超高层建筑变配电系统设计探讨

2022-09-19何俊裕

现代建筑电气 2022年4期

何俊裕

(广州市设计院集团有限公司, 广东广州 510620)

0 引言

随着我国经济高速发展,超高层建筑已经成为大城市核心城区的标配。过去20年间,大量的超高层建筑如雨后春笋般出现在我国一、二线城市。我国由最初的学习模仿发达国家的建设方法到现在引领国际的超高层建造技术,都得益于多年积累的设计及施工经验。超高层电气系统的设计要结合国家现行规范、建设方对不同业态管理的各项要求进行综合设计。本文介绍的超高层项目多数位于广东地区,希望所提供的观点和数据能为南方地区未来超高层项目规划设计提供一定参考。

1 变配电所规划

1.1 按业态规划

超高层建筑往往是多种业态如办公、酒店、商场、公寓等集成一体的建筑,设计人员需要按照不同的管理方式进行变电所规划。在方案设计阶段,电气设计人员应充分了解超高层项目的业态分布、管理权限、分期开发计划、市政高压的条件等重要设计依据。前期业主通常会引入顾问方与设计方共同制定供配电方案,在此阶段,设计团队应当足够重视,制定数个方案提供多方评审,并最后选择最优方案。这样为后面初步设计与施工图设计打下良好基础,避免施工图大量改图的情况出现。

1.2 负荷分级

超高层项目往往存在大量的一、二级负荷,主要根据GB 51348—2019《民用建筑电气设计标准》[1]附录A及公安部消防局《建筑高度大于250 m民用建筑防火设计加强性技术要求》(简称《250 m加强性要求》)进行负荷分级。

其中,超过150 m超高层公共建筑消防负荷为一级负荷中的特别重要负荷。而且GB 51348—2019《民用建筑电气设计标准》最新规定一级负荷中的特别重要负荷的供电应符合:除双重电源外,应增设应急电源供电。由此可见,超过150 m的超高层建筑是需要设置柴油发电机作为应急电源的。以往有些超高层项目在满足市政两路电源的情况下不设置发电机,在实践中看来,市电的可靠性和电源独立性是达不到发电机的标准。因此,超过150 m建筑应急电源应采用柴油发电机,150 m以下的超高层建筑宜设置柴油发电机[2-3]。

1.3 面积指标估算

分析国内超高层建筑功能业态大多数为办公、酒店、商场、公寓,根据国标图集19DX101-1 《建筑电气常用数据》中变压器节能评价指标和建筑用电指标,不同业态建筑用电指标如表1所示。

表1 不同业态建筑用电指标

超高层项目变压器及高压电源指标如表2所示。

表2 超高层项目变压器及高压电源指标

由表2可见,超高层建筑变压器容量与建筑本身功能密切相关。当建筑中含有酒店及商业业态时变压器装机指标稍高,单纯办公建筑装机容量指标稍低。参考众多国内的超高层建筑变配电设计方案,总体而言,变压器合理指标在90～130 VA/m,变压器设计负载率在70%～85%。

但现实中不少超高层商业建筑竣工投入运营后,实测数据显示:高峰用电变压器的负载率低于60%。这是由于这些项目设计阶段负荷计算不准确与商场运营后业态变更所造成。随着我国双碳经济的政策推广,变压器容量计算既要适当考虑商业的可拓展性,也要兼顾考虑节能和环保。设计人员必须综合各种因素,才能计算出合理的变压器容量[4]。

1.4 变电所选址

根据GB 50053—2013《20 kV及以下变电所设计规范》[5],超高层建筑变电所选址应遵循几个原则:接近负荷中心;接近电源侧;方便进出线;方便设备运输;防水防潮,保障供电安全。

超高层建筑低压供电半径不超过250 m,200 m以内的建筑变电所考虑放置在地下室(当地供电部门允许前提下),超过200 m的建筑考虑设置塔楼变电所,一般设置在避难层设备区。

超高层建筑变配电所选址在方案阶段需要综合考虑技术与经济因素。在技术因素考量中,应重点考量电压降、机房面积大小、管井面积大小、设备运输方式、管线综合问题。在技术满足规范的前提下,经济方面应重点考量设备投资、线路投资、机房位置经济价值、设备能耗、线路损耗等。

2 高低压主接线

2.1 市政电源条件

超高层建筑的高低压主接线与当地的市政电源条件和供电局的规定密切相关。在开展项目主接线设计之前,设计人员需要了解市政电源的电压等级是10 kV/20 kV/35 kV其中的哪一种。例如广东地区:珠海横琴区和广州知识城部分区域采用20 kV电压等级,省内其他地区均采用10 kV电压等级。此外,还需要向供电部门了解下列问题:① 单路10 kV/20 kV/35 kV电源最大供电容量是多少?② 项目所在区域能提供多少路的市政电源?③ 是否能满足双重电源要求?④ 项目内是否需要设置开关房或开闭所?

收费标准是设计师需要了解的另一方面内容,因为该方面影响了项目的初始投资成本,是需要和业主沟通并决策的。按照经验,需要沟通以下几方面:供电部门对高可靠电源收费标准;不同业态的收费是否不同,例如公寓与充电桩是否有独立的收费标准;供电部门与业主的电力设施设计界面与投资界面如何界定等。

2.2 主接线方式确定

超高层项目往往需要由市政提供多路高压电源,以满足双重电源要求。正常工作时主用回路各提供电源,当其中一路故障时,由备用电源供电,从而保障整个项目的正常供电。

高压供电系统一般采用单母线分段形式,可采用一用一备、两路电源互为备用、三路电源两用一备等方式。主接线形式需要根据项目变压器总容量及当地每路高压电源的承载容量确定。通常,变压器总安装容量在15 000 kVA以内的,可采用两路电源一用一备或两路电源互为备用;变压器总安装容量在15 000～25 000 kVA的,可采用三路电源两用一备或三路电源互为备用的方式;变压器总安装容量在25 000 kVA以上的,一般采用分组接线,或者采用更高一个电压等级供电。

高压结线示意图如图1～图3所示。

图1 高压结线示意图(两路10 kV一用一备结线)

图2 高压结线示意图(两路10 kV互为备用结线)

图3 高压结线示意图(3路10 kV两用一备结线)

低压供电系统一般采用单母线分段形式,两段母线之间设置联络开关。正常情况下,联络开关处于断开位置,变压器分列运行。当1台变压器故障退出运行时,手动调整负荷后合上联络开关,向故障段母线供电,确保负荷及消防用电负荷供电。

需要注意,高度超过250 m的建筑低压供电系统需要遵循《250 m加强性要求》第二十四条:消防用电应按一级负荷中特别重要的负荷供电。应急电源应采用柴油发电机组,柴油发电机组的消防供电回路应采用专用线路连接至专用母线段,连续供电时间不应小于3.0 h。可见,超250 m超高层建筑属于特别重要场所,需要增加柴油发电机组作为消防用电的应急电源,并采用专用的母线段,以确保市政电网故障导致停电事故时,仍具有独立的电源供电。

低压结线示意图(消防分组接线)如图4所示。

图4 低压结线示意图(消防分组接线)

低压结线示意图(消防不分组接线)如图5所示。

图5 低压结线示意图(消防不分组接线)

3 备用电源设置

超高层建筑一、二级负荷很多,而且很多负荷属于一级负荷中的特别重要负荷,例如金融建筑的重要计算机系统用电及安防设施用电、特级金融设施用电、四星级以上旅游饭店经营及设备管理用计算机用电等。根据GB 51348—2019《民用建筑电气设计标准》中第3.3.2条,150 m及以上的超高层公共建筑的消防负荷应为一级负荷中的特别重要负荷:第3.2.9条,对于一级负荷中的特别重要负荷,其供电应符合下列要求:除双重电源供电外,尚应增设应急电源供电。由此可见,150 m及以上的超高层公共建筑需要设置柴油发电机作为消防应急电源,因为消防设置,包括风机,水泵是不能用蓄电池带动的。

柴油发电机不仅作为消防应急电源,还需要作为建筑内重要确保负荷的备用电源,以确保在市电故障停电状态下,能够保障供电。在方案设计阶段,设计师应充分了解建筑的业态功能以及项目定位,以判断备用电源的设置或者预留空间,为业主日后运营租售物业提供可拓展性空间。

广州某超高层办公建筑位于CBD核心区域,项目定位为超甲级写字楼,主要客户为企业总部和金融类客户。在了解需求之后,向业主提出两个备用电源方案:方案一为设置2台800 kW的发电机,在项目作为常用办公功能时发电机负载率均为60%左右,另外40%作为未来拓展客户预留备用空间;方案二设置1台1 200 kW发电机,另外预留1台500 kW的发电机土建条件,以供未来拓展客户预留。通过和业主沟通,分析对比两个方案的优劣势,最终选择方案二。在项目竣工招租后,大楼租户提出了在楼内建设400 m2的数据机房,需要约400 kW的备用电源,此前预留的土建条件刚好能新增柴油发电机。从此案例说明,超高层建筑功能定位对备用电源的设置至关重要,合理预留备用电源空间能为业主项目创造更大的商业价值。

对于高度超过400 m的建筑,由于低压配电半径限制,有些工程设置楼上发电机,这样能使发电机更好深入负荷中心,但是设备搬运及维护成最大问题,所以这样的现实案例并不多见。据了解,香港环球贸易广场(建筑高度484 m)采用该方式,该项目在3个避难层分别设置柴油发电机。除了需要解决发电机的搬运维护问题,柴油燃油运输也是需要解决的一大问题。该项目采取室外储油罐及室内储油箱相结合的储油方式,室外储油罐通过燃油管道将燃油输送至每层的室内储油箱,并在3个避难层设置中转储油箱,各储油箱及相关阀门均将信号连接至燃油转输泵控制屏,并在消防控制室设置监控器,对燃油输送进行实时监控。

4 电气竖井设置

超高层建筑存在大量的用电设备,电缆与母线敷设通道为核心筒的配电间的情况。实际工程中,配电间经常出现空间不足,这是由于设计阶段对电气竖井及配电间空间预留不足,没有作出精细化设计。核心筒也是建筑中面积最为紧张的区域,电梯井道、给排水井道,空调风井均布置在核心筒,强弱电间就需要电气设计师根据实际的回路数量进行桥架、母线、电箱的排布。竖井尺寸应满足布线间隔及端子箱、配电箱布置所必需尺寸。此外,也要考虑工作人员的操作距离,竖井宜在箱体前留有不小于0.8 m的操作距离。当建筑物平面受限制时,可利用公共走道满足操作距离的要求,但竖井的进深不应小于0.6 m。竖井的合理设计会大大降低施工和运营维护的难度。

根据GB 51348—2019《民用建筑电气设计标准》规定,竖井内高压、低压和应急电源的电气线路之间应保持不小于0.3 m的距离或采取隔离措施,并且高压线路应设有明显标志。高度250 m及以上的公共建筑,宜增设一个强电竖井,供备用电源线路及应急防灾系统的备份缆线使用。当增设强电竖井有困难时,可与弱电增设的竖井合用。建筑高度超过250 m的公共建筑,消防线路布线宜设专用竖井。

近年来在一些竖井火灾事故中,由于非消防负荷与消防负荷的配电线路共井敷设,非消防负荷的配电线路着火将消防配电线路(有机绝缘类耐火电缆)引燃烧毁。因此,消防部门多次提出非消防负荷与消防负荷的配电线路分井敷设,《250 m加强性要求》就对超过250 m超高层建筑电气竖井作出了更为严格的规定:消防用电应采用双路由供电方式,其供配电干线应设置在不同的竖井内。广州某超高层建筑强电间布置大样图如图6所示。