超高层住宅小区供配电系统设计

刘宗长

(深圳艺洲建筑工程设计有限公司，广东深圳 518055)

0 引言

超高层住宅与一般高层住宅相比，开发成本普遍要高20%以上，后期运营成本也相对较高。不少设计师进行项目设计时，更多的是从技术角度考虑问题，存在越保守就越安全、越可靠的心理，而忽略了经济性和实用性，如设计系数取值过高，造成设备选型偏大;柴油发电机需保障的负荷不清晰，导致容量选择过大。这就造成投资浪费，有违电气规范所要求的经济、合理的原则。

本文对超高层住宅小区的供配电系统设计进行分析，提出合理的设计方案，并优化设备选型。

1 负荷分级及供电电源

1.1 负荷分级

GB 50016—2014《建筑设计防火规范》第5.1.1条规定:建筑高度大于54 m的住宅建筑为一类高层民用建筑。JGJ 242—2011《住宅建筑电气设计规范》第3.2.1条规定:所有消防用电设备(消防监控中心、消防泵、防排烟风机、消防电梯井排污泵等)及应急照明、航空障碍照明、走道照明、生活泵、排污泵、客梯等重要负荷均为一级负荷，其他电力负荷及一般照明等为三级负荷。

1.2 供电电源

GB 50052—2009《供配电系统设计规范》第3.0.2条规定:一级负荷应由双重电源供电，当一电源发生故障时，另一电源不应同时受到损坏。若能从两个不同的区域电站分别引来一路10 kV电源，可视为双重电源，理论上能满足一级负荷的供电要求。实际上，地区大电力网在主网电压上部还是并网的，很难得到两个真正独立的电源。建议一、二级负荷较多的工程，特别是超高层建筑，应设备用电源，确保消防用电负荷、应急照明、生活泵等重要负荷供电可靠。一般选择柴油发电机组作为备用电源，设置自动、手动起动装置，在自动起动方式下应能保证在30 s内供电。

2 10/0.4 kV变配电系统

2.1 变电所选址及变压器选择

GB 50053—2013《20 kV及以下变电所设计规范》第2.0.1条规定:变电所尽量接近负荷中心。超高层住宅小区每栋塔楼的用电设备总容量一般都在250 kW以上，建筑高度都超过100 m，每栋塔楼下面设一户内变配电所，处于负荷中心，供电距离短，以便节约有色金属用量，降低线路损耗。超高层住宅小区一般都有地下室，变配电所可设置在-1F塔楼区域，当只有-1F时，应抬高变配电所地面100～300 mm，防止洪水、消防水或积水淹渍配变电所。商住楼住宅底商一般都有卫生间，应注意避开。

若每栋塔楼变配电房仅需一台变压器，且该变压器容量在1 000 kVA及以上时，建议拆分为两台容量的较小变压器供电。目前，很多住宅小区变压器运行负荷率都很低，有的即使在用电高峰期，变压器的负荷率也不超过50%。住宅用电负荷变化比较大，变压器长期轻载运行，损耗较高。一个新建住宅小区从竣工到全部业主入住，少则需3 a，多则5 a甚至更久，这个过程中变压器都处于轻载运行，很不经济。若拆分为两台变压器，可根据负荷情况进行灵活投切。变压器轻载时，可停开一台变压器，由另一台变压器供电，减少变压器的空载损耗，且方便变压器定期检修。

超高层住宅小区往往容积率都比较高，若塔楼间距不是很远，可以考虑两个相邻塔楼共用一个变配电所，以减少投资，变压器之间两两相互联络，投切灵活。变配电所须尽量设在两个塔楼中间区域，确保从变配电所至塔楼顶层配电干线供电距离不超250 m，且每个塔楼计算容量不超500 kW，否则需增设变配电所。需注意，变配电所设于地下室两塔楼之间，上面无建筑物时，该处可能有降板，上面有覆土，需考虑层高是否满足要求，且变电所不应跨越建筑的沉降缝和伸缩缝。

住宅建筑内应选择干式、气体绝缘或非可燃性液体绝缘的变压器，单台变压器容量不宜大于1 600 kVA。

2.2 负荷计算

民用建筑施工图设计阶段，负荷计算一般采用需要系数法，其计算结果是选择配电变压器、导体及电器的依据。负荷计算方式不合理，需要系数选择不当，将对电气设备选择产生直接影响。

2.2.1 住宅配电负荷计算

住宅配电变压器选择偏大的问题很普遍，其主要问题是负荷需要系数选取过高。JGJ 242—2011《住宅建筑电气设计规范》表1所列需要系数是一个范围，上限值与下限值差值从0.04到0.25不等，系数相差0.05，所选变压器的容量、开关及导线规格就可能会相差一个等级以上。有的设计人员选上限值，导致各区域配电总箱进线开关、主干电缆截面、母线及变压器容量都选择很大，造成极大的投资浪费。

根据JGJ 242—2011第3.4.1条的条文解释，表1中需要系数取值的上限值是以A套型(每户用电量为3 kW)为基本户型制定的。对于用电量大于3 kW的户型，可以将其折算为基本户型户数，再统计其总户数。如用电负荷为6 kW的用户，可以按两个基本户型考虑，另外别墅也可以参照此原则。若总户数接近基本户数范围值的上限值，则需要系数取下限值;若总户数接近基本户数范围值的下限值，则需要系数取上限值，这样需要系数的选取相对趋于合理。

配电设计时，单相负荷应均衡地分配到三相上，当无法使三相完全平衡时，宜取最大一相负荷的3倍作为等效三相负荷，作为计算配电线路中的电流和选配开关、导体等设备的依据。住宅变压器容量的选择不应以各区域配电总箱经过等效变换后的安装功率相加作为依据，而应以变压器所带各户用电负荷的总功率作为依据。

住宅每户用电负荷的确定需结合产品定位、当地气候、采暖方式、经济发展水平等因素综合考虑，适当增减，但不宜低于 JGJ 242—2011第3.3.1条的规定。南、北方差别较大的就是空调器的使用情况。东北、西北地区，冬天寒冷，但有集中供热，采暖无需空调;夏天最热月平均气温也不超25℃，即使夏天使用空调，空调负载率也不高。华南地区，冬天无需采暖，夏天最热月平均气温超过28℃，空调器可能要接近满载运行。

2.2.2 柴油发电机负荷计算

JGJ 242—2011第3.2.3条规定:建筑高度为100 m或35层及以上住宅建筑，消防用电负荷、应急照明、航空障碍照明、生活水泵宜设备用电源供电。一般选择柴油发电机作为备用电源，当柴油发电机作为火灾时消防负荷的应急电源，同时又作为非火灾时非消防重要负荷的第二电源，应取两者计算负荷较大的作为确定发电机的容量。

(1)非消防情况下，需保障的负荷主要有消防兼平时用的应急照明、排污泵、消防电梯及客梯、生活泵、安防系统、变配电房、消防控制室及弱电机房用电等。排风兼排烟风机平时和火灾时均有可能使用，平时市电停电后，可不考虑通风，该部分负荷无需发电机保障。虽然该类负荷不可作为普通负荷切除其电源，但市电断电至发电机起动过程中，风机控制箱内接触器自动跳闸断电，除非手动控制起动，市电停电后就没有必要。若平时采用数字控制器自动控制，物管人员也可以通过自动化系统主机取消对风机的自动控制。

(2)消防情况下，需保障的负荷主要有应急照明、消防电梯、消防风机、消防泵、消防梯集水坑及消防泵房排污泵、变配电房、消防控制室用电、安防系统、生活泵等。生活泵虽然属于非消防设备，但火灾时高层建筑灭火以自救为主，未逃出火场的人员可用生活水源自救，故确保其供电还是有必要的。

(3)消防水系统、防排烟系统都是按照同一时间内只考虑一次火灾的原则设置。消防情况下，发电机仅需考虑消防用水量最大且最大防烟分区的一处火情时的负荷供电。因此，并不需要考虑所有防火分区的消防风机负荷，只需选择容量最大的一个防火分区的消防风机负荷。

(4)虽然消防时按一处火情考虑，对于含多栋塔楼的小区并不是应急照明及消防电梯仅考虑一栋塔楼的用电，而忽略其他塔楼消防电梯和应急照明负荷。火灾时，非着火区的消防设备依然由柴油发电机供电，并未切除，同样需考虑。保障高层住宅住户基本的出行条件还是有必要的，但需要系数可以低些。目前，高层塔楼的应急照明采用节能自熄开关控制，10层以上的住户，非火灾情况几乎不会考虑通过楼梯下楼。因此每个塔楼的应急照明实际使用不到50%，多个塔楼的应急照明需要系数就更低了。

(5)火灾时，市电停电，由发电机应急供电，需考虑将客梯等非消防重要负荷切除，以减轻发电机负担，满足消防负荷的供电。可将发电机应急母线分段，将消防时需保障的负荷与消防时非保障负荷分别接在不同的应急母线上，火灾时通过联络总开关切除非保障负荷。选择发电机时，将项目的所有消防负荷和其他重要负荷容量相加计算，或仅考虑一个防火分区灭火所需的用电，都是不妥的。

(6)发电机所要保障的负荷确定后，其容量应按应急负荷大小和起动大的电动机容量等因素综合考虑确定。

按稳定负荷计算发电机容量:

式中:SG——发电机视在功率;

PG——发电机额定功率;

PΣ——发电机总负荷计算功率;

ηΣ——负荷综合效率，取0.82 ～0.88;

cosφ——发电机额定功率因数，取0.8。

按最大一台电动机起动条件校验发电机的容量:

式中:P1——最大一台电动机额定功率;

P——在最大一台电动机起动前，发电机已带的负荷;

K——发电机组供电负荷中最大一台电动机的最小起动倍数。

2.3 高低压配电系统

2.3.1 高压配电系统

住宅小区高压供电一般采用10 kV供电系统，部分地区采用20 kV或35 kV供电系统，宜采用环网的供电方式，同时应满足当地供电部门的规定。高层住宅小区变压器总装机容量超8 000 kVA时，考虑从电力系统取专线供电，每路10 kV线路所带负载不宜超12 000 kVA。高压主接线的馈线宜采用放射式系统，高压侧宜采用单母线或单母线分段的接线方式，其配电级数不宜超过两级。由低压侧为10 kV的总变电所或地区变电所配电至10 kV配电所，再从该配电所以10 kV配电给配电变压器，则认为10 kV配电级数为两级。配电级数过多，继电保护整定时限的级数随之增多，而电力系统容许继电保护的时限级数对10 kV来说正常情况下也只限于两级，如配电级数出现三级，则中间一级势必与下一级或上一级之间无选择性。

2.3.2 低压配电系统

当两台变压器相互联络时，低压为单母线分段运行，联络开关设自投自复/自投不自复/手动转换开关。低压侧主断路器与母联断路器应设电气联锁，任何情况下只能闭合其中的两个开关。消防用电设备及应急发电机组配电系统，宜设单独母线段，发电机组与变电所正常电源间应设有联锁，不得并网运行。

低压配电系统的配电级数为三级，例如从低压侧380 V的变电所低压配电屏至配电室分配电屏，由分配电屏至动力配电箱，由动力配电箱至终端用电设备，则认为380 V配电级数为三级，不应理解为保护级数不超过三级。配电级数与保护级数不同，配电级数不是指保护开关的上下级个数，而是一个回路通过配电装置分配为几个回路的一次分配(称作一级配电)。

采用放射式配电的回路，有的设计人员线路首、末端均采用断路器，且首端断路器还大一级。这其实是没必要的，导致电缆截面大一级，造成投资浪费。该线路配电实际只是一级，而非上下级关系。低压柜馈出线回路的断路器一般只设过载长延时及短路速断保护，而不设短路短延时保护，以确保与变压器低压侧总断路器、联络断路器之间保护的选择性。线路末端可以采用负荷开关或隔离开关，若考虑带负荷操作，建议采用负荷开关。要求线路末端短路电流不应小于断路器瞬时过电流脱扣器整定电流的1.3倍，才能使断路器可靠切断接地故障电路。如配电变压器容量为1 000 kVA，Uk%=6，某低压配电回路选用断路器整定电流为100 A，短路瞬时电流为1 000 A，采用YJV-4X35-1×16 mm2电缆，若供电距离为80 m，由标准图集04DX101-1《建筑电气常用数据》查得，其线路末端单相短路电流为1.34 kA，可满足末端短路动作要求;若供电距离达90 m，其末端单相短路电流为1.19 kA，则不满足要求，需增大电缆截面，或在线路末端采用断路器保护，其整定电流可与线路首端断路器整定电流同级。

对于单台容量较大的负荷或重要负荷，采用放射式供电，如电梯、生活泵及消防泵等设备。消防负荷采用双电源供电，其中消防控制室、消防水泵、消防电梯、防排烟风机的双电源在末端配电箱处自动切换。消防负荷的电源回路与普通负荷的电源回路供电严格分开，消防负荷配电回路按防火分区划分，且超高层建筑配电干线和分支干线应采用矿物绝缘电缆。

超高层住宅小区，塔楼照明供电负荷比较大，线缆投资成本较高。为减少有色金属消耗量，一般采用分区树干式配电方式。垂直供电干线，可采用密集绝缘母线槽、电缆T接方式或预制分支电缆的方式。

(1)密集绝缘母线槽传输电流大，安全性能好，结构紧凑，但加工较复杂，生产成本高，综合造价很高，且抗震、抗位移方面能力较差。超高层建筑受到风荷载时，建筑主体会存在偏移，建筑越高偏移量越大;可以采用母线槽分段供电，由变配电房低压柜至塔楼电井母线槽始端箱采用电缆。将电缆连接铜母线槽配电，可以减小超高层建筑物在摇摆时对铜母线槽接驳组件位置的拉扯压力，减少发生故障及维修的情况，也相对地增加了主干系统的寿命。这种形式在高层建筑中采用较多。

(2)电缆T接方式，安装人员现场操作时需拨开电缆，断开点多，可靠性差，且占用较大安装空间，施工难度大，但综合造价较低。小电流回路可以考虑电缆T接方式，对于供电负荷比较大的回路，电缆截面都比较粗，因此超高层建筑主要供电干线不推荐采用该方式。

(3)预分支电缆在车间内用专用机械设备加工，主干电缆导体无接头，免维护，可靠性高，施工方便，施工周期短;但施工需专门设备吊装，一旦分支部位及分支电缆截面确定后，现场不能变更位置尺寸及电缆规格。住宅各楼层电气负荷比较稳定，建筑使用功能基本不会改变，且其具有优良的抗震性、气密性、供电可靠性，超高层住宅建筑中可以推广使用预分支电缆，但要求设计及加工制造尺寸准确，电缆截面选择需留一定的裕量。

以上各种配电干线分支方式各有优缺点，需根据各工程负荷情况、现场管井大小、施工难度、供电可靠性等因素综合考虑。

3 结语

超高层住宅项目投资成本较高，进行项目设计时不仅要满足规范要求，同时还需考虑方案的经济合理性，以免造成不必要的投资浪费和能源损耗。住宅配电系数的选取不可盲目取上限值，大户型需折算为基本户型后再确定，使需要系数趋于合理;确定发电机容量后再分析所带负荷在消防与非消防情况下的运营情况，才能正确选择;确定合理的供电方式，既可以满足使用功能要求，又可以节省有色金属消耗量，节约投资成本。

［1］ JGJ 16—2008 民用建筑电气设计规范［S］.

［2］ 住房和城乡建设部工程质量安全监管司.中国建筑标准设计研究院.全国民用建筑工程设计技术措施——电气［M］.北京:中国计划出版社，2009.

［3］ 04DX101-1 建筑电气常用数据［G］.

［4］ GB 50054—2011 低压配电设计规范［S］.

［5］ 中国航空工业规划设计研究院.工业与民用配电设计手册［M］.3版.北京:中国电力出版社，2006.

［6］ JGJ 242—2011 住宅建筑电气设计规范［S］.

［7］ GB 50052—2009 供配电系统设计规范［S］.

［8］ GB 50016—2014 建筑设计防火规范［S］.

［9］ GB 50053—2013 20 kV及以下变电所设计规范［S］.