运输问题，包括首次设备安装及日后维修更换。针对这一问题，项目组对多个超高层建筑进行了实地考察调研，目前超高层建筑一般有以下几种解决方式。

5.1 利用货梯(消防梯)运输

首先，尽可能利用现有货梯(消防梯)，二次搬运方便，不存在破坏其他设施的风险。如北京东三环某写字楼项目，设置一台特大货梯载重4 000kg，速度2.5m/s，从地下4层至地上56层逐层停站，需要时运载大型设备如变压器，也很好的满足了日常大型办公家具的运输问题，收到了很好的效果，另外该项目设置两台消防电梯，每个防火分区一台，载重量1 600kg，速度5.0m/s，平时兼服务电梯使用，虽然大荷载货梯初始投资较大，但是值得借鉴。其货梯、消防梯的设置情况参见表7。

北京东三环某项目货梯、消防梯设置表 表7

5.2 利用电梯井道运输

利用电梯井道运输，要求井道尺寸大于变压器本体尺寸，这种方式需要拆除电梯曳引绳，在井道内安装专业提升设备，从电梯井道内吊装变压器到避难层，工艺复杂，施工难度较大。项目市场调研表明采用此方式的案例不多见。从技术角度分析，电梯井道四周设有电梯导轨及随缆等设备设施，变压器吊装过程中稍有碰触，导致整条导轨报废，需要重新采购安装、同时需要经过技术监督局重新验收，施工周期较长，代价也比较大。

5.3 变压器拆分运输

把变压器拆分后到通过电梯运输至避难层安装。对于铁芯为叠片式的变压器，按国家标准要求在工厂内完成安装测试，出厂前进行各项试验。由专业技术人员对变压器进行拆解，将变压器分解为铁心片、线圈、夹件等几部份部件，所有拆解的部件重量应满足电梯荷载要求，通过电梯垂直运输至避难层安装现场。

全部装配工作完成后应进行重新试验，试验合格后变压器方可就位，并拼装好保护外壳，最后做接收试验。 试验项目包括：绕组直流电阻、绝缘电阻、工频耐压试验、空载试验、变比测量等。

5.4 设置平台吊装

避难层设置可伸出室外的吊装平台。这种方式优点明显，投资较少，对核心筒走道、开门没有特别要求。但是在二次运输过程中，需要拆除平台处的可拆卸百叶，吊装过程中存在破坏外立面幕墙的风险，多个超高层项目中有应用，也是本项目建议采用的方案。图3为北京某超高层写字楼避难层吊装平台。

6 结束语

随着城市超高层建筑越来越多的发展，电气专业设计应结合具体项目的特点，进行多方面、多维度综合分析，不宜简单以供电距离单一因素进行主观判断。通过上述分析归纳总结，避难层设置分变配电所，具有比较明显的优势，200m超高层建筑中

图3 变压器吊装平台