超高层建筑供配电系统设计探讨

陈 莹， 张 争

(北京市建筑设计研究院有限公司，北京 100045)

0 引言

近年来，我国各地超高层建筑的数量日益增多,超高层建筑体量大、人员密集、投资运维成本高，在消防、安防、运营管理等方面有着特殊的要求，因此，对供配电系统的要求相对于一般高层建筑也要高得多。

1 负荷分级

1.1 供配电系统特点

通常超高层建筑的供配电系统有以下特点：(1)建筑体量大、用电量大、供电半径长；(2)至少需要2 路市政独立电源，甚至多路市政电源；(3)建筑功能多样，供配电系统设计需考虑满足多个物业运营管理模式的需要；(4)会设置多个变电所，以及出现变电所上楼的情况；(5)需考虑备用电源和应急电源的设置。

1.2 用电负荷分级

负荷分级的目的和意义在于根据不同的负荷级别确定用电单位和用电设备的供电要求和供电措施，以保证供电系统的安全性、可靠性、经济性和合理性。

超高层建筑负荷分级相关依据有：GB 50052-2009《供配电系统设计规范》、JGJ 16-2008《民用建筑电气设计规范》、GB 50016-2014(2018版)《建筑设计防火规范》、国标图集14 D801《超高层建筑电气设计与安装》等。此外，由于超高层建筑往往是集商业、金融、办公、星级酒店、高级公寓等诸多业态于一体，在进行负荷分级时，根据不同的使用功能，还应遵守相关行业规范中的规定，如JGJ 62-2014《旅馆建筑设计规范》、JGJ 67-2006《办公建筑设计规范》、JGJ 284-2012《金融建筑电气设计规范》、JGJ 392-2016《商店建筑电气设计规范》、JGJ 242-2011《住宅建筑电气设计规范》等。

超高层建筑的供电负荷等级应为一级，对于建筑内的消防、安防用电负荷、计算机通信网络设施、保障建筑正常运营的重要设备、重要场所中不允许中断供电的负荷等应作为一级负荷中的特别重要负荷。表1列举了超高层建筑主要用电负荷分级。

超高层建筑主要用电负荷分级 表1

注：一级*为一级负荷中特别重要负荷。

对于超高层建筑一级负荷中特别重要的负荷，电气设计师应该考虑设置应急电源，当超高层建筑为四级及以上酒店或者大型商业时，会有一部分负荷在酒店管理公司或者商业顾问提供的设计标准中被列为保障性负荷，对于这部分负荷，也应该考虑设置备用电源。

因此，在进行超高层建筑供配电系统设计时，除双重市政电源外，需要选择独立于正常电源的柴油发电机组作为是备用电源及应急电源。

2 变压器容量指标

超高层变压器容量指标与建筑功能、建筑面积、建筑高度和附属功能等因素有关。表2归纳总结了笔者所在单位已经完成设计和正在设计中的若干超高层建筑的变压器容量指标。

超高层建筑表压器容量指标举例 表2

3 变电所的设置

3.1 变电所设置基本原则

在进行超高层建筑变电所位置和数量的选择时，笔者认为，应遵循以下几点基本原则。

(1)根据负荷容量和分布，使变电所及变压器靠近建筑物用电负荷中心。

(2)应该考虑低压供电半径的限制。

(3)根据功能分区的要求设置变配电所，可考虑按照地下室、裙房商业、办公层、酒店层、住宅(公寓) 层设置。

(4)根据物业业态设置变配电所，比如出租/出售情况、不同业态的计费方式及后期物业管理分区等几个方面的情况考虑变配电所的数量。

(5)根据负荷性质设置变配电所，比如制冷机房设置专用变压器或者变电室等。

3.2 避难层设置变电所

由于超限高层建筑的供电半径长，为降低电压降和电能损耗、减少电气竖井面积，变配电所设置需深入负荷中心，会出现塔楼高区设置分变配电所的情况，而且分变电所通常设置在避难层。

在避难层设置变电所应注意以下几个问题：(1)应考虑设备对楼板荷载的影响；(2)应考虑预留变压器的水平运输通道和垂直运输通道；(3)可采用大载重量的货梯运输或者电梯井道运输；(4)采用电梯作为设备运输方式时，电梯的载重应大于变压器的重量；(5)单台变压器的容量不宜超过1 250kVA。

表3为某品牌变压器SCB11系列变压器的相关参数，从表中数据中可以看出，1 250kVA变压器带外壳的重量约为3.3t，普通1.6t或者2.0t的客梯不能满足设备运输需要，如果采用电梯进行设备运输，需考虑设置至少3.5t的货梯进行运输，且超过 1 250kVA 的变压器会给设备运输带来更大困难。

某品牌变压器参数 表3

3.3 工程实例

3.3.1 工程实例一

该项目为总建筑面积为220 053.4m2，其中地上建筑面积15 6 911m2，地下建筑面积63 142.4m2。建筑主要功能为高档办公及商业配套设施，地上57层(办公楼层)、地下4层，建筑高度275m(屋顶机房女儿墙高度)，一类高层建筑，建筑耐火等级为一级。

根据业主方的物业管理要求，办公、商业及能源站需单独设置变电所，该项目设有四座变配电所，其中三个变电所位于地下二层塔楼核心筒西侧，还有一个变电所位于34层。其中E1为主变配电所， E2为能源站变电所， E3为商业变电所，E4为高区变电所；变电所设置详见表4，示意图参见图1。

工程实例一变电所配置 表4

此项目变电所的设置充分考虑了靠近建筑物用电负荷中心、低压供电半径的限制，以及根据功能分区、物业业态、负荷性质设置变电所等基本原则。

3.3.2 工程实例二

该项目为大型商业综合体，总建筑面积为 356 557 m2，其中地上建筑面积230 489 m2，地下建筑面积126 068 m2。建筑主要功能为大型商业、办公、公寓及五星酒店，地上47层、地下2层，建筑高度200m(屋顶机房女儿墙高度)，一类高层建筑，建筑耐火等级为一级。变电所设置示意图参见图2。

图2 工程实例二建筑功能示意图

对于200m的超高层建筑，在进行变电所设计时通常会纠结是否要在避难层设置分变电所，对于本项目，笔者所在单位进行了两个方案的对比。

(1)方案1

根据物业管理的需要酒店和办公分设变电所，该方案酒店变电所和办公变电所均设于地下二层，在避难层不设置分变电所(图3)。装机容量分别为：酒店变电所2×2 000kVA+2×1 600kVA，办公变电所2×1 000kVA。酒店用柴发机房设置在地下二层。

图3 在避难层不设置分变电所示意图

(2)方案2

根据物业管理的需要酒店和办公分设变电所，该方案酒店总变电所和办公变电所均设于地下二层，在19层避难层设置酒店分变电所(图4)。装机容量分别为：酒店总变电所2×2 000kVA+2×1 600kVA，酒店分变电所4×800kVA，办公变电所2×1 000kVA。酒店用柴发机房设置在地下二层。

图4 在避难层设置分变电所示意图

对于两个方案，笔者分别从技术、经济角度进行了比对。

在经济性方面，主要从一次投资和系统运行之后的能耗情况2个要点进行比较(参见表5)，其中能耗主要来自高压电缆、低压电缆、母线槽及变压器等设备，能耗差异主要由长度不同的高压电缆、低压电缆或母线槽导致。

由表5可知，方案1的高压电缆造价较低、低压电缆或母线槽造价较高，能耗主要来自低压电缆、母线槽及变压器等设备，线路能耗较高；方案2的高压电缆造价较高、低压电缆或母线槽造价较低，能耗主要来自于高压电缆、变压器等设备，线路能耗较低。因此，可以明显看出，方案2的经济性优于方案1，即使仅对比一次性投资，方案2也较方案1节省投资造价258万元。

在技术性方面，笔者从技术角度和日常运维、故障抢修等要点展开了比对，具体参见表6。

两个方案的经济性对比 表5

两个方案的技术性对比 表6

从表6来看，方案一需要进行电压降校验，校验后会存在部分电缆增加截面的可能性，也会进一步带来投资造价和运维成本的增加；但是，在运维方面，方案一比方案二的便捷性更好，抢修及设备更换难度也比较低。

综合考虑两个方案的技术性及经济性，笔者所在单位在这个项目中采用了方案二作为实施方案。通过工程实例二，对超高层建筑楼上是否设置变电所可以得出一个经验性结论，如表7所示。

就超高层建筑楼上是否设置变电所的结论 表7

4 供配电系统方案

4.1 供配电系统方案的基本原则

在确定超高层建筑供配电系统方案时，通常要注意以下几点基本原则：(1)超高层建筑的高压供配电系统宜采用主变电所—分变电所结构；(2)主变电所采用单母线分段的主接线形式，放射方式引至分变电所；(3)高压系统的配电级数不宜多于两级；(4)充分了解当地市政电源情况及供电部门的规定，在此基础上进行项目的供配电系统设计。

4.2 工程实例

以本文中列举的工程一为例，虽然设置了4个变电所，但是对于这4个变电所的供配电系统架构如何搭建的问题，笔者所在单位在设计之初给出了两种方案。

方案1：采用主分高压系统结构，两路市政10kV电源，总配电室采用10kV电缆放射配出至分变电室各台变压器，柴发机组配电分应急母线和备用母线。系统图如图5所示。

方案2：采用主分高压系统结构，两路市政10kV电源，总配电室10kV电缆放射配出至B2层分变电室，避难层分变电室另设有一级高压配电，柴发机组配电分应急母线和备用母线。系统图如图6所示。

图5 供配电系统架构搭建方案一示意图

图6 供配电系统架构搭建方案二示意图

该项目设置4个变电所、16台变压器，在避难层设置的分变电所中设置了6台变压器。两个方案的区别在于，方案1从B2层高压总配放射式地引出6根10kV高压电缆至避难层分变电所的6台变压器，方案2是从B2层高压总配引出2根10kV高压电缆至避难层分变电所，在分变电所另设一级高压配电后再引至6台变压器。经过比对，方案1的供电可靠性明显高于方案2，但方案2的经济性又略优于方案1。因此，当设计超高层建筑遵循供配电系统安全、可靠、经济、合理的原则时，供配电方案就会较为容易进行取舍。

5 竖向配电干线系统

对于超高层建筑的竖向配电干线系统，根据笔者过往设计经验，本文总结了以下几点需要注意的要点。

(1)在避难层设置分变电所时，高压线路宜设置独立的竖井。

(2)普通线缆和应急线缆应分线槽敷设，有条件时，将普通线槽和应急线槽分竖井敷设。

(3)双电源供电的两根电缆宜分设在两个线槽内。

(4)各避难层的交直流电源，应按避难层分别供给，并在末端互投。

(5)配电干线应按避难层划分供电区域， 同一干线不应跨避难层，带两个区域单元的用电负荷。

(6)竖向配电干线采用母线槽时，要注意超高层建筑物在摇摆时可能会对铜母线槽接驳组件位置产生拉扯压力，此时可考虑采用电缆连接铜母线槽配电的方式，以减少故障发生、增加干线系统供电可靠性。

(7)超高层建筑处于地震烈度较高的地区时，竖向配电干线宜考虑采用电缆供电，电缆在抗震方面的安全性高于密集型母线槽。

(8)为了提高供电可靠性，超高层建筑中可考虑采用双母线奇偶层供电方式，并在备用母线上预留插接口。

(9)建筑中的电缆竖井宜按避难层上下错位设置，有条件时竖井之间的水平距离至少相隔一个防火分区。

(10)在超高层建筑的线缆选型时，普通设备的配电干线应为阻燃低烟无卤交联聚乙烯绝缘电力电缆，消防设备的配电干线应采用矿物绝缘电缆。

6 结束语