某超高层建筑的电气设计方法

杨志锋

（四川省建筑设计研究院有限公司，成都 610000）

1 引言

随着社会经济的发展，城市建筑建设规模不断扩大，在土地资源有限的背景下，超高层建筑成为建设的重点，以“向上要空间”的方式缓解土地资源紧缺的局面。 超高层建筑的电气设计具有系统性、复杂性等特性，涉及的设计要素丰富。 为做好超高层建筑电气设计工作， 有必要对其设计方法进行深入探讨。

2 工程概况

某超高层建筑，建筑总高度242 m，地下3 层，地上53 层，建筑面积22 万m2。 超高层建筑的设计要求高，在充分做好防灾设计、消防安全设计等工作的同时，还需兼顾防灾系统的预警性、弱电系统的兼容性等功能设计。 同时，该建筑存在屋顶停机坪电气设计、航空障碍灯设计等方面的难题。 设计人员需做深入的探索，进行方案的设计、论证、优化，突破技术难题，保证设计质量。

3 超高层建筑供配电系统设计

3.1 负荷分级

超高层建筑的负荷密度取决于建筑的高度、面积、功能等因素，通常按照80～120 W/m2的要求控制。 火灾自动报警及联动控制装置如图1 所示。 在一级负荷中，重要负荷包含火灾应急照明及疏散标志、消防水泵、自动灭火系统、排水泵等[1-2]。

图1 火灾自动报警及联动控制示意图

3.2 供电电源及电压

综合考虑建筑负荷等级（一级负荷）、供电距离、用电量，从技术可行性和成本可控性两方面进行分析， 合理地设计供电电源及电压。 项目设置20 kV 开闭所，由城市电力电网提供两路20 kV 电源至该处，保障供电电源的可靠性。 开闭所提供4 组20 kV 馈线向1#-20kV～4#-20 kV 配电室供电， 结合项目使用功能，细分为2 条路径，一是引至公寓用电的配电室，此部分采用1 组馈线；二是引至商业+ 办公、酒店、车库的配电室，此部分采用3 组馈线。

3.3 应急电源

1）不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）。 在各负荷端配置第三电源，确保允许中断供电时间为ms 级的负荷供电，例如，大厦的网络机房、安防控制室、酒店、商场等，在本项目中，配置的是UPS 装置。

2）应急照明电源。 通过集中蓄电池应急照明电源系统的设计，确保允许中断供电时间为0.25～0.5 s 的负荷供电，例如，航空障碍标志照明、值班照明、消防应急照明等。 第三电源的配置根据具体需求而定，以航空障碍标志、疏散指示标志灯为例，各自分别采用的是自带的镍铬蓄电池、镍氢蓄电池。

3）柴油发电机。 于地下1 层规划发电机房，额外配置1 台0.4 kV 的2 000 kV·A 柴油发电机组，保证部分负荷供电的可靠性。 针对发电机组与市电间采取安全防护措施，避免两者并列运行的情况。 同时，做好发电机房的排烟通风、防火、隔振等设计工作，维持良好的发电机房运行环境。

3.4 供电系统

1）开闭所。 项目建设于城市繁华区域，土地资源宝贵，为节约空间，在本建筑地下1 层规划20 kV 开闭所，且优先选取的是便于管理和维护等日常工作顺利开展的区域， 同时加强防水，竭力减小外界因素对开闭所的影响。

2）中压配电室。根据功能的不同，将项目划分为商业+办公、酒店、车库、公寓4 部分，再对各自做针对性的中压配电室设计，分别对应的是1#-20 kV～4#-20 kV 配电室。 配电系统实行单母线分段运行机制，配电室临近开闭所电源侧布置。 两段母线分别配出回路至变电所，两路电源互为备用。

3）20 kV/0.4 kV 变配电所。根据空间资源利用价值最大化的原则，在地下1 层、2 层设车库、酒店（部分）、商业+ 办公（部分）变配电所；对于塔楼，采取竖向分段依次设计的方法，具体分段方式根据功能而定，形成相对应的变配电所设计方案。以A 塔楼为例进行分析， 将10 层、42层避难层作为重点规划区域，分别设计办公、酒店的变配电所，并集中布置设备机房。低压线路的供电半径不大于150 m，塔楼的货梯井作为垂直运输通道进行变压器的运送，楼层变压器的容量不宜超过1 000 kV·A。

4）负荷容量及变压器安装容量。一级、二级负荷分别约为4 783 kW、10 547 kW。 A、B 塔楼公寓预计容量4 520 kV·A，含此部分在内的变压器装机容量为28 220 kV·A。 消防设备总负荷约4 106 kW。

5）变压器负荷率。 分两种情况考虑：其一，长期工作负荷率为70%～80%；其二，某变压器发生故障或电源中断供电时，另一装置的容量不少于总负荷的60%，同时需完全承担一、二级负荷的供电，以保证供电的稳定性。

6）低压配电系统主接线。 低压配电系统实行单母线分段运行机制，正常状态下均采取分列运行的方式，遇特殊情况时运行状态随即调整，以一台变压器存在故障为例，在该变配电所中的另一台变压器完全承担一、二级负荷的用电。 根据低压侧两台总断路器和母联断路器的运行特性，为两者设计机械、电气联锁。

7）功率因数补偿。 硬件设计方面，采用免维护移相式静电电容动态补偿装置，将其规划在变配电所低压侧，采取混合补偿的工作模式。 补偿后，变压器中压侧功率因数不低于0.95，为使补偿有效，分相补偿容量不低于总补偿量的40%。

3.5 低压配电设计

1）重要负荷采用放射式配电方式，在本项目中包含消防控制中心、 防火分区或人防防护单元的电力及照明、 主要客梯、车库机械停车设备等。 在该配电设计方式下，在末端配电箱处可实现两回路的自动切换。

2）大容量负荷分组采用放射式配电，主要包含空调机组、景观照明、生活泵等。

3）消防负荷采用双回路放射-树干式配电，主要包含防排烟风机、火灾应急照明等，类似于放射式配电设计方式的是，依然可在末端配电箱进行两回路的切换。

4）建筑平面分布不规则，具有较大的高度，在特殊的建筑空间形式下，配电的电缆敷设及设备安装难度高。 为尽可能创设有利于配电设施安装的作业条件， 提出如下方案：A、B 塔楼，设计办公、酒店、公寓的电气竖井；裙楼商业和地下室设电气竖井，由其贯通上下各层，其他防火分区则根据电力设施安装要求配置针对性的配电小间。 考虑到操作和维护的便捷性要求，在条件允许的前提下，尽可能在临近负荷中心的部位规划电气竖井。

4 照明设计

4.1 正常照明、景观照明

公寓、商业、写字楼等区域，主体电气设计仅预留电源至配电箱，在二次装潢时配合，最终形成完善的照明设施。 照明设计中，以GB 50034—2013《建筑照明设计标准》为基准，结合本高层建筑的实际建设条件和使用条件，确定照度标准，匹配合适类型的光源灯具和附属装置。 景观照明方面，以突显城市地标建筑的标志性为重要设计思路，结合城市街区照明、橱窗照明等做整体设计。

4.2 消防应急照明、疏散指示系统设计

1）配电系统。 配电箱规划在1 层或中间避难层电气竖井内，楼梯间按区域划分情况做相应的配电箱设计，以满足消防应急照明的用电需求。 疏散照明由特定的分支回路配电。

2）正常照明控制。 （1）A 塔楼，高档办公区实行智能化控制策略，配置日光探测器，以自动化的方式调节照度，满足正常照明和节能环保两项要求；普通行政办公、设备用房，就地控制；商场、酒店大堂、餐厅等，为总线制智能照明控制。 为保证管理的可靠性同时提高管理效率， 在各场所设置就地控制的组群，开发调光功能，根据场景的不同执行针对性的控制措施。 （2）B 塔楼，公共场所照明为就地及多地点相对集中控制，主要考虑的是门厅、楼梯间、电梯厅等功能区。

5 防雷设计

根据本项目的功能定位以及对市场的预测， 建成后建筑内的人员密集，安全防护要求高。 在防雷设计中，按一级防雷标准开展设计工作，实现对人员人身安全的全面防护。 防雷措施包含防雷电感应、防雷击电磁脉冲、等电位联结等，构筑完善的防雷体系。 防雷引下线采用的是建筑物外围四周结构柱的钢筋，平均间距不超过12 m。

6 超高层建筑电气节能设计

6.1 节能设备

主要光源采用的是具有良好节能特性的紧凑型荧光灯、T5 系列荧光灯等， 适配节能型电感镇流器或电子镇流器，结合电容补偿技术，进一步提高设备的节能水平，例如，以合理的设计方法将气体放电灯功率因数提至0.9 以上。

6.2 电气系统节能

1）优化设计变配电所及各区的配电竖井，条件允许时尽可能临近负荷中心；选择截面规格合适的配电电缆[3]，目的在于尽可能减少线缆损耗；对变电所低压侧做集中无功补偿；配置具有低损耗特性的环保型变压器。

2）项目超高层建筑的电子设备丰富，例如，办公、商业等功能区均有大量的计算机， 此类设备也是节能设计中的重点考虑对象，原因在于随着该类非线性负荷的使用，中性线奇次谐波含量增加， 此时可能出现中性线电流与相线电流基本相当的情况，严重时甚至更高，其带来的不良影响是发热剧烈致使绝缘破坏，且运行时的能耗增加。 为应对该问题，采取谐波抑制和治理措施，具体方法为：配置消谐型电容补偿装置；控制变压器的负载率，将其稳定在70%～80%；合理选择中性线，以较大截面为宜。

7 结语

综上所述，在超高层建筑的电气设计中，设计人员需要具有统筹兼顾的理念， 综合考虑超高层建筑工程要求、 行业规范、当地政策等，根据安全、质量可靠、经济高效、环保的原则做好电气设计工作。 考虑到高层建筑电气设施类型丰富、复杂性较高的情况， 设计人员需要注重对设计方案的分析以及优化，改进不合理之处，最终制定一套科学可行的超高层建筑电气设计方案，为后续电气专业相关工作的开展打好基础。