超高层建筑供配电系统设计

张 斌

(1.上海交通大学, 上海 201100;2.华东建筑设计研究院有限公司, 上海 200002)

0 引 言

随着我国经济高速发展,超高层地标建筑不断涌现,并逐渐演变成衡量城市现代化和经济发展水平的重要标志。相比一般高层公共建筑,超高层建筑功能更多、用电负荷总容量更大、供电距离更远,其供配电系统相应更为复杂。超高层建筑供配电系统方案的确定是一个综合的设计过程,其中如何确定高压系统结构、设置分配变电所、选择应急电源电压等级显得尤为重要。

1 超高层建筑供配电设计特点

超高层建筑相较于其他民用建筑,最显著的特点是楼层数多,建筑高度达100 m以上,相应的供电距离较远。近年来,超高层建筑的高度往往都超过250 m,其供配电系统特点更为典型。本文主要围绕高度超过250 m的超限高层建筑进行讨论分析。

超高层建筑体量规模往往很大,单位面积用电负荷多在80～138 VA[1],通常需要采用多个10～110 kV电源供电[2]。同时超高层建筑多为商业、酒店、公寓、办公等多种功能的综合体,各业态常规根据机电设备层按区段分开,故供配电系统一般按业态划分。

此外,超高层建筑对供配电可靠性要求较高,故除市电外还应设置柴油发电机作为应急或备用电源。柴油发电机的电压等级取决于其供电距离[3-4]。

2 供配电系统设计难点

2.1 供电距离

依据相关规范[5],供电线路电压降不应大于5%,而LEED认证的ASHRAE标准要求更高,规定“支流导线粗细应适应于设计荷载2%的最大电压下降”。电压降计算公式:

式中:Un——电压等级;

R——电阻;

X——感抗;

I——计算电流;

L——供电距离。

0.38 kV电压等级下(以1 000 A密集铜母线及240 mm2电缆为例),线路电压损失供电距离计算如表1所示。

表1 0.38 kV线路电压损失供电距离计算

由表1可见,0.38 kV低压配电系统电缆供电距离不应大于256 m,1 000 A母线供电半径不大于155 m。如根据LEED标准,两者供电半径分别减少至102 m和62 m。

2.2 周边电压条件

超高层建筑电源电压等级通常为10 kV、20 kV、35 kV、110 kV,但电源数、电压等级、单路电源容量实际还受地区周边供电电压条件限制。

2.3 地上变配电所设置条件限制

超高层上塔楼变电所通常按业态或物管要求分设,还受建筑空间条件限制。地上变配电所需设置在各设备层,而设备层设置楼层以及净高往往是由建筑专业决定,故对地上配变电所设置位置有所限制。此外,机电设备层面积有限,对地上分配变电所面积有一定限制。

2.4 地上变压器运输

超高层建筑地上变压器常规可通过货梯直接运输或利用电梯井道运输,变压器单台容量受电梯载重量及井道空间限制[6]。

3 变配电所设置分析

超高层建筑高压电源电压等级通常为10～110 kV,本文按10 kV为例计算分析。

3.1 高压供配电系统结构

超高层高压供配电通常采用主分、放射式、二级配电[3]或两种混合型。主分结构即在超高层建筑中设一个或多个高压总配变电所(多设于地下室)。放射式是向各分变电所变压器供电。二级配电即由高压第一级变电所先向中压第二级变电所供电,再由二级变电所向下级变压器供电。两者主要区别是二级配电多一级高压配电,前者高压电缆较多,简单可靠;后者高压柜多,可靠性稍低。

以10/0.4 kV配电系统为例,根据供电距离及下级变压器数量不同,线路电压损失供电距离计算如表2所示。

由表2可见,当下级变压器数量为4台时,供电距离小于475 m,采用主分结构经济性较好,供电距离大于475 m时,可考虑采用二级配电结构;但下级变压器数量为6台时,供电距离超过235 m时,二级配电结构经济性开始好于主分结构。

表2 10/0.4 kV线路电压损失供电距离计算

综上所述,供电距离远且下级带的变压器数量较多时,二级配电结构经济性更好,否则宜采用简单可靠的主分配电结构。此外,高压供配电结构还取决于各业态分变配电所需是否需独立管理。对于综合性较高多业态独立管理的超高层建筑,也可采用两者混合型配电结构。

3.2 配变电所设置

超高层建筑变电所设置问题较为复杂,一方面变电所设置应尽量缩短供电电缆长度,同时因条件限制宜尽量减少设置在塔楼上的分变电所数量及变压器台数。本文主要讨论超过250 m超限高层建筑,因塔楼上设置分变电所的比选方法较为简单,故本文仅分析更为复杂的情况。

以某300 m超高层项目为例,每层面积约为2 200 m2,业态均为办公,楼层数为60层,其中设备层为10F、20F、30F、40F及50F,不计地下室及集中冷热源负荷。不同变电所设置方案如图1所示。

图1 不同变电所设置方案

为简化计算,平均层高按5 m估算,干线电缆数量按变压器容量乘以校正系数(取0.02),假设建筑内负荷分布均匀,即干线电缆长度取供电距离均值,线路年有功损耗按文献[7]相关公式计算,根据办公建筑负荷运行特点,τ取4 000 h[8],线路选用240 mm2铜芯交联聚乙烯电缆,消防、备用负荷数按总电缆1/3考虑。

按文献[7]变压器节能评价的年平均费用法对上述4种方案进行经济技术比选(设备、电缆价格均按经验值,高低压柜、变压器等设备经济使用周期取20 a,电价取1元/kWh)。4种方案经济比选如表3所示。

表3 4种方案经济比选

由比选结果可见,方案三经济性最佳,其次为方案二、方案四。即有条件时,应在每个避难/设备层设置楼层分变电所,这样供电半径最小,减少低压电缆用铜量及线路损耗。但大多数情况下,超高层建筑仅有部分避难层有条件设置配变电所,此时可选次优的方案二或方案四。另外,方案二与方案四经济性计算结果相近,但方案二变压器相对集中设置,分变电所数量较少,且更有利于灵活调配用电负荷。

4 柴油发电机电压选择

以1 000 kW柴油发电机组为例,对柴发电压等级作计算分析,假设在停电或火灾时应急线路计算电流为1 600 A。根据电压降计算公式,不同电压等级下线路压降与供电距离如表4所示。

由表4可得,选用0.4 kV低压柴油发电机组在保证线路电压降不超过5%时,采用电缆供电极限距离约为242 m,采用母线供电最大半径约为192 m,放大规格后约为254 m。

表4 不同电压等级下线路压降与供电距离

在上述设定条件及压降计算基础上进行经济性分析。线路压降与供电距离经济性分析如表5所示。

表5 线路压降与供电距离经济性分析

由表5可见,方案二的总造价最低,其次为方案三。柴发电压为0.4 kV时,在保证电压降不超过5%条件下,最大供电距离约为240 m,否则需要进一步放大线缆截面,经济性随之下降。此外,发电机容量较大时线路计算电流随之增大,采用多路或多拼电缆供电不合理,需采用防火母线供电,会增加线路造价。而采用10 kV线路压降小,在供电距离大于250 m时经济性较高,但高压发电机控制维护较为复杂,对操作人员要求较高。

综上所述,超高层建筑在发电机容量较小且供电距离小于250 m时电压等级宜选择0.4 kV,反之可以考虑选用经济技术性更好的10 kV方案。

5 结 语

本文介绍了超高层供配电系统的几大特点,对主要的设计难点问题进行了计算分析,通过经济技术比选总结出了一些规律和结论。超高层建筑供配电系统较为复杂,在实际设计过程中还会遇到许多限制条件,还需电气设计人员结合具体情况,灵活运用本文提供的方法思路,反复论证比选方案,以期做到供配电系统安全、经济、合理。