浅谈超高层办公楼的电气设计

刘锦春

摘要：论述了在超高层办公楼电气设计中重点考虑的问题，如负荷分级、变电站和柴油发电机房的设置、供配电系统以及火灾自动报警系统的联动控制、防雷接地、机电设备监控和能耗监测系统。

关键词：超高层建筑；变配电系统；火灾自动报警及消防联动；机电设备监控；防雷接地；能耗监测

中图分类号： TU97 文献标识码： A

0 引言

进入21世纪以来，在许多城市都兴建了不少超高层建筑。由于超高层建筑楼层多，建筑高度高，对供电可靠性和消防的要求比普通高层要高得多。笔者就参与设计的超高层办公楼为例，谈谈自己的一些设计体会。

1工程概况

某超高层综合楼，其中地上40层、地下3层（人防兼汽车库），建筑（消防）高度180米。总建筑面积为130773.81㎡，其中地上建筑面积为79479.21㎡，地下51294.6㎡。主要功能包括：集中商业，商务会议，商务办公，公寓式办公，配套餐饮等功能。建筑为一类高层，设计耐火等级为一级。

2 负荷分级

根据《高层民用建筑设计防火规范》GB50045-95(2005年版)第3.0.1条，本工程属于一类超高层；消防水泵、消防风机、消防电梯、应急照明、消防电梯、门厅及客梯、生活水泵、排污泵、走道照明、航空障碍灯照明、直升机停机坪照明、安防系统用电、电子信息设备机房为一级负荷，展厅用电等为二级负荷、其它用电负荷如办公普通照明、空调动力、冷水机组用电等为三级负荷。

3 供电电源及电压等级

根据负荷估算，由市政变电站10kV侧不同母线段接引两路10kV电源，两路10kV电源同时供电，每路10kV电源各承担50%用电负荷。并在地下二层拟设置一台柴油发电机组作为一级负荷及消防负荷备用电源，发电机容量选取原则按照地上部分所有消防设备的总容量加上地下1~3层各自的消防设备容量最大的一个防火分区及其相邻两个防火分区的消防风机、防火卷帘的设备容量计算，发电机容量拟采用1200kW。发生火灾时，市电停电后，柴油发电机应能在15s内自起动并向本工程的消防负荷供电；平时停电时应能向保障性负荷供电。

410/0.4kV变配电所设置

4.1 变配电所

在地下二层设置一座1#主变配电所，同时在避难层（15层和29层）分别设置2#和3#分变配电所；主变配电所内设置6台1000kVA变压器供地下一层~三层、地上一层~14层及裙楼动力、照明等用电；2#分变配电所内设置4台800kVA变压器供地上15层~28层动力机照明等负荷用电；3#分变配电内设置4台800kVA变压器供地上29层~40层动力机照明等负荷用电。高低压开关柜均采用上进线上出线方式。10kV高压进线电缆由供电部门确定，室内10kV馈线电缆采用NH-YJV-8.7/15kV耐火型铜芯电缆。

4.2 高压系统

地下二层主变配电所10kV侧采用单母线分段结线方式，平时母联断开运行，当一路电源故障或检修时，通过手动操作母联断路器，由另一路电源负担所有一、二级用电负荷。避难层分变配电所10kV侧采用两段母线分别运行方式，分变配电所两路10kV进线分别由主变配电所不同母线段接引。

10kV断路器采用真空断路器，短路分断能力为35kA，在10kV馈线开关柜内装设氧化锌避雷器作为真空断路器的操作过电压保护。真空断路器选用弹簧储能操作机构，采用直流220V/40AH铅酸免维护电池柜作为操作、继电保护及信号的电源。

继电保护及信号装置：进、出线均采用过流、速断、零序保护；联络采用过流、速断保护；变压器设高温报警，超温跳闸。

计量：采用高压集中计量，在每路10kV电源进线处设置专用计量装置

4.3 低压配电系统

（1）变压器低压侧采用单母线分段方式运行，设置母联开关，联络开关手动投切。各变电所内变压器两两互为备用，平时联络开关断开运行，当任何一台变压器故障或者冬季负荷较小停用一台变压器时，另外一台变压器才投入运行。

主进线开关与联络开关设电气联锁，任何情况下只能合其中的2个开关。

（2）功率因数补偿

采用低压集中自动补偿方式，在变配电所低压侧设功率因数自动补偿装置，要求补偿后的变压器侧功率因数在0.95以上。

5火灾自动报警及消防联动

本工程为一类超高层建筑，采用控制中心报警形式。在综合楼的一层设置消防控制中心；消防控制控制中心内设置集中报警控制器、手动联动控制柜、消防电话主机及计算机显示系统、漏电火灾报警系统主机、消防设备电源监控系统主机、建筑设备监控系统主机等设备。

设备的联动都通过控制模块来实现，如启动警铃，控制气体灭火系统，非消防电源切断，点亮应急照明，防火阀的开闭，电梯迫降，启动消防风机、消防泵、喷淋泵等，对于消防泵、喷淋泵和消防风机还可通过消防控制中心手动控制，所有设备的联动控制都满足《火灾自动报警设计规范》GB50116-2013第4节的要求。

本工程按《民用建筑电气设计规范》JGJ 16-2008 和《剩余电流动作保护装置安装和运行》GB13955-2005标准原则配置漏电火灾报警系统。由于本工程火灾自动报警系统保护对象分级为特级，因此该系统采用全范围二级监控方案，以末端监测为基础，在正常照明、应急照明、正常电力、消防电力四类配电系统中二、三级配电箱均设置保护监测点，其中二级配电箱为楼层配电箱，三级配电箱为末端配电箱，防火剩余电流动作报警值为别为500mA和100mA。本系统的控制器设于消防控制室内，通过总线与消防报警主机连接。

6建筑设备监控系统

BAS系统对下列子系统进行设备运行和建筑节能的监测与控制：供配电系统；公共照明系统；电梯和自动扶梯系统； 给水与排水系统；通风及空气调节系统；水源热泵机组/空调水泵。

控制采用计算机直接数字控制系统(DDC)。控制系统由变频器、温湿度传感器、压差传感器、电动风阀及集中显示屏等组成。

7建筑物防雷接地系统

（1）本工程预计雷击次数N（次/a）=1.9593。很据《建筑物防雷设计规范》（GB50057-2010）第3..0.3条，本工程按第二类防雷建筑物设防；按《防雷装置设计技术评价规范》（QXT106-2009）第6.2条，本工程按第一类防雷建筑物设防。综上所述，本工程按照第一类防雷建筑物设防。建筑物设置防直击雷的外部防雷装置，并采取防闪电电涌侵入、防闪电感应以及防雷电磁脉冲的措施，并设置总等电位联结。

（2）根据GB50057-2010第4.2.4条及QXT106-2009第11.2条的规定，主楼屋面防直击雷主要措施为沿停机坪屋面、机房屋面、幕墙构架顶部等装设接闪带（很据实际需要分别采用明敷设、暗敷设两种方式相结合），及利用天面幕墙钢构盖顶、玻璃幕墙内的钢构架、金属底座及金属连接线（铜绞线）作为接闪器；裙楼屋面防直击雷主要措施为通过接闪带（Φ10热浸镀锌圆钢）贴裙楼天面构架外沿（面）敷设作为接闪器。裙楼上的接闪带与主楼的玻璃幕墙内钢构架须可靠焊接。屋面上不同标高段的接闪器应可靠连接。接闪器采用Φ10热浸镀锌圆钢沿女儿墙、天面构架及其他突出部分明敷设，要求支架0.15m，每隔1m作固定支持卡子。接闪网网格尺寸不大于5m×5m或4m×6m。接闪杆采用Φ12热浸镀锌圆钢，高0.5m。当建筑物高度超过45m时，首先应沿屋顶周边敷设接闪带，接闪带应设在外墙外表或屋檐边垂直面外。接闪器之间应相互连接。所有屋面金属管道、金属构件、金属楼梯扶手均应与避雷带可靠焊接，连接点不小于2处。

（3）防雷引线先利用图示位置的柱内钢筋至少2根主筋，通过焊接，引下线柱底层和顶层宜用一个箍筋与所有外围主筋焊接连通，由基础接地极沿柱至天面避雷带均应焊接成闭合的电气回路，引下线间距不大于12m。在图示位置引下线的下部在室外在室外地坪下0.8m处焊处一根40x4热浸镀锌扁钢，引出距外墙皮不小于1m。在图中所示位置距室外的地坪0.5m处设置测试端子盒。

（4）接地极

利用基础钢筋网构成自然接地极，将地梁钢筋上下各两根主钢筋做环状通长焊接（无地梁钢筋处的接地装置采用40x4热浸镀锌扁钢暗敷设于结构底板下的土壤中），并与桩基础钢筋焊接，将整个基础连成整体。

（5）接地及安全措施

变电所变压器选用△/Yn-11中性点接地方式；配电系统接地型式采用TN-S接地系统；设置总等电位联接措施。防雷接地、工作接地、保护接地及总等电位联接均公共一套接地装置，接地电阻要求不大于1欧姆。

所有人体能接触的、在事故情况下可能带电的一切电气设备外壳均应可靠接地。由基础接地极（总等电位端子箱）引出沿电气竖井通长敷设50x6mm热浸镀锌扁钢，与各层电气设备接地端子相连。接地干线在电气竖井内明敷设，每隔三层应与楼板主筋焊接作等电位连接。

8节能措施

（1）变电站的选址：在《20KV及以下变电所设计规范》GB 50053-2013和《民用建筑电气设计规范》JGJ 16-2008中都有对变电所设置的要求，其中第一条就是接近负荷中心。这样做既缩短的了供电半径，减少了供电电缆的长度，同时也降低了供电线路上的损耗。

（2）选用低损耗干式变压器，变压器的负载率选在70%~85%之间，以减少电能损耗。采用低压柜集中无功补偿和分散就地补偿以提供供配电系统的功率因素减少电能损耗。

（3）照明电源线路尽量采用三相供电以减少电压损失，设计时尽量使三相照明负荷平衡；各场所的照明照度值和功率密度严格按照国家规范（GB50034-2013）的要求；选用高效荧光灯具及节能灯具，所有荧光灯具均配备电子镇流器或节能型电感镇流器、补偿电容；灯具控制采用分区、分组、分盏控制方式，地下车库照明、室外照明采用程序（模块）控制，楼梯间等人员短暂停留的公共场所采用节能自熄开关等。

（4）电能能耗监测

电能能耗监测是指通过对大型公共建筑安装分项能耗计量装置，采用远程传输等手段及时采集能耗数据，实现对建筑电能能耗的在线监测和动态分析。

本工程的电能能耗监测对象主要是本楼的空调、动力（风机、水泵、电梯）、照明和特殊用电等设备，在变电所的低压侧相应出线回路上安装具有远传功能的电能表对此部分设备进行分项能耗数据采集和整理，并上传至柳州市能耗监测中心进行能耗在线监测和动态分析。

9 结束语

超高层建筑高度高，人员密集，情况复杂，对电气设计各个方面要求都较高，需要更多实际经验提高设计水平。

参考文献

[1] 《民用建筑电气设计规范》JGJ16-2008

[2] 《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010

[3] 《供配电系统设计规范》GB50052-2009

[4]《高层民用建筑设计防火规范》GB50045-95 （2005年版）

[5]《火灾自动报警系统设计规范》GB50116-2013

[6]《20kV及以下变电所设计规范》GB50053-2013

[7]《公共建筑节能设计标准》GB50189-2005