浅议高层建筑供配电系统的设计

2021-11-26尹承民

中国建筑金属结构 2021年4期

尹承民

为满足城市化进程不断推进的要求，我国建筑正向着高层化和超高层化的方向发展，虽然高层建筑能够解决城市用电紧张、人口剧增的要求，但也存在着安全、交通、环境、能源消耗等多种难以有效解决的问题，建筑工程高度越大，则安全性、耐久性、舒适性方面存在的问题就越多，尤其是供配电系统，几乎涉及高层建筑每个角落，对设计质量有极高的要求，任何一个环节控制不当，都会影响高层建筑使用性能，甚至引发安全事故。基于此，开展高层建筑供配电系统的设计分析研究尤为必要[1]。

1.工程概述

某高层建筑，共26 层，建筑高度为84.2m，其中地上总建筑面积为2.62万m2，地下建筑面积为3.12 万m2，地下1 层为停车场，地上1 层～5 层为商业功能区，6 层～12 层为人员避难层，13 层～26 层为多功能数字化办公楼层，不同楼层的结构用途不相同，对供配电系统的要求也不相同，对高层建筑供配电系统设计有很高的要求。

2.高层建筑供配电系统的特点

和传统多层建筑的供配电系统相比，高层建筑供配电系统具有如下特点：

（1）建筑体量比较大，其用电量大，供电半径长。

（2）建筑功能多样化，高层建筑供配电系统的设计需要同时满足不同功能区的不同要求，设计难度比较大。

（3）高层建筑供配电系统至少需要2 路市政独立电源。

（4）为保证高层建筑对电力持续、安全、稳定的需求，需要设置多个变电所。

（5）需要考虑备用电源、应急电源的设置。

3.高层建筑供配电系统的设计要点

3.1 供电系统设计要点

3.1.1 负荷等级设计

案例工程供电负荷比较大，为保证供电的稳定性，在供电系统设计之前，需要对用电负荷进行限制分级，做到该保的必须保，该停的必须停，遵循“区别对待”的设计原则，既要保证供电的合理性，又要避免电力资源无故浪费。高层建筑供电系统负荷等级包括：一类高层建筑中的消防用电需要按照一级负荷要求进行供电；二类消防用电则需要按照二级符合要求进行供电。如果高层建筑中有一级负荷特别重要时，影响供电系统运行的空调用电需要按照一级负荷进行供电。而如果主体建筑中有很多一级负荷时，影响供电系统运行的空调用电要设计成二级负荷[2]。

3.1.2 计算供电负荷

在建筑供电系统设计中，为更好地确定供电等级、供电方式、供电设备等，需要做好供电负荷计算工作。我国不同地区，温差比较大，建筑形式及结构也存在一定的差别，不能按照统一的标准来计算供电负荷。就案例工程而言，不同楼层的使用功能存在较大区别，用电设备也不相同，很多高能耗电器被广泛应用到建筑工程中，用电需求量非常大，而且呈现不断上升的趋势，为满足后期用电需求，在本工程供电系统设计中，按照楼层高低和建筑面积的不同，合理制定衡量标准计算负荷，取得了良好效果。

3.1.3 变压器布置和选型

在变压器布置设计中，需要根据负荷容量、负荷分布、建筑物功能分区等实际情况，合理确定变压器的布设位置和数量。变压器容量则要按照计算容量合理选择，目前我国变压器的运行负荷率在70%～85%之间。低压线路上的供电半径通常不应超过200m。如果供电容量大于500kW,供电距离也超过200m，就需要在适当的位置布设变配电所，尽量靠近负荷中心，以提升供电系统运行的安全性、稳定性以及节能效果。本工程对供电的稳定性要求比较高，因此，在地下一层设置变配电所，通过地下停车库和车道来运输变配电设备。在选择变压器时，需要综合考虑各种因素，按照不同楼层的用电需求，合理确定变压器的单机容量和台数。本工程按照空调设备的分组来设置专用的变压器，此种设计方法，能够实现按照空调机组的投切来投切相应的变压器，具有良好的节能效果和经济效益。

3.1.4 供电电源和电压设计

在高层建筑供电系统设计中，为保证供电系统运行的安全性、合理性、可靠性等，需要结合供电系统的负荷等级，选择合理的供电措施，所选择的供电电源必须满足设计规范的要求。案例工程并没有特备重要的负荷，一级负荷的容量也比较小。选择两路市政电源，或者一路市政电源联合应急发电机组，都可以满足持续供电的需求。供电电源可选择一路独立的10kV 高压电源，通过附加市政变配电站引入开关层，低压配电电压要选择380V 或者220V。同时还要设置一套柴油发电机组，以保证消防用电的需求，提升建筑工程消防水平。

3.2 配电系统设计要点

当供电电压为380V/220V 时，接地系统多采用TN-S 系统，如果高层建筑为一栋独立的建筑，电源通过其他建筑引进来的，则接地系统可选择TN-C-S 系统。

高层建筑低压配电系统有两种可供选择，一种是树干式的低压配电系统，另一种是放射式混合配电系统。比如：地下室负荷通常比较大，低压配电房可选择放射式配电系统。而从低压配电房到建筑工程地上部分配电箱，可选择树干式配电系统。针对那些大容量干线，则要选择封闭式母线槽，小容量干线则可以选择铜芯塑料电缆。垂直的部分，可顺着电缆井进行布设，而水平部分，则需要采用金属桥架或者金属线槽进行敷设，以降低配电系统的成本，获得更大的经济效益。高层建筑的动力系统、照明系统可通过低压配电柜的电源母线来供电，而高层建筑中的火灾应急照明系统、消防电梯、消防水泵等，可选择双回路供电，但需要在线路末端配电箱中设置自动切换系统，以达到自投自复的设计效果[3]。

3.3 接地系统和等电位联结系统设计

本工程供电选择了市政公用变压器供电，因此，接地系统要设计成TT 接地系统，并设置专用的保护线，以保证接地的可靠性和安全性。高层建筑供配电系统中等电位联结系统是设计的重点，其主要作用是降低接触电压，避免发生触电事故，保证人员安全。在《低压配电设计规范》中明确规定，在高层建筑供配电系统接地故障保护设计中，需要在高层建筑内部设计总等电位联结。如果受到条件的限制，电气装置的接地故障保护难以满足实际需求，需要在局部范围内，设置局部等电位联结，以保证用电的安全性[4]。

3.4 供配电系统的节能设计

电能是现代化社会持续发展的主要因素，加强高层建筑供配电系统节能设计具有长远的意义。高层建筑供配电系统在运行中，会形成大量的电能损耗，如果不重视节能设计，会导致大量电能被无故浪费，在节能设计时需要高度重视以下几个方面：

（1）如果采用10kV 电压等级供电，则变配电所的布设位置，要尽量靠近负荷中心，并按照“两点之间线段最短”的原则选择配电路径，尽量缩短线路距离，减少线路上的电能损耗。

（2）大量研究和实例表明，当变压器的负载率在50%～60%时，变压器的有功功率损耗达到最低值，但如果负载过高，需要设置多台变压器来满足供电需求，增大初始投资量，在短时间内，难以通过节能的方法收回投资费用。在案例工程供配电设计中，选择了低损耗节能型干式变压器，有效降低变压器运行中的空载损耗，将变压器的负载率控制在70%～85%之间，运行最经济合理[5]。

（3）案例工程空调负荷属于季节性负荷，而且容量比较大，为满足实际运行需求，需要设置独立的空调专用变压器，在春季、秋季气温适宜，可停止运行，提升节能效果。

3.5 抑制谐波设计

高层建筑供配电系统中，谐波源包括：换流设备、铁芯设备、照明设备、空调等非线性电气设备。谐波对这个供配电系统造成的危害比较大，比如：谐波会降低电动机的效率，提升发热量，缩短使用寿命。此外，谐波还会对电子设备、继电保护以及通信线路等造成不同程度的影响。

为抑制谐波问题，在案例工程供配电系统设计中，采取了如下措施：（1）采用接线组别为D，yn11 变压器，能够很好地抑制供配电系统中的3n 次谐波电流；（2）在变压器低压侧设置有源电力滤波器，以消除电网中的谐波，而且还能起到节能、降耗的目的；（3）采用静止无功发生器，以提升功率因数，以便更好地克服三相不平衡，消除电压闪变以及电压波动，合理解决谐波污染问题。