某超高层建筑高压配电系统设计

刘捷

结合某工程配电系统实例，就超高层建筑高压配电系统的一些关键技术进行分析，包括负荷等级及供电要求、10kV主接线系统设计、柴油发电机组选择与接线方式等内容，从而达到配电系统安全可靠、经济节能的目的。

一、项目概况

本工程为标志性城市综合体，融购物中心、甲级办公、高级酒店、公寓和综合娱乐等功能于一体。用地面积 3.5万m2，总建筑面积 50万m2，地上建筑面积 38万m2，地下建筑面积 12万m2，地上建筑由一栋超高层塔楼及商业附楼组成。

塔楼共 99 层，建筑高度420m，其中1、2层为门厅及大堂、3～8层为商业、9层为酒店宴会厅等公共区，12～30层为办公，31～80层为公寓、81～99层为酒店客房。

与塔楼相连的商业附楼共 10 层，建筑高度66m，包含大型商场、餐饮、影院、文化娱乐及其他服务设施组成的多种商业形态。

地下室共5层，地下一层局部商业、其余各层为非机动车库、机动车库、设备用房和酒店后场，地下四、五层配建人防工程。

塔楼共设置 8 个避难层，屋顶设有直升机停机坪。

二、电源选择

1.负荷性质

超高层大型城市综合体对供电可靠性要求极高，用电设备以一级和二级负荷为主，其中大型商场、超市和酒店的经营和设备管理用计算机系统用电为一级负荷中特别重要负荷。高度超过250m的建筑，人员密集、火灾危险性大、疏散困难，一旦发生火灾往往延烧时间长、救援难度大，需对消防设施和供配电系统采取更加严格的措施，加强超高层建筑火灾时的自防自救能力。公安部《建筑高度大于250m民用建筑防火设计加强性技术要求（试行）》第二十四条明确消防用电为一级负荷中特别重要的负荷，需设置柴油发电机组作为应急电源。

2.供电电压等级

供电电压的选择，应根据用电容量、用电设备特性、供电距离、供电线路的回路数、公共电网现状等因素，经技术经济比较后确定。

经统计，本工程计算负荷约为38400kW，10/0.4kV变压器总装机容量为49760kVA，10kV直配冷水机组3台，共3300kW，合计供电总容量约为53400kVA。

根据供电容量、项目周边市政电源和线路条件，可采用10kV或110kV两种接入方式。

方案1：采用110kV接入，自建110/10kV用户变电站，变电站采用两路110kV供电， 2台25MVA主变，线路变压器组接线。

方案2：采用多路10kV接入，单路10kV线路最大输送容量按12000kVA左右考虑，共需8条线路，由附近两座110kV变电站各引出4路10kV专线。

两种方案供电可靠性均符合一级负荷供电要求。方案1和2潮流计算合格，电压、系统短路电流水平满足运行要求。投资规模对比，综合电缆接入、通信远动、110kV变电站造价以及其他发生的费用，方案1高于方案2。由于本工程项目用地面积较小，在项目地块内新建用户110kV变电站难度比较大。

通过上述技术和经济分析、比较，最终确定采用8路10kV供电的方案。

三、10kV配电系统

高压配电系统架构和计量方式、物业管理范围的划分密切相关，根据建设方要求，项目建成后将有三家单位分别负责商业、酒店、办公(公寓)的管理，各单位配电系统需各自独立。据此，高压配电采用多10kV配电所系统。商业、酒店、办公采用高压计量，各配电所10kV进线处设置电业计量装置。公寓为产权销售，采用低压计量到户的方式。

商业部分总装机容量为25800kVA，由1#～4#10kV电源供电，设置两座10kV配电所，酒店由7#、8#线供电，办公和公寓由5#、6#线路供电，酒店和办公各设置一座10kV配电所。每个配电所均为两路电源进线，从配电所至各分变电所采用放射式供电，其规模根据分变电所数量确定。

公寓配电系统采用电业部门计量到户方式，其配电系统按照国家电网公司发布的配电网工程典型设计要求，10kV配电系统采用开关站-变电所方式，开关站设有10kV配电进出线，向公寓住户用变电所和公寓公区变电所供电，公区变电所高压侧设置计量。

各10/0.4kV分变电所应有明确的低压供电范围，不宜交叉。在布置上尽量接近负荷中心，缩短供电距离，减少电缆投资，降低电压损失和线路损耗，一般低压配电线路的供电距离不超过250m为宜，因此本工程在地下室和塔楼各功能区分段避难层设置多处分变电所。冷冻机房等大容量设备机房设置专用变电所并贴邻布置。

为便于塔楼地上各设备层变压器的运输和维护更换，要求设置货梯一台，载重量为3.5t。额定容量为1250kVA的10kV干式变压器，其本体重量一般不超过3.5吨，因此塔楼楼层设置的变压器容量均不超过1250kVA。

各功能区分变电所配置情况见表1。

以酒店区为例，其10kV配电系统主接线如图1所示。

图1 酒店10kV配电系统主接线图

10kV配电所采用分段单母线方式，两段母线之间设联络开关。正常工作时联络开关断开，两路10kV电源同时工作、互为备用，分别向两段母线供电。当任一路10kV电源失电后，联络开关手动或自动合闸投入，由另一路电源负担所有重要负荷，停电侧市电恢复后，双路市电恢复正常运行。两路市电的备用和切换功能由微机综合继电保护装置完成。

四、柴油发电机组

1.容量选择

为提高消防用电的可靠性，建筑高度超过250m的超高层建筑消防应急电源应采用柴油发电机组。柴油发电机组作为一级负荷中特别重要负荷的应急电源，在两路市电均失电时投入运行，确保所有特别重要负荷的连续供电。在不影响应急电源配电系统可靠性前提下，应急发电机组也可以作为某些重要负荷的备用电源，如为保障建筑基本运营条件而需保持连续供电的保障型负荷。根据本工程特点和业主的要求，柴油发电机组供电范围如表2所示。

表2 柴油发电机组供电范围

柴油发电机组容量需按照应急负荷或者备用负荷中较大者选择，具体计算时，一般按照使用时段不同即消防和平时两种状态下进行负荷计算。消防状态下，除消防负荷以外，还包括火灾时不能停电的部分负荷：如安防监控系统用电、通讯机房用电、需要继续工作的部分地下室排水泵等。平时停电状态下，发电机组供电负荷应包括平时保障负荷、非消防一级负荷中特别重要负荷以及平时需要保持运行的消防设备，如消控室、火灾报警系统设备等。

民用建筑柴油发电机组容量选择一般按照下述方法进行计算，并取其中较大者：

（1）按稳定负荷计算柴油发电机容量。

（2）按最大的单台电动机或成组电动机启动的需要，计算发电机容量。

（3）按启动电动机时，发电机母线允许电压降计算柴油发电机容量。

具体计算方法可参见《工业与民用供配电设计手册》第四版相关章节，本文从略。

根据计算结果，选用三台应急备用功率为2000KW的柴油发电机组。

2.额定电压选择

考虑到以下因素，本工程选择10kV柴油发电机组：

（1）建筑高度已超过400m，而且柴油发电机房受防火要求、通风条件限制，往往布置在地下室靠外墙部位，配电干线水平传输距离较长，本工程发电机电源最远配电距离将近600m，采用0.4kV机组时，其线路压降、末端短路电流保护灵敏度等均不能满足要求。备用运行时，线路损耗大大增加，配电系统经济性较差。

表1 各分变电所变压器设置

图2 发电机组和市电切换接线方案

（2）考虑三台发电机组并列运行，可以合理分配机组负载，运行灵活，提高发电机组的效率。减小负载突增的冲击，使每台机组如采用0.4kV发电机组，单台机组最大输出电流为3608A，三台并机后电流在10000A以上。对于低压产品，目前0.4kV配电柜和断路器的最大额定电流均不超过6300A，对应发电机组总容量约为3200kW。因此，当并机后总容量不大于3200kW时，才可选择0.4kV机组。

3.供电方案

柴油发电机组和市电切换点的选择分为两种情况：

（1）在10kV配电所处和市电切换。

（2）在各分变电所变压器进线处切换。

第一种方式，发电机组出线回路最少，切换和配电装置少，造价较低。但是风险集于一处，一旦发生故障，就影响到该配电所供电的所有场所的应急电源供电。另外，该方案不能保证应急电源线路的专有性，《建筑高度大于250m民用建筑防火设计加强性技术要求（试行）》第二十四条规定：柴油发电机组的消防供电回路应采用专用线路连接至专用母线段，该切换方式，无法满足这一规定。

第二种方案，多点切换，风险分散，可靠性提高，故障时只影响一处变电所的应急供电，影响范围减小。缺点是发电机组出线回路和配电装置多，造价较高。采用此方案时，发电机组对每个变电所配出两条回路，其中一条为消防专用回路，另一条为保障负荷供电，同时，低压侧设置消防专用母线段，采用和非消防负荷分组设计的方案，可满足专用线路和专用母线段的规定。

发电机组和市电切换接线方案如图2所示。

4.运行方式

本工程10kV市电和发电机电源的切换采用成套电源自动切换装置（ATSE）。当ATSE检测到变电所两路10kV市电均失电后，发电机组延时启动，当ATSE检测到发电机侧正常带电后，自动切换到发电机侧，从而保持供电连续性。当市电恢复后，手动或者自动切换到市电供电状态，发电机组经延时停机。

五、结语

超高层大型城市综合体供配电系统设计内容十分广泛，本文仅针对高压配电系统的设计进行讨论。对于电源和供电方案的选择需仔细分析、充分论证，才能保证建筑高效、安全、经济运行。