高层建筑电气工程供配电系统设计研究

2022-07-11陈旭

建筑与装饰 2022年13期

陈旭

合肥滨湖投资控股集团有限公司安徽合肥 230000

引言

电力供应是助力建筑功能发挥的关键所在，尤其是对高层建筑而言，相较于普通建筑，无论在用电系统结构上，还是电力需求特征方面，均更加复杂多变，这对建筑电气工程供配电系统设计也提出了更高要求。基于此，有必要加强对高层建筑电气工程供配电系统的设计研究，从而不断提高系统设计的科学合理性，在满足高层建筑供配电要求的同时，保障电力供应的安全稳定性，促使高层建筑能够安全稳定运行，提高人们的居住体验。

1 工程概况

现有某高层建筑工程，总建筑面积为42805.37m，总层高为17层，地上15层，地下2层，建筑整体高度为59.46m。建筑整体结构形式为框架剪力墙结构，设计使用年限为50年，建筑耐火等级地上与地下都是一级。在电源供应方面，在地下1层西侧，设置有高压分支室，电源等级为10kV电源，分为两路同时供电，且都是直接从城市电网之中引入。该建筑工程的负荷等级如下：消防电梯、应急照明系统等消防用电为1级负荷。除此之外，生活水泵、客用电梯等也是1级负荷，余下用电设施为3级负荷。在本高层建筑工程中，防雷与接地系统采用了三类防雷建筑物设计方式，同时接地采用了等电位方式进行联结。该建筑工程属于典型的高层建筑，本身用电量较大，且整体的用电系统构成也比较复杂，对电力供应稳定安全性有着非常高的要求。除此之外，由于该高层建筑在完工后，需要进行对外出租或以及售卖，受此影响，部分建筑区域还需要进行二次深化设计，因此在实际进行供配电系统一次设计的过程中，还需要在面临负荷不确定的挑战。以下是对该高层建筑供配电系统设计的具体实践分析。

2 高层建筑电气工程供配电系统设计分析

2.1 负荷计算与无功率补偿设计

在本工程中，包含多种负荷类型，比如有380V现象三相用电设备，比如空调机组、水泵设备等，还有220单相用电设备，比如照明系统、风机盘管等。上述用电设备都需要布置在地下1层的变配电室负责供电，供电方式为220V/380 V放射式与树干式结合方式。高层建筑中的设备用电负荷，除了由设备厂家提供相应的负荷数据以外，还可以采用单位面积功率法进行估算,具体可采用以下公式：

在（1）式中，S代表的是建筑面积，Pe′代表的是办公楼单位面积功率，一般可取值为30至100W/m2。

在负荷分级方面，通过上文可知，本建筑工程负荷主要由1级负荷与3级负荷组成。其中前者对供电稳定性与安全性要求较高，需要两个电源同时负责供电。针对一些非常重要的负荷，比如消防应急照明系统等，还需要额外配置紧急电源。后者对供电稳定安全性要求并不是特别高，因此只需要进行单路供电即可满足负荷要求。

在计算电气负荷时，首先，需要结合该建筑工程实际情况，将负荷分为三类。一是照明负荷，二是平时消防负荷，三是动力负荷[1]。最后采用系数法（相应的计算公式如表1所示），结合工程实际负荷数据，完成上述负荷的计算。最后，对这些负荷数据在进行整合，完成变配电室总负荷的计算。当建筑工程发生火灾时，由于需要切除动力负荷以及正常照明负荷，再加上本工程没有二级负荷，因此只考虑一级负荷计算。通过求和计算，最终得出该建筑工程在无功功率补偿前，总负荷为4098kW，无功计算功率为2568kVar，功率因数为0.84。除此之外，还需要计入同时系数，因此最终的功率因数计算值为0.83，整体数值偏低，还需要进行无功补偿，最终得到的功率因数为0.95，即需要补偿1200kvar。而在本工程中，变压器高压侧总负荷为3184kW，因此在实际设计时，可配置2台容量为2000kVA的变压器，无功补偿的功率为1200kvar。在后续加装无功功率补偿设备时，可采用并联变容器方式进行补偿，用于提升该高层建筑的功率因数。关于补偿容量计算，可采用以下公式：

表1 负荷计算公式

2.2 供配电系统一次接线设计

首先，在电压选择方面，由于本高层建筑采用了双电源供电方式，有功计算总负荷为3088kW，用电设备的额定电压包括两种，一是380V电压，二是220V电压，低压配单距离要求在150m以内，因此在变配电室设计方面，采用了10/0.38gkv容量的变配电室。同时为保障整体的电能质量，还采用了以下设计方法要点：①采用的三相配电变压器的联结组别为“D，yn11”，同时还采用了±5无励磁调压分接头；②为有效降低谐波的影响，本次设计选择在补偿电容器上连接调谐电抗器；③在电缆选用方面，采用了铜芯电缆，因为这种电缆的电阻率更小，同时适当增加了电缆截面积，从而有效降低了线损[2]。在主照明电源线路设计方面，采用了三相供电方式，有利于降低电压损失。

另一方面，在变压器选择方面。在本工程中，视在负荷为3176KVA（cosφ=0.095），1级负荷为283.46kVA，没有二级负荷。并且在本工程中，照明负荷对电压质量没有一些比较特别的要求，因此无须在照明负荷之中专门设进行电压器配置[3]。因此本工程采用了两台容量相同的变压器，且动力负荷与照明负荷由同一个变压器承载。按照变压器负载率65%进行计算，那么每台变压器负载为3176×65%=2064.4kVA。因此在选择变压器时，需要按照2064.4容量进行选择，同时注意电压器最低容量不低于1级负荷283.46kVA。因此本次选择了2台型号为SCB-2000KVA干式变压器。

2.3 变配电室电气主接线设计

首先是高压电气主接线设计。通过上文叙述可知，在本工程中，变配电室内配备有2台变压器，并从城市电网中加入了两路10kV外电源进行供电。为进一步提高变压器供电的安全性与稳定性，在实际设计时，针对高压侧电气主接线设计，采用了单母线分段形式。在本工程中，由于选择的变压器为SCB-2000KVA干式变压器，本身有着较大的容量，为保障变压器运行安全，本次采用了真空断路器作为变压器主开关，同时采用了型号为KYN28-12的中置柜作为高压柜[3]。高压柜在实际布置时，采用了面对面布置方式。同时严格按照供电部门的相关规定，在电源进线柜布置方式，第1台设置为隔离柜，第2台则设置为进线柜，第3台则设置为计量柜。与此同时，在进线柜与进线隔离柜之间，还加装了电气联锁，从而有效避免在带负荷操作时，发生隔离手车的问题。

然后是低压电气主接线设计。在变配电室中，由于配置有2台变压器，因此针对低压配电系统主接线设计，同样采用了单母线分段接线形式，并在母线两端，配置了专门的联络开关。在变压器正常运行的情况下，母联断路器处于断开状态，两台变压器因此能够分列运行。如同其中一台变压器发生了故障问题，可以采用自动投入或手动投入方式开启联络开关，从而由另一台变压器负责确保高层建筑重要负荷的运行，因此2台变压器可以互为备用。在开关柜选型与配置方面，针对母联断路器、低压进线断路器等，均采用了空气式断路器。针对低压配电屏，考虑到操作的方便性，配置了抽出式开关柜。在正常运行时，为避免两台变压器发生并联运行的故障问题，选择在变压器低压侧，设置了电气联锁，从而无论遭遇何种情况，都只能合其中两台低压断路器，避免变压器之间发生并联问题。

最后，还需要做好低压带电导体系统设计。对单相与三相设备混合的混合配电线路而言，其中的单相设备，设计了三相配电干线，采用的是三相四线制；而对单相设备配电支线路，在实际设计过程中，为了能够达到在三相系统进行负荷均匀分配的目标，采用了单相三线制。在系统接地设计方面，由于本高层建筑属于TN-S系统，因此针对电气设备外露金属部分，需要采用PE线连接系统的接地点，从而保证TN-S系统运行安全。

除此之外，关于低压配电干线系统接线的设计，在本高层建筑之中，由于主要用于写字办公，因此需要将照明负荷与动力负荷进行分开配置[4]。为了便于对上述两种负荷进行统一的管理，针对消防用电设备，需要专门设计成为独立的消防系统，从而一旦后续出现火灾安全事故，能够保障消费电力供应的稳定性。与此同时，在低压配电干线设计方面，为满足消费安全电力稳定供应，采用了放射式和树干式相结合的配电方式。

2.4 外部防雷装置设计

在本高层建筑中，针对外部防雷装置的设计，主要包括了以下几点设计要点：一是针对接闪器，本次设计选择在屋顶之中采用镀锌圆钢作为避雷带，钢材直径为10mm。同时在屋顶之中，还设置有避雷连接线网格。具体规格在18×19m，避雷网采用了楼板钢筋[5]。二是针对该高层建筑屋顶凸起金属物品，比如金属屋面、屋架、通风管等，直接与避雷带进行连接。由于该建筑高度较高，为更好地应对侧击雷带来的影响，在实际设计时，针对楼高30m以上部分，所有的外部金属物品均需要直接连接防雷装置。三是在引下线设计方面，主要采用了建筑物结构柱（墙）的主筋采用长焊接方式完成引下线设计，同时还应注重做好引下线间距控制，一般不得超过25m。在引下线上端，需要直接与避雷带焊接在一起。针对外墙引下线，在实际设计时，需要选择从室外地面下1m的位置处引出，然后与室外接地连接在一起[6]。四是在接地极设计方面，其周作为高层建筑桩基重要的组成部分，首先需要注意做好距离控制，一般室外接地极与建筑物之间的距离要在3以上m，距室外地面的距离则控制在1m以内。水平接地极可采用40×4mg规格的镀锌扁钢。垂直接地极则采用厚度在4mm以上的镀锌角钢。除此之外，还应注意，针对高层建筑四角外墙的引下线，应选择在距室外地面0.5m位置处，做好接地电阻测试箱的设置。