超高层建筑电气设计分析

天津企宏腾科技有限责任公司 王升义

1 超高层电气设计特征

1.1 需满足更多用电需求

相比于普通层高建筑超高层建筑（总高度超过100m的建筑）承载着更多功能，其中大部分功能都需电力作为支撑。如垂直交通系统（即电梯系统），由于超高层层数较多、用户数量较大，垂直交通系统的承载量也就相应增大，用电负荷也即增多。再者超高层建筑也存在许多特殊的用电需求，诸如建筑消防系统。当超高层建筑发生火灾时高层住户无法迅速逃离，因此为了保证安全，超高层建筑须依据国家规范要求设置消防系统，而消防系统中存在许多用电设备，如消防水泵、消防风机、防火卷帘、电动防火阀等。

电气系统中的火灾自动报警系统也是建筑消防系统的重要组成部分。其中烟感、温感、火焰探测器等探测设备，时刻探测、监控建筑物内各个区域的实时状态，为建筑安全保驾护航；消防联动控制系统将建筑物内所有消防设备全部联动控制，通过计算机程序控制设备的启动、停止，并且可通过系统编程实现更复杂的控制逻辑，以满足建筑消防系统中各个设备各种繁琐的运行要求，因此消防系统与建筑电气设计密不可分。另外，超高层建筑也包含普通建筑的所有用电需求，如照明、动力、电子系统等设备，因此总体上超高层建筑用电类目繁多，电气设计需满足大量用电需求，具有一定难度[1]。

1.2 必须保障供电稳定性

因为超高层建筑高度太高、供电线程较长，且供电线路长度与电阻高低呈正比关系，因此线路越长则电阻越高，造成供电线路的电压降损失越大，从而影响供电质量，无法保证供电稳定性。同时从用电量及配电形式的角度来看，超高层建筑的容纳空间较大，内部住户数量更多，因此需更大供电容量、更多供电回路，因此会产生更复杂的供配电形式。电气系统中用电设备过多、设备容量过大，都会对供电稳定性带来影响，甚至会造成严重隐患。由此可见，超高层建筑电气设计需要尽可能提高供电稳定性，并且予以一定的保障。

值得注意的是，超高层建筑供电稳定性除了取决于设计阶段以外，还与后期的维护、保护有关。前期设计中如未考虑后期维护、保护需要，可能导致电气设备经常出现故障、寿命减短，或不利于后期维护工作展开，使得维护不到位，设备也容易出现故障，这些现象自然导致供电稳定性变差，甚至还会引发一些电力事故，威胁住户安全，因此超高层建筑电气设计必须保障设计稳定性[2]。

2 电气系统结构、设计要点

2.1 基本结构

因为不同超高层建筑的电气需求存在差异，所以电气系统结构也有一些区别，但这些差异主要体现在应用功能方面，系统基本结构相同。结合以往经验，超高层建筑电气系统主要由10/0.4kV变配电系统、低压配电系统、照明系统、防雷接地系统等组成，具体内容如下。

10/0.4kV变配电系统。其为建筑电气系统的核心、供配电系统的源头。包括建筑供电负荷分级、供电电源、变配电所设置、建筑负荷容量计算、继电保护装置、操作电源及信号、电能计量、功率因数节能补偿、谐波治理、低压保护装置、电力监控系统、配电线路等内容；低压配电系统。是电气系统的重要组成部分，它将电能从变配电室输送至建筑内各区域，以构成庞大的配电系统网络。低压系统以满足供电可靠性、灵活性、安全、检修方便以及减少损耗等原则进行设计。通常自变电所馈线柜低压出线至用电设备间的低压配电级数不超过三级。

照明系统。包括室内外照明、插座，以及部分小动力设备，是直接面对用户的末端设备，这些设备自身容量虽然不高，但数量众多，覆盖面极广。因此，照明系统是否正常决定了超高层建筑的功能服务以及用户体验。

防雷接地系统。出于供电稳定性与用电安全考虑，超高层建筑设计中需要做好防雷接地系统。自然环境中的雷电对建筑电气系统有较大影响，尤其是超高层建筑，其受雷电影响的概率、影响力度远超普通城改建筑，若受到影响电气系统的供电就会出现不稳定现象，如短路、设备损坏等。接地系统是建筑内保证人身安全的重要措施，电气设备以及可导电金属物体没有做好接地保护，不仅会造成人员触电的危险，还会产生电气火灾的隐患。因此，做好防雷接地系统设计，不仅能够为其他系统提供保护，还可提高供电稳定性、用电安全性[3]。

2.2 系统设计要点

出于电设计整体考虑，各个系统都不能出现问题，因此设计人员要了解各系统的设计要点，具体内容如下。

2.2.1 10/0.4kV变配电系统设计要点

按照国家规范要求，超高层建筑为一类高层民用建筑，供电负荷等级为一级。需要由双重电源供电，并且当一电源发生故障时，另一电源不应同时受到损坏。

超高层建筑一般在建筑地下层或首层设置变配电室，由市政引来两路或多路（偶数）10kV高压电源，通过变压器变为0.4kV低压电源，供给楼内各个用电设备。由于变配电室的位置直接影响配电线路的供电半径，所以从经济性、节能性的角度考虑，变配电室选址尤为重要。另外如果建筑高度超过200m，就需在中间层增设变配电室，以缩短供电半径，减少电压、电能损耗。

因为超高层建筑形式特殊，用电需求要求较高，因此有部分用电设备需要应急电源作为第三路备用电源,包括自备柴油发电机组、EPS应急电源、UPS不间断电源。柴油发电机组：有部分超高层建筑（如国际高级酒店、医院、国家级会展中心、金融中心、超豪华写字楼等）由于供电级别较高，建筑内存在一些重要负荷（消防负荷、安防系统、安全系统用电等），按照国家规范（民用建筑电气设计标椎GB 51348-2019）要求，此部分重要负荷需要第三路供电电源作为备用，于是自备发电机组因此产生；EPS应急电源：应急照明一般采用双互投电源（ATS）在末端切换，但（ATS）互投开关在动作时需要一定切换时间，不能满足应急照明持续点亮的要求，所以需要设置EPS应急电源，以补足切换时间的不足；UPS不间断电源：计算机运营管理、金融服务、安防等系统需要服务器持久在线，电源不能间断。但电气转换开关需要转换时间，无法满足持续不间断的供电要求，因此需要设置UPS不间断电源，作为市政电源故障时计算机服务器持久在线的电源支持。

高、低压供电系统结线型式及运行方式一般采用以下形式：高压为单母线分段运行方式，中间设联络开关，平时两路电源同时分列运行，互为热备用，当一路电源故障时，通过手动操作联络开关，由另一路电源负担全部二级及以上重要负荷。高压主进开关与联络开关之间设电气连锁，任何情况下只能合其中的两个开关；低压为单母线分段运行，联络开关设自投自复/自投不自复/手动转换开关，确保后期管理时能够手动操作。自投时应自动断开非保证负荷，以保证变压器正常运行。低压主进线开关与联络开关之间设电气连锁，任何情况下只能合其中的两个开关。

10kV继电保护采用综合继电保护器实现三相定时限过流保护、电流速断保护、零序保护；变压器10kV侧设置单相接地信号装置、两段温度保护及信号装置。高压断路器采用真空断路器，操作电源采用直流电源。低压断路器操作电源采用交流电源，分段能力需满足规范要求。

2.2.2 低压配电系统要点

低压配电系统采用放射式或树干式供电，对于单台容量较大的负荷或重要负荷采用放射式供电，对于照明及一般负荷采用树干式与放射式相结合的供电方式，对于消防电梯、消防泵、喷淋泵、应急照明及防排烟风机等消防负荷及变配电室及安保等一类负荷用电设备的供电，采用双电源送至各用电点进行末端自动切换，以保证供电的可靠性。其中计算机管理系统、电话通信、安防系统负荷为一类负荷中的特别重要负荷，采用双电源送至各用电点进行末端自动切换，并设有应急电源系统作为后备电源。其余的重要负荷如非消防部分的生活水泵、排水泵等也采用双电源末端或适当位置自动切换供电。地上应急照明、走廊一般照明等负荷采用电缆T接的树干式配电方式。

所有非消防用电设备及非消防照明其供电主开关均须设置分励脱扣器以能在火警发生时切断非应急负荷。发电机供电的非消防重要设备负荷在火灾时自动强切；在三相配电系统中，单相负荷应均匀分配以减少中性线电流，照明和动力用电将按照实际需求尽量分独立回路设计，以减少因动力负荷所引起的电压波动而影响照明用电质量。

2.2.3 照明系统设计要点

超高层建筑照明设计较为复杂，总结经验设计要点主要有以下几点：照度要求及功率密度限值：按照国家规范要求，建筑照明照度不能超过国家标准规定的照明功率密度限值，但照明设计又必须满足各功能区域的使用要求，达到规范要求的照度标椎值（lx）。因此需根据建筑内各房间功能合理设计照明数量；照明灯具选型：根据规范要求，建筑照明必须采用节能型灯具。因此设计中选择光源一定要符合当前节能要求。另外显色指数、色温、光通量等参数也是选择灯具的重要指标；照明控制系统：为方便日常维护管理、建筑节能，满足各种场景对照明环境要求，不同功能区域需采用不同控制方式。

如：楼梯间、楼梯前室、合用前室等公共区域采用双鉴(超声+红外)探测器控制照明的启停，以达到延时关闭的效果；车库、后勤、后勤走廊等公共区域可采用智能照明控制系统或建筑设备管理系统（BA系统），以实现时间控制；大堂、多功能厅、餐厅、游泳馆等精装区域可采用智能照明控制系统，实现集中控制、场景控制；办公室、会议室等功能房间采用就地开关控制；loft办公、跃层户型上下楼梯、长过道的照明采用双控开关两地控制；室外照明可采用智能照明控制系统或BA系统，可根据白天、夜间、节假日等的不同需要对室外照明场景进行系统设置，并在规定时间关闭，节约电能。另外，应急照明应选用满足国家标准的应急灯具，采用应急独立电源、专用配电线路，以此避免应急照明电源受到影响，确保应急照明设备在应急状态下能够正常使用。

2.2.4 防雷接地系统

防雷系统：首先要估算建筑物的年雷击次数，然后根据年雷击次数确定建筑物的防雷等级。一般情况下超高层建筑防雷等级为二类。根据国家规范要求，超高层建筑的防雷装置必须满足防直击雷、侧击雷、防雷电感应以及雷电波的侵入。接闪器：在屋顶采用Φ12热镀锌圆钢作避雷带，屋顶避雷连接线网格不大于10m×10m或8m×12m。所有突出屋面的金属物均与避雷带相接；引下线：利用建筑物外侧柱的主钢筋做防雷引下线，其间距不应大于18m。所有钢筋构件之间必须连接成电气通路；防侧击雷：每层设均压环，均压环均与该层外墙上的所有金属窗、构件、引下线连接；接地极：利用建筑之基础结构桩基内之主钢筋及地梁内主筋作为接地体。

接地系统：超高层建筑室内低压配电系统的接地型式为TN-S系统，系统变压器中性点接地、电梯导轨的接地、综合监控中心接地、通信接入机房接地、网络机房接地等均共用基础接地极，要求接地电阻不大于1欧姆；凡正常不带电而当绝缘破坏有可能对地呈现电压的一切电气设备的金属外壳均应可靠接地；全部供移动用电设备使用的电源插座，潮湿场所及室外设备用电的配电线路设剩余电流保护措施；变配电室内设置总等电位链接（MEB）。带淋浴的公共卫生间、浴室、洗衣房、游泳池、厨房等潮湿场所、医疗用房内均应设置局部等电位联结（LEB）；柴油发电机房、制冷机房、生活水泵房、中水机房、弱电机房等各设备机房均设置等电位接地端子板/箱，所有外露可导电部分均与之相连。

综上，超高层建筑与普通层高建筑多有不同，设计过程中应当注意相关要点，并严格遵守国家相关的规范标准，提高电气系统质量，为住户用电、安全提供保障。