超高层建筑电气设计的关键技术探究

徐 艳 南京城镇建筑设计咨询有限公司工程师

在进行超高层建筑电气设计时，要区别于一般建筑。设计人员要考虑超高层建筑电气设计的特点，并且做好现场勘查，掌握正确的设计思路，科学调配好不同系统间的关系，合理地选择和设计配电系统形式，从而使系统运行具备较强的平稳性以及安全性，全面提高超高层建筑电气设计效果，延长设备的使用寿命，凸显现代化的建筑电气设计优势。

1 超高层建筑电气设计概述

1.1 超高层建筑电气设计的特点

电气设计对超高层建筑有着重要的意义，也是关键的设计环节，主要是由于电气设计关乎到建筑的用电安全，而超高层建筑相比一般建筑，发电系统和供配电系统更依赖于电气设计，并且结构之间朝着更加复杂的方向不断发展。在超高层建筑电气中需要较多类型的用电负荷，为了防止对用电造成一定影响，需要不断完善当前的建筑电气设计方案，并且全面巡视现场情况，及时发现异常因素，不断充实当前的设计方案，使整体设计水平能够得到全面提高。

在实际设计时需要严格遵循国家的规范标准，选择合适的设计等级，同时考虑当地电力的实际情况，选择正确的电源。针对使用功能的特点合理配置电气设计指标，全面增强电气设计科学性能[1]。在超高层设计中，由于配电的传输距离较大，因此需要遵循可靠性的设计原则，分段分区域设计，使系统运行能够具备较强的平稳性。

此外，超高层建筑中的人员非常密集，一旦出现安全事故将很难在短时间内疏散人群，并且会增加安全问题的发生概率。因此在实际工作中需要开展更加科学的电气设计，融入与之对应的消防用电设备和应急照明设备，使人们在危险发生时可以有序逃离现场，并且通过采取相对安全的措施减少危险的发生，从而全面提高整体设计效果。

1.2 超高层建筑电气设计基本要求

首先，在建筑电气设计时需要遵循安全性原则，任何建筑的设计都需要将安全性放在首要位置，超高层建筑电气设计更不例外。在实际设计时需要将安全因素落实到不同设计环节中，同时还需要考虑电气系统本身运行的稳定性。由于超高层建筑楼层较高，增加了整个供配电系统的电压损失及线路功率损耗，造成了资源的浪费，因此需要合理且有效地规划供配电方案，最大程度上减少损耗。例如，在建筑物的地下层可以设置对应的柴油发电机，使建筑能够满足持续供电的标准，在相应的避难层设置变电所，以缩短供电半径及用电距离，提高整体设计的合理性和可靠性。

其次，在超高层建筑电气设计中还需要遵循节能性原则。随着现代社会的不断发展，节能环保已经成为人们广泛关注的话题，并且节能环保意识在各行各业得到了广泛应用，使行业朝着新的方向不断进步。当前，在超高层建筑电气设计中融入节能理念的优势较为突出，不仅可以减少资源的浪费，还有助于降低周边环境的影响。将节能环保意识落实到不同的设计思路中，可以有效地增强整体的设计效果。例如，在设计中采用多种照明控制方式，将智能照明与感应末端相结合，后期可满足业主的各种控制需求；采用能源管理云平台系统及预付费售电管理系统，能够做到实时实地的能耗监测。利用现有建筑的屋顶结构和面积，结合太阳能光伏发电系统能够做到光伏建筑一体化设计（Building Integrated Photovoltaic，BIPV），利用自然资源达到低碳建筑的节能效果。节约的用电量能够用于超高层建筑的其他环节中，真正实现资源的科学调配，从而全面提升资源管理效果。接下来主要从供配电系统设计、照明设计、火灾自动报警设计、防雷设计、应急电源以及能耗监测等几个方面简要阐述超高层电气设计的主要特点。

2 超高层建筑电气设计的要点

2.1 供配电系统的设计

在超高层建筑电气设计中，供配电系统的设计为关键组成部分，对于建筑物高度超过100 m 的超高层建筑，主要通道照明、办公室照明、障碍照明、安防系统、客梯电源、生活水泵、消防控制室设备电源、火灾自动报警设备、漏电火灾报警系统、消防设备电源监控系统、防（排）烟设备、火灾应急照明、疏散照明、消防电梯以及消防泵等属于一级用电负荷设备，扶梯和空调用电为二级用电负荷设备，其他各用电设备均为三级用电负荷设备。

一级用电负荷设备应采用双重电源同时供电，当有一路电源发生故障时，另一路电源不会同时受到损坏；二级用电负荷设备宜采用两回路供电。对消防负荷末端设自动转换开关电器（Automatic Transfer Switching Equipment，ATSE）装置自动切换，普通一级负荷末端设ATSE 装置自动切换，非消防负荷中的二级负荷的空调和制冷机组等采用变电所低压母联切换。

为满足供电半径要求，且最大限度减少供电损耗，变电所可分别设置在地下室和避难层等场所。在超高层建筑物内避难层和设备层变电所的变压器容量不宜大于1 250 kVA，并考虑专设运输通道。若采用单相变压器组成三相变压器时，则单相变压器的容量不应大于800 kVA，此时可以不专门设置运输通道。

因为超高层建筑物的高度比较高，对于长距离敷设的刚性供电干线，应避免预期位移引起的电缆损伤，所以固定敷设的线路与重要设备、供配电装置间应选用可靠的柔性连接方式。鉴于超高层建筑物消防的重要性，其普通负荷的配电干线应采用低烟无卤阻燃型电缆，消防用电设备的供电干线应采用矿物绝缘类不燃性电缆以及低烟无卤阻燃耐火电力电缆，所有选择的供配电电力电缆的燃烧性能等级应为B1 级。此外，超高层建筑物的垂直配电干线可以采用电缆转接封闭式母线槽的形式进行供电。

由于超高层建筑物的特殊性及消防的重要特性，在避难层设置了消防水泵及转输水箱。其转输水泵应由设置在转输水箱上的液位控制器进行控制，应自成一套系统，由该建筑物的主消控室控制。消防水系统的压力平时应由避难层转输水箱及其稳压装置保持，当某个分区管网中的压力下降的时候，该分区的稳压装置启动，系统的压力恢复到工作压力后，稳压泵停止工作。

2.2 照明系统的设计

超高层建筑物的照明主要分为正常照明、备用照明、航空障碍照明、应急照明以及疏散指示照明。

对于普通照明，建筑物高度超过100 m的超高层建筑，其主要通道照明和重要办公照明应为一级负荷，需满足双重电源供电的要求。可采用多种照明控制方式，将智能照明与感应末端相结合，以满足业主的各种控制需求。智能照明系统采用手拉手总线方式控制，可以通过中控计算机、触摸屏对相关区域灯光进行集中控制，也可以通过中控计算机设定时间，自动控制相应的灯光照明。同时，普通员工也可以通过照明控制箱附近的数位开关按钮进行手动控制，或通过模块手动控制按钮控制任一个单个回路灯光。此外，用户还可以通过计算机或触控屏去监视每个回路的工作状态，如灯具的开、关状态。

航空障碍标志灯应按照一级负荷双重电源供电，对于高度超过100 m 的超高层建筑物应分段设置，航空障碍灯的水平安装间距不大于52 m，垂直安装从自地面以上45 m 的位置开始，以不大于52 m 的距离等间距布置。对于100～151 m高的建筑物应采用中光强，对于151 m 以上的建筑物应该用高光强[2]。

超高层的消防应急照明及疏散指示系统应选用集中控制型集中电源，其系统应由应急照明控制器、A 型应急照明集中电源、A 型消防应急照明灯具以及A 型消防应急标志灯具等组成。消防应急照明灯具的照度为疏散走道不低于3.0 lx；楼梯间、前室或合用前室不低于5.0 lx；建筑面积超过400 m2的办公大厅、会议室等人员密集场所不低于3.0 lx；对于人员密集场所的楼梯间，前室或合用前室、避难走道不低于10.0 lx；避难层出口应设置避难层出口标志灯，且应设置双面方向标志灯指向避难层的出口，设置应急照明灯具的照度不应低于3.0 lx；直升机停机坪地面应设置直升机停机坪疏散照明灯具，其最低照度不应低于10.0 lx。

在对照明末端的保护上，可以在中庭、报告厅等大空间的上部照明线路设置故障电弧探测器。相关数据表明，照明线路故障所引起的火灾占电气火灾的10%左右。由于中庭顶部较高，如果发生火灾不容易发现，也没有办法在其上面设置其他类型探测器，只有设置具有探测故障电弧功能的探测器才能保证准确探测照明线路故障引起的火灾。当故障电弧探测器在1 s 内的故障电弧半波数大于14 时，30 s内就会向相关值班人员报警，从而在早期预警防止火灾发生[3]。此外，电弧故障保护电器同时可以探测电缆老化处或触头连接处产生的容易引发火灾的故障电弧，在火焰出现前自动切断被保护电路。

2.3 火灾自动报警系统和防雷系统设计

高度超过100 m 的超高层公共建筑物，其火灾报警系统宜采用集中报警系统和区域报警系统相结合的方式，区域火灾报警控制器宜设置在各避难层。集中报警控制器与区域报警控制器之间宜采用环形接线的方式。为便于火灾情况下消防联动控制的操作和实现，防止相应受控设备的误动作，在现场设置的火灾报警控制器应分区控制，所连接的火灾报警探测器以及手动报警按钮和模块等设备不应跨越该控制器所在区域的避难层。区域火灾报警控制器仅对相应的排风机进行联动控制，其直接手动控制应通过消防控制室内的手动控制盘实现。

在进行防雷系统设计时，结合防雷规范的相关要求，根据当地雷暴日及建筑指标一般将超高层建筑划分为一类或二类防雷建筑物。可利用建筑造型设置接闪针或接闪带，建筑物外部防雷应采取防直击雷、侧击雷的措施，并结合幕墙的防雷设计，预留出幕墙防雷装置的引出点，使建筑物内的钢架结构和钢筋混凝土中的钢筋相互连接，利用钢柱或者钢筋混凝土柱子内钢筋作为防雷装置的引下线。结构圈梁中的钢筋每3 层连成闭合环路作为均压环，并同防雷装置引下线连接。内部的防雷应采取防闪电电涌侵入、防反击的措施[4]。

2.4 应急电源的设计

超高层建筑的供电除采用双重电源供电外，还可以采用柴油发电机作为备用电源。对于超高层建筑，为减少线路电压的损失，供电至塔楼高区的发电机宜采用高压发电机，而供电至塔楼低压区及地下室的发电机宜采用低压发电机。发电机房的位置应当结合建筑物的布局，尽量靠近用电负荷。

2.5 能耗监测与管理系统

超高层的电气设计中，考虑到用电量大且密集，可采用具有实时监测管理功能的能源管理云平台系统，其能为用户提供能源数据采集、统计分析、能效分析、用能预警以及设备管理等服务。超高层建筑中同时存在用户业主较多、电能管理及收费工作较为繁杂等问题，可采用预付费售电管理系统进行解决。此系统经电表通过网络进行充值操作，当欠费时电表将自动切断回路，电表电源取自开关上端，并实时监控回路是否存在异常。电表LCD 显示剩余电量、累计用电量、余额报警设置、通信异常判断、用电/购电记录、付费模式选择（预付费和保电模式）、电压、电流、功率、电能计量以及时间等信息[5]。网络预付费电表系统支持网络查询，支持微信和支付宝充值，使电气技术的运用更具时代性和人性化。

3 结语

进行超高层建筑电气设计的过程中，不仅要求设计人员根据超高层建筑特点匹配合理的设计，还要科学有序地部署好电气设计的不同组成部分，同时还要融入最新的技术，使超高层的电气设计在满足基础需求和安全需求的前提下，真正地满足低碳运行的设计理念和人性化潮流化的技术特点，从而增强超高层建筑电气设计的综合效果。