超高层建筑配电的研究与运用
2021-06-04时立龙罗卫东
时立龙， 罗卫东
(1. 中旭建筑设计有限责任公司，北京 100044；2. 北京国金管理咨询有限公司，北京 100039)
1 超高层建筑特点
1.1 超高层建筑的定义
根据GB 50352-2019《民用建筑设计统一标准》第3.1.2条，第3款规定：地上建筑高度大于100.0m的民用建筑为超高层建筑。在其他建筑相关规范中，并未对超高层建筑进行定义及分类，只是对建筑高度大于100m的建筑的防火措施、疏散、避难层的设置等方面做了相关规定。例如GB 50016-2018《建筑设计防火规范》第1.0.6、5.1.4、5.2.6、5.5.23、5.5.31、6.7.5等条(款)。
1.2 超高层项目特点分析
近些年，笔者公司陆续接触并设计了一些超高层项目，项目统计如表1所示。综合来看，超高层建筑有以下特点。
超高层项目案例情况统计表 表1
(1)建筑体量大：一般都是多栋楼组合一起，地下联通，建筑面积一般都超过10万m2。(2)建筑功能及业态复杂：一般包含多种功能，如地下车库、办公、住宅、商业、酒店等，对应的租售形式及各业态物业管理形式也比较复杂。(3)建筑高度高，占地面积大。(4)空调形式复杂。
2 用电指标分析
(1)《超高层建筑电气设计与安装》(14D801)指标参考：如无特殊要求，超高层建筑的变压器容量指标可为：80～140VA/m2。
(2)各大地产商(万达、恒大等)对各种业态有相应的用电指标，但是对于超高层类建筑没有对应的用电指标。
(3)相关机电顾问公司(AECOM、柏城等)一般要求为100～150VA/m2。
(4)相关超高层项目用电指标统计如表2所示。
超高层项目案例用电指标统计表 表2
(5)其他大型参考项目资料数据统计如表3所示。
其他参考项目案例用电指标统计表 表3
(6)部分回访数据：仅取得海航大厦资料，表4为海航大厦负荷率统计。
海航大厦负荷率统计表 表4
综上所述，考虑业态功能、空调形式等情况，变压器指标控制在80～110VA/m2，较为合适。
3 供电电源
3.1 超高层建筑电源要求
2009版技术措施中，将民用超高层建筑定义为特别重要用户。
上海市工程建设规范将建筑高度>100m的高层建筑的电气防火分级定义为特级，并要求应按一级负荷供电外，尚应设置自备发电机组或第三路市电为消防设备的应急电源。
GB 51348-2019《民用建筑电气设计标准》，附录A中将建筑高度超过100m的高层办公建筑主要通道照明和重要办公室用电划分为一级负荷；建筑高度>150m的超高层公共建筑的消防用电划分为一级负荷中特别重要负荷；第3.2.9条规定，对于一级负荷中特别重要负荷，其供电除双重电源供电外，尚应增设应急电源供电；第13.7.4条第2款规定，消防用电负荷等级为一级负荷中特别重要负荷时，应由一段或两段消防配电干线与自备应急电源的一个或两个低压回路切换，再由两段消防配电干线各引一路在最末一级配电箱自动转换供电。
3.2 市政电源相关资料
《国家电网公司业扩供电方案编制导则》(试行)要求见表5。
客户供电电压等级的确定 表5
3.3 其他电源参考资料
《超高层建筑电气设计与安装》(14D801)对电源方案比较及高压系统接线要求有比较详细的介绍，可借鉴参考。
4 应急电源
4.1 柴油发电机电压等级
(1)超高层建筑中柴油发电机组电压等级的选择，在国家电气设计规范中没有规定。
(2)《超高层建筑电气设计与安装》(14D801)对于柴油发电机组的选择建议：当建筑高度低于200m时，宜选用0.4kV柴油发电机组；当建筑高度超过400m时，宜选用10kV柴油发电机组；当建筑高度为200～400m时，需进行技术经济比较后确定柴油发电机组的额定电压。
(3)本次考察回访范围内的超高层建筑高度不超过300m，均选用0.4KV柴油发电机组。
4.2 柴油发电机容量
(1)现行电气规范未对柴油发电机组的容量进行规定。在方案时按10%～20%预留，施工设计时按实际负荷进行计算。
(2)项目设置柴油发电机组的情况统计见表6。
项目设置柴油发电机组的情况统计表 表6
(3)从回访情况来看，各超高层建筑的供电可靠性均比较高，暂未出现长时间断电情况。各柴油发电机使用频率均不高。
(4)油罐设置情况：按消防要求，柴油发电机组的油箱容量应能保证180min。室内设置的储油间为1m3，一般不能满足。另外有些五星级酒店要求的时间更长。此时可在室外设置小型地埋式油罐。但是回访的项目中均未设置室外小型油罐，仅设置了室外油罐车的接口。
(5)柴油发电机组的运输：超高层建筑内设置的柴油发电机组容量均比较大，机组重量在10t以上，机组的尺寸比较大。一般需要预留设备吊装孔，此吊装孔可与其他设备吊装孔共用。并需规划柴油发电机组的运输路线。以风冷式柴油发电机组举例，奔驰机组1 500kW尺寸为4 250×1 670×2 390，康明斯机组1 500kW尺寸为61 750×2 286×2 537，一般柴发机组的水箱在运输时可先拆卸，但是柴发机组运输路线其高度不小于2.6m。如有特殊要求，需提前和建筑沟通。
(6)柴油发电机组的排烟：根据现在的环保要求，柴油发电机组的烟气需高处排放。此问题需提前与当地环保部门进行沟通。如果需要严格执行此条，则柴油发电机组的排烟管需通过核心筒上到最高层的屋面，对整个项目造成较大的影响。本次回访的各个项目，均未按此要求设计施工，而是在裙房屋顶排放。
5 负荷分级
(1)根据GB 51348《民用建筑电气设计标准》、GB 50052《供配电系统设计规范》等现行电气设计规范，统计负荷分级情况如表7。
负荷分级情况统计表 表7
(2)根据超高层建筑特点，补充部分负荷分级，详见表8。
超高层负荷分级 表8
6 变电所
超高层建筑用电容量大，供电距离长，业态比较多，需综合考虑设置多个变电所。
6.1 变压器不上楼及上楼方案的比较
变电所设置位置一般分两种情况，上楼与不上楼的优、缺点比对见表6。
(1)200m及以上的超高层建筑，一般在避难层、顶层设置变电所，分区进行供电，以减少供电距离。
(2)在200m 及以下的超高层建筑中，可不在避难层设置变电所，直接低压配电即可，也可在避难层设置变电所，分区供电。
(3)本次回访的各个项目，200m以下的项目均在避难层设置变电所，分区供电。
6.2 变压器运输方案
变压器运输上楼有以下几种方案可选择。
(1)利用货梯运输：此种运输方式，对电气专业最有利，对建筑结构专业影响最小。但是需要设置专门的运输电梯，提高造价及运行成本，需建设方认可。
(2)利用电梯井道运输：此种运输方式，需提前与建筑专业确定电梯井道，并预留结构条件。建设方在电梯订货时需告知电梯厂商，按此要求供货。此方案简单可行，但是需协调好各方，做好前期预留工作。
(3)利用室外吊装：利用屋顶或避难层，预留吊装构件，从室外吊装变压器。此种运输方式，运输过程中的晃动量不可控，容易损坏设备和外立面。不推荐此种运输方式。
(4)变压器拆装运输：变压器先行拆卸，再通过电梯运输上楼，再在楼上变电所组装。此种运输方式，变压器设备在上楼后还需做各种测试，有些测试已无条件再做，带来使用上的隐患。不推荐此种运输方式。
(5)本次回访，大部分项目未考虑变压器上楼的运输方式。此问题需引起设计院足够的重视。变压器上楼与不上楼的优缺点对比详见表9。
变压器设置方案比较 表9
6.3 避难层变电所设置注意事项
(1)建筑专业的影响：设置在避难层的变电所，其外墙均为玻璃幕墙。但是考虑安全，可要求建筑再增加一道砌块墙。
(2)结构专业的影响：结构专业可能在避难层设置桁架以加强结构刚度。设计时需提前与结构专业沟通，已确认结构桁架对变电所的影响(可能对变压器运输也有影响)。
(3)规范的要求：变电所不应与住宅类功能的建筑贴邻。
(4)设置在避难层变电所需考虑减震、降噪等措施，以减少对上、下层房间的影响。现行的标准图集对此问题没有涉及，从回访情况分析，也未进行处理。此问题需引起设计院足够的重视。
6.4 充电桩变压器设置需求
根据现在各地政府要求，需配置一定比例的电动汽车充电桩。由于超高层建筑停车数量比较大，故电动汽车充电桩的用电量也比较大，可根据需要及当地供电部门要求设置专用变压器。
7 配电干线
配电方案可根据工程实际情况，结合建筑用电负荷分布及业态管理要求灵活组合应用。
(1)建筑上部的用电负荷可从避难层变电所往上供电；建筑中部的负荷可从避难层变电所上供、下供或上下供；建筑底部的负荷由下部变电所往上供电。
(2)超高层建筑的低压配电(主塔部分)一般为双母线交叉供电。本次回访的工程均采用此配电系统。
(3)地下车库、裙房商业、塔楼办公、酒店等归属不同的业态，需按业主方要求进行配电设计。
(4)一般屋顶设有电梯、直升机、插窗机等设备，配电时需进行电压损失效验。
(5)超高层建筑核心筒宜设置10kV电力电缆专用竖向井；250m及以上超高层建筑核心筒还需增设消防专用竖向井。
8 结束语
(1)超高层民用建筑中存在一级负荷中的特别重要负荷，变压器装机指标一般在80～110VA/m2，另需设置自备应急电源为一级负荷中的特别重要负荷提供备用电源。
(2)超高层建筑的正常电源数量不应少于两个，各路电源应为不同路由的线路，宜采用专线由上级变电站或开关站放射式供电。电源电压等级可以为10kV、20kV或35kV。
(3)超高层建筑的高压供配电系统宜采用主配变电所——分配变电所结构，主配变电所应采用单母线分段的主接线形式，采用放射式引至分配变电所。
(4)当建筑物高度低于200m时，宜采用低压柴油发电机；当建筑物高度大于400m时，宜选用高压柴油发电机。
(5)可在避难层、顶层设置分变电所，分变电所内单台变压器容量不宜超过1 000kVA，最大不超过1 250kVA。
