【IBE】项目实例|某超高层建筑供配电设计
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【IBE】项目实例|某超高层建筑供配电设计
【活动通知】6月8日 长春：《建筑电气设计疑难点解析及强制性条文》培训（结业发中勘协继续教育学时证书）：将于日在吉林省长春市长白山宾馆龙凤厅举办，特邀图书主编欧阳东、郭晓岩、孟焕平对全书内容进行详细讲解。了解培训详情及报名请点击。通过工程实例，对超高层建筑的供配电系统进行简要介绍，并对避难层的配电设计提出合理化见解；通过对比国内外标准，详细分析消防设备的配电方案；最后对工程中主要采取的节能及谐波治理措施进行介绍。0&引言随着我国建筑业不断发展,城市发展水平不断提高，超高层建筑正成为一个城市发展水平的体现，甚至是一个城市的标志性建筑。然而，超高层建筑就像一条竖立起来的街道，存在着安全、交通、环境及能源消耗等多种难以妥善解决的问题，越是向高处发展，安全性、耐久性及适用舒适等问题就愈多，对各个专业的要求就越高。本文通过工程实例对超高层建筑的供配电系统进行简要的介绍。1&工程概况该项目地上32层，地下1层，建筑高度124.2m,分为S1、S2双塔，地上总建筑面积131 260.26m2，地下总建筑面积24 885.58m2。建筑地下1层为车库，地上1~4层为大型商业裙房，5层及19层为人员避难层，其余层为办公用房。2 负荷分级及供电电源本工程内的火灾自动报警系统、消防泵、喷淋泵、消防电梯、防排烟设备、火灾应急照明及航空障碍灯等消防负荷按一级负荷要求供电；商场内营业厅备用照明、弱电机房、生活水泵、客梯电力、排污泵、安防系统及主要通道照明等设备按一级负荷要求供电；商场经营管理用计算机系统用电为一级负荷中特别重要负荷，商场的营业厅照明及空调为二级负荷，其他为三级负荷。经计算，本工程总用电容量为8 986kVA，共设6台1 250kVA及4台1 000kVA变压器，从城市高压电网引入2路10kV电源（双重电源），当一路电源发生故障时，另一路电源不应同时受到损坏，2路电源互为备用，均可以负载全部的一、二级负荷。本工程中的商场经营管理用计算机系统用电为一级负荷中特别重要负荷，此类负荷对供电连续性要求较高，容量较小，因此采用UPS不间断电源作为应急电源。3&高压配电据当地供电部门提供的资料显示，该项目所在区域的10kV城市电网采用两个不同区域变电站（110kV区域变电站）出线形成的双环网，经与供电部门及当地行业内专家论证后，最终确定从10kV双环网中的两个环网柜（分别位于两不同环网中）分别引入1路10kV电源。该工程地下10kV开闭所内高压侧选用单母线分段中间设置联络开关的接线方式，两路电源互为备用，当一路电源故障时，分段断路器自动投入，高压主进开关与联络开关之间设电气联锁，任何情况下只能闭合其中的两个开关。4&变配电所及竖井选址变配电所是整栋建筑电力系统的心脏，其位置是否合理关乎整个配电系统的合理性及可靠性，其位置应深入负荷中心，以缩短低压供电半径，降低电能损耗，节约有色金属，减少电压损失，提高供电质量；低压线路的供电半径应根据具体供电条件，干线一般不超过200m，否则应考虑增设变配电所。本工程总建筑高度为124.2m，高度远未达到200m，考虑到设备的运输、装卸及搬运，宜在地下层设置高压变配电室。本工程变压器台数较多，若将变压器集中设在一处，则变配电所的位置需设在两栋塔楼中间（图1），此种方案中高压变配电室内的设备太多，发热量及噪声较大，桥架管线太集中，供电半径较大，存在诸多不合理之处。图1& 高压变配电室位置一为此，在地下一层设置2处高压变配电室（图2），每处变配电室内设5台变压器，变配电室分别设置于S1、S2塔楼下，有效地缩短了供电半径，同时便于管线敷设。图2& 高压变配电室位置二竖井宜按防火分区布置并深入负荷中心，该工程S1、S2塔楼分别在核心筒区域设置竖井，商业裙房按防火分区及供电半径设置竖井，各竖井的配电半径不超过50m。5 低压供电系统低压配电系统应满足较高的供电可靠性和供电质量，系统接线应简单、操作安全、方便维修并具有一定的灵活性。1）为了确保供电可靠性及灵活性，保证当供电系统内部设备发生故障检修时，影响范围不致过大，重要的负荷不受到影响，本工程中低压侧采用单母线分段中间设联络开关的运行方式。2）考虑空调负荷为季节性负荷，将其单独设置变压器；同时考虑该工程中1~4层为商业用房，其他为办公用房，为将来物业管理的方便性，商业用电与办公用电分别单独设置变压器。3）普通照明、应急照明、普通电力、空调电力、消防电力分别自成配电系统；供电干线按防火分区、功能分区、竖向或水平分区划分供电区域。对于单台容量较大和较重要的用电负荷（如电梯、水泵等）从低压柜放射式配电；对于照明及空调负荷采用树干式配电。4）对于办公层照明及空调负荷，由于采用树干式配电且层数较多、容量较大，因此采用密集型母线槽配电；此种配电方式可以减少电缆的使用量，但事故时影响范围较大，为减少事故范围同时方便施工，母线槽容量不易过大，本工程中采用奇偶层交错的方式配电，每根母线槽配电层数控制在10层左右，容量控制在1 600A以下。5）一级消防负荷及一级非消防负荷采用双电源末端自动切换供电；二级负荷采用专线配电，备用电源由母联开关提供。6&避难层超高层建筑中的避难层是为人员暂时躲避火灾及其烟气危害所设的楼层。在发生火灾时，要保证避难层内的用电设备可靠地工作且不受其他层用电设备影响，因此避难层内的应急照明、消防风机等设备应从低压柜采用单独的专线配电，如图3所示。图3& 避难层低压配电干线图7 消防与非消防负荷的设计建筑的低压配电系统主接线方案应遵循安全、可靠、合理的原则，以保证当切断生产、生活电源时，消防电源不受影响。目前国内主要有两种设计方案：不分组方案和分组方案。对于不分组方案，常见消防负荷采用专用母线段，消防负荷与非消防负荷共用同一进线断路器或消防负荷与非消防负荷共用同一进线断路器和同一低压母线段。对于分组设计方案，消防供电电源是从建筑的变电站低压侧封闭母线处将消防电源分出，形成各自独立的系统。对于消防负荷与非消防负荷是否需要分组，国内外标准均未做具体规定，从国际电工委员会标准（IEC 中560.6.5条）可知，消防设备的供电也可以采用不分组设计方案：560.6.5. Separate, independent feeders from a supply network shall not serve aselectrical sources for safety services unless assurance can be obtained thatthe two supplies are unlikely to fail concurrently。年笔者参与设计了毛里求斯西乌萨格拉姆国际机场（Sir Seewoosagur Ramgoolam International Airport）项目，该项目采用英国标准设计，其中消防设备的供电即采用不分组的设计方案，见图4。图4& 毛里求斯国际机场项目低压配电方案8 节能电能是社会可持续发展的重要因素，加强建筑电气供配电系统的节能设计有着长远的意义。建筑电气供配电系统中会产生电能损耗的主要因素有供配电线路、变压器、照明设备及用能管理不科学等，若不采取行之有效的节能措施，会造成极大的电能浪费。针对以上几种产生电能损耗的因素，本工程采取以下节能措施。1）采用10kV电压等级供电，合理选择变配电所位置，使其靠近负荷中心，同时选择合理的配电路径，使线路尽可能缩短，降低线路损耗。2）变压器的负载率在50%~60%时，其有功功率损耗最低，但负载率太低会造成变压器的初装台数增多，初始投资增大，短时间内难以通过节能来收回投资费用。本项目中使用低损耗节能型干式变压器，有效降低变压器的空载损耗，同时在设计时将变压器的负载率控制在70%~85%，使其接近经济运行方式，不仅节能且降低初始投资。3）本工程中空调负荷为季节性负荷，且容量较大，因此单独设置空调专用变压器，在春、秋季空调不需运行时可以停用，以利于节能。4）在变压器低压侧采用静止无功发生器进行自动无功功率补偿，提高配电系统的功率因数，降低线路损耗，减少变压器的铜损及电压损失，提高发配电设备的供电能力。5）电机采取节能控制方式，如生活水泵采用变频控制、电梯采用智能控制、排污泵采用液位传感器控制、排风机采用定时及温度控制。6）设置能耗监测系统，实时记录建筑物用能状况，自动进行能耗数据处理，完成建筑能耗结构、建筑用能效率以及建筑节能潜力数据分析，及时发现、纠正用能浪费现象。除以上节能措施外，本工程还采用效率高、能耗低、性能先进、耐用可靠、由绿色环保材料制成的电气装置。9 谐波治理1）谐波源用户向公用电网注入谐波电流的电气设备或在公用电网中产生谐波电压的电气设备，统称谐波源[5]。民用建筑中常见的谐波源主要有换流设备（整流器、逆变器、变频装置）、铁芯设备、照明设备及空调等非线性电气设备。2）谐波危害电网中的谐波会降低电动机的效率，增加发热量，缩短其使用寿命；过大的谐波电流会使变压器产生附加损耗，从而引起过热，使绝缘介质老化加速；电网中的谐波电流还会引起并联电容器过载发热甚至导致谐波、谐振等，高次谐波含量较高的电流能降低断路器的开断能力，除此之外，谐波还对电子设备、继电保护、通信线路产生不同程度的影响。3）抑制谐波技术措施减小谐波影响的措施有很多，本工程中采取抑制谐波的主要措施有：（1）采用接线组别为D,yn11的变压器，有效抑制配电系统中的3n次谐波电流。（2）在变压器低压侧设置有源电力滤波器，可以有效滤除电网中的谐波，同时实现节能、降耗。（3）采用静止无功发生器，提高功率因数，克服三相不平衡、消除电压闪变和电压波动，抑制谐波污染。（4）设计时对各个配电箱进行整体负荷分配，以保持三相负荷平衡，可有效地减少3次谐波的产生，有利于设备的正常用电，减小损耗。10 结束语本文结合具体的工程实例，详细地介绍了超高层建筑供配电系统的设计以及项目中采取的一些节能及谐波治理措施，并通过国内外标准及工程实例对比，详细阐述了消防负荷与非消防负荷是否分组的现状及各自的利弊。超高层建筑电气设计的内容较多，如照明设备、电缆的选择等，限于篇幅，本文不再论述。文章载于《智能建筑电气技术》杂志2015年第6期，《某超高层建筑供配电设计》，文章版权归《智能建筑电气技术》杂志所有，转载请注明出处。==================【活动通知】6月8日 长春：《建筑电气设计疑难点解析及强制性条文》培训（结业发中勘协继续教育学时证书）：将于日在吉林省长春市长白山宾馆龙凤厅举办，特邀图书主编欧阳东、郭晓岩、孟焕平对全书内容进行详细讲解。了解培训详情及报名请点击。==================《智能建筑电气技术》微信历史检索
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超高层变配电室位置选址分析
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论超高层建筑供配电系统设计
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&朱甫泉& 朱永强（新疆建筑设计研究院，乌鲁木齐市 830002）&&& 摘 要：对超高层建筑供、配电系统的合理构架、设计方案、配变电所位置选择、负荷计算及配电布线系统做较深入的研究和较详尽的论述。&&&& 关键词：超高层建筑& 供配电系统设计 中压20kV& 电压损失& 干式变压器& 负荷计算& 参差分布系数&&& 1. 超高层建筑供电电源及电压的选择&&& 超高层建筑是指高度超过100m的建筑物，根据现代超高层建筑的特点，建筑物对供电电源的依赖性更加突出。为保证超高层建筑的供电可靠性，电源数量应视用电负荷的重要性和大小以及当地电网供电条件而定，但至少应具备两回独立的市电电源供给，最好来自两个发电厂或两个降压站。即使一回电源因故停电，也可由另一回电源保证二级（及以上）负荷的供电。此外，在超高层建筑中还应装设具有巡检功能的自启动应急发电机组和UPS（或EPS）不间断电源装置，以保证消防设备以及特别重要负荷的应急用电。&&& 目前国内大中型城市市电供电电压标准大多为中压10kV，对于已经纳入国际IEC和GB标准电压等级的20kV配电网的启用是我国电网节能改造的一项重要举措。经中国电机工程学会城市供电专业委员会对中压配电网的论证，分别对110/10kV、110/20kV和110/35/10kV配电网方案进行技术经济比较后得出结论：采用20kV中压配电网的建设投资分别比采用110/10kV节约15.7%，110/35/10kV节约27.2%，年运行费用则分别节约16.39%和27.48%。&&& 20kV电压等级相对于10kV电压等级的优越性有：&&& a．增加了供电能力在同样的供电半径条件下，使用相同截面的导体，采用20kV配电比10kV配电增加输送功率约1倍；在相同的负荷密度下，20kV的供电半径是10kV供电半径的1.26倍左右，供电面积是10kV的1.6倍左右；对于取消了35kV电压等级的大中城市的高层建筑而言，动辄上万千瓦的用电需求只能采用多条10kV进线，显然既不经济又不合理。&&& b．保证电压质量相同条件下，20kV线路的电压损失和功率损耗都低于10kV线路；如考虑到电网的专供能力，那么线路的安全负载率应当控制在50%以内，此时线路的电压损失和功率损耗如表1：1&& 20kV10kV50%&&& 可知采用20kV电压等级线路电压损失略低于10kV线路，而20kV线路的功率损耗比10kV低0.065%。&&& c．可降低电网的电能损耗全国电网的线损率(线路电能损耗占输送容量的百分比)最近几年呈上升趋势，据有关部门研究分析，线损升高主要是10kV及以下配电网线损的增加。据统计我国中压配电网年损耗达180亿kWh，如将中压配电网电压由10kV升为20kV，在输送同样功率条件下，线路电流可减少50％，则线路电能损耗可降低75％。 &&& d．变压器损耗比较 &&& 假定110kV配变电站采用3台主变压器，每台负载不超过其容量的80%，如其中1台变压器因故障或正常维护需要停止工作，则另外2台变压器应可短时过载带120%负荷运行，保证负荷不停电，其负载功率损耗如表2、表3。2 110kV/10.5kV110kV/21kV380%&&& e．节省电网的建设费用&& 自20世纪90年代以来，城镇电力负荷增长很快，市区负荷密度大幅度增加，一些城镇的市区繁华地区最大负荷密度已达30～50MW/km2，一些城镇在进行电网建设与改造规划中，预计城镇中心地区负荷密度到2010年可达40～50MW/km2，为满足城镇的用电需求，必然要修建更多的降压变电所。例如，在市区建一座110/10kV配电用变电所，设变压器31.5MVA×3，总量为94.5MVA，正常负载率按65％计，为保证供电可靠性，还需要满足“N－1”准则(即在变电所内任何设备在停运一台的情况下，不影响正常供电)，变电所可供容量为63MVA，负荷功率因数按0.85计，可带负荷53.6MW。如地区负荷密度为30MW/km2可供面积为1.78km2，供电半径为0.75km；如地区负荷密度为50MW/km2，则可供面积1.1km2，供电半径为0.59km。如将变电所的变压器增至50MVA×3时，可带负荷85MW，如地区负荷密度为30MW/km2时，供电面积也只有2.83km2，供电半径0.95km；如地区负荷密度为50MW/km2时，供电面积只有1.7km2，供电半径只有0.74km。也就是说，当地区负荷密度增至30～50MW/km2时，每隔1～2km就要修一座110/10kV配电变电所。而建设110/20kV(220/20kV)变电所可选用63MVA变压器3台或80MVA变压器3台。当地区负荷密度达到30～50MW/km2时，供电面积可达2.7～4.5km2，供电半径可达0.93～1.2 km，可大大减少变电所的分布密度，从而减少了建设投资。&&& 从经济效益分析结果来看：&& &a．电网总的建设费用在地区负荷密度为5MW/km2时，采用10kV电压等级与采用20kV电压等级的配电网，其总建设费用相差不大，当负荷密度逐渐加大时，两者的建设费用相应加大，当负荷密度增至50MW/km2，总建设费用相差达20％。&& &b．年运行费的计算结果与建设费用的情况相似。当负荷密度为50MW/km2时，电网年运行费用采用20kV电压等级比采用10kV电压等级要低20％，负荷密度到达50MW/km2以上时，采用20kV电压等级的优越性更明显。&&& c．通过经济效益分析计算，对不同电压等级的降压方式进行比较，可知大、中城镇配电网以110/20kV(220/20kV)方案较好。通过国内已经运行的20kV电压等级的配电网经验来看，应当注意的问题有以下几点：&& &a．我国尚无20kV电压等级配电网设备的具体相关标准，现在使用中的产品多来自外资厂家或中外合资厂家，这些电气设备和配电装置的技术条件、绝缘配合、测试标准等均为国外产品标准，需要尽快完善。&& &b．国家还没有对20kV的电价做出规定，因此收费有不合理处，给电力系统的经济收入带来一定的影响，不利于20kV电压等级配电网的发展。&& &c．20kV电压等级配电网的线路敷设还没有完整的设计标准和施工工艺，特别是架空线路缺乏足够经验，也是亟待解决的问题。&&& d．全电缆配合环网室的配电接线方式，如果不安装故障自动定位装置，一旦发生电缆故障，对故障点的查找难度相对较大，抢修恢复时间也会比较长。&& &e．20kV电压等级中压配电网的应用还存在一些问题，在推广20kV电压等级配电网的过程中，无论是新建还是在10kV配电网基础上改造，一些基础性的技术问题不容忽视，应认真对待：①中性点运行方式：由于电力电缆网的建设和绝缘导线的应用，中压配电网的中性点运行方式已逐步趋向于中性点直接接地或经小电阻接地，确定中性点运行方式也就是确定了中压配电网保护的方案。②配电变压器的结线方式：在20kV电压等级的中压配电网，其变压器联结组方式应确定为20/0.4kV－Δ/Y即D，yn11。对于已被国家电网公司企业标准Q/GDW 156-2006《城市电力网规划设计导则》规定为高压供电级别的35kV等级，笔者认为应尽快淘汰，更不应引入超高层建筑中。&&& 2 超高层建筑供电设计应遵从的基本原则 我国低压配电电压为交流220/380V，超高层建筑内用电量大，在建筑内设置配变电所，其接地制式为TN-S系统，即可取得三相380V动力和单相220V照明、插座设备的配电电压，基本满足超高层建筑的三相和单相负荷电力供应。&&& 2.1供电可靠性为保证供电的可靠性，应根据超高层建筑内各类用电负荷的性质和大小、外部市电电源情况，以及超高层建筑的负荷与供电电源距离等确定中压独立电源的回路数。10kV中压电网比较合理的配电负荷为3000kVA,输送距离为10km，超高层建筑物的供电负荷大，电气设备种类多，就应该对用电负荷进行分析，合理地划分级别（参照有关现行规范）。由于城市电网负荷迅猛增长，一回中压终端配电往往达到6000 kVA甚至更多，合理地选择供电电压等级、按负荷使用性质判断供电要求，根据火灾的危险性和扑救难易度、人员疏散等因素划分负荷等级（一级负荷中特别重要负荷、一级负荷、二级负荷及三级负荷），以便合理地设计供配电系统，不致造成不必要浪费、增加投资，这就显得尤为重要。&&& 超高层建筑除了应具有可靠独立的外电网电源外，还应配备柴油发电机组作为应急电源，其容量应能保证一级负荷中特别重要负荷（实时控制的计算机网络系统等）、一级负荷（消防电梯、消防设施和应急照明装置等）的用电。应急发电机组容量的选择应按占变压器总容量10%~20%计（实际设计中一般取16%），在超高层建筑中（特别是具有营业性大厅）的柴油发电机组容量按变压器总容量20%~30%选用较为常见。在选择应急发电机组时，应选用输出特性曲线较硬的机组，同时应具备巡检自启动和自投入智能型装置，一旦低压侧主母线失压，在15s内能够自启动并投入使用。超高层建筑供电进线方式宜为两回独立电源同时供电、互为备用（热备），而不应采用一工作一备用（冷备）的供电方案，由此确定中压配电系统应采用单母线分段运行而不推荐采用单母线不分段运行方式。对负荷容量较小的超高层建筑，在基本满足城市10kV电网的输送容量和距离要求的前提下，一工作一备用的供电方案也是可取的。&&& 2.2减少电能损耗&&&&超高层建筑的配电电压与城市电网电压是一致的，当前我国大中城市中压配电的标准电压为10kV，6kV标准只在一些工矿企业才被采用，而35kV是高压标准电压，不属于配电电压范围。目前，作为新中压标准的20kV配电网，在国外和我国部分城市得以应用，其配套产品如电缆、变压器、中压柜、设备元器件和附件等均已正式投产并经3C和ISO9000认证，很多国产的20kV中压产品不仅在国内部分城市配电网成功采用，还远销西欧及东南亚各国。由于采用的电气产品均属无油化、不燃化、环保型配电设备，配变电站可深入负荷中心，不但减少中压配电线路的电能损耗，也符合节能减排的国策。&&& 2.3主接线应力求可靠简单灵活&&& 中压配电系统接线方式应简捷、便于维护管理，且能适应负荷的变化，并考虑近期五年、远期十五年的发展余地，在保证供电安全的前提下，节约投资、降低运行费用，减少有色金属的消耗。在实际设计和应用中，一种主接线方式是将动力和照明负荷分别由各自的变压器供电，另一种是动力、照明负荷由同一台变压器混合供电。混合式供电方案当负荷降低时可适当减少变压器运行台数，节约电能；当一台变压器发生故障时，该变压器低压所带的负荷可由另一台变压器供给，保证了重要负荷的供电。从变压器运行和维护方便来说，动力、照明分别由各自的专用变压器供电方式较好，特别是对用电负荷较大的三级负荷，如空调设备应单独设置变压器较宜。&&& 3超高层建筑常用的四种中压供电方案（如图1所示）。&&& 方案（a）为两回10（20）kV中压电源同时工作、互为备用（热备）、单母线分段，当其中一回电源故障时被切断，由母线联络开关自动或手动对事故回路供电。由于每一回10 kV中压电源输送功率3000kVA，其容量技术经济指标是合理的，如采用环网供电网络则输送容量高达6000kVA。此方案在两台变压器容量各负担49%负荷时，即变压器铜损P铜损=P铁损时，其变压器可获得最经济运行。在超高层建筑中选用两回10 kV电源同时供电是目前较佳的方案，如城市已建成的20 kV电网，供电采用两回20 kV供电，那么输配电线路长度更长，配电容量也更大。国内超高层建筑常用的主接线采用（a）方案的较多，两回10 kV独立电源为单母线分段互为备用的主接线方式，因供电线路来自不同的发电厂或不同的上级降压站，如果供电线路和变压器均按100%备用，其供电可靠性是较高的，从节约电能观点出发，由于正常运行时线路和变压器铜耗和铁耗均较低，也是有利条件，但需增加一些基建初投资。另外，一些用电大户可直接由发电厂直供或自建发电厂，除了本单位用电外，还可以向公共电网输送多余的电力，电价也可适当降低，从这点来说，两回独立电源互为备用的主接线方案从技术经济比较上是非常有利的。&&& 方案（b）为两回中压电源正常运行时一工作一备用（冷备），当正常工作电源发生停电故障时，另一回备用电源自动投入，这种供电方案在一些电力供应不充足和电网质量还较差的地区会被采用，一般来说如果超高层建筑面积不太大，用电负荷容量前期尚可满足情况也是可行的。此方案运行时，线路和变压器基本处于满负荷状态下，尽管初期建设投资费用较低，然而线损和变压器功率损耗都较大，加上此方案的线路和变压器均处于冷备状态，不利于监视和维护工作，关键时刻有可能会起不到备用电源的作用，供电可靠性较差。随着城市电网的建设和发展，只需将系统稍加修改，便可将一工作一备用电源改造成两回电源互为备用。10 kV城市电网每一回线路一般不超过七个断开点，一工作一备用方案在配变电所设计时应事先考虑发展用地，预留两到三台中、低柜的位置。&&& 方案（c）为三回电源正常为两用一备（冷备），当任一工作电源故障断电时，备用电源开关向故障回路供电。&&& 方案（d）为三回电源供电：电源I、电源Ⅲ和电源Ⅱ、电源Ⅲ通过母线联络开关互为备用。&&& 超高层建筑以上四种开关站供电方案的配出线均为放射式供电方式。到目前为止超高层建筑（250m及以上），包括世界第一高楼的哈里法塔（迪拜塔）也只有828m，未达到1500m的高度，因此位于中间设备层设置的配变电所可不再设直中压开关柜，超高层建筑内根据负荷大、较集中的中间设备层设置的配变电所（变压器室），因为线路在1500m之内，很难满足继电保护装置可靠性、选择性、灵敏性和速动性的指标要求，对于800kVA及以下的变压器可设置隔离开关，1250kVA变压器可设置负荷开关，也可利用环网柜作为中压终端柜，操作维护方便、重量轻、便于运输安装，还可降低配变电室的高度，减少占地面积。&&& 超高层建筑对供电依赖性更高，因此对供配电可靠性也就要求更高，除两回独立的市电互为备用外，应设置柴油发电机作为第三电源，在一些重要部位和设备用电处还应采用不间断配电装置（UPS）作为第四电源，以保证一级负荷中特别重要负荷的可靠供电。电力专用操作电源是各种配变电站和智能预装式配变电站中、低压系统操作、控制等负荷用电的独立式电源，可确保各类保护、控制和操作不受电压影响而正常运行。电力专用操作电源一般为交直流两用，超高层建筑中操作保护的电源优先推荐直流220V，由电力专用操作电源的直流合闸电源装置供给。电力专用操作电源充电的交流220V电源由低压配电柜的主进线和备用主进线柜引来。&&& 4.负荷计算&&& 超高层建筑施工图设计阶段也应采用需要系数法进行负荷计算，作为选择电气设备、电工材料和无功功率补偿的基础依据。负荷计算的准确与否直接关系到电气设备、主开关、应急电源以及缆线的选择合理性。&&& 需要系数法中的需要系数是建国初期引自原苏联的资料，在我国已沿用了近60年，少有人调研和修正过。原国家各部委所列用电设备组的需要系数表也不尽相同，而一些设计资料的需要系数表格也明确标注“供参考数值偏大”。计算负荷的准确程度，直接影响超高层建筑配变电设计的质量和水平，如计算数据过大，会增加配变电设备的容量，浪费有色金属和黑色金属，增加开关设备、母线、电缆和导线的投资；计算负荷过低又会使配电元器件过热，加速绝缘老化和损坏，也增加电能损耗，影响供配电系统的正常运行，为超高层建筑的扩容带来困难。笔者根据设计、实践和调研发现，需要系数负荷计算确是存在着偏大的案例：&&& a.某超高层金融大厦，经需要系数法负荷计算选用了6台1000kVA铜芯环氧树脂全浇铸干式变压器，附带风冷和温度控制器，防护罩IP2X。两回10kV中压供电，单母线分段互为备用，自1997年运行以来，只投入了4台变压器运行，其它2台一直处在停运状态，投入运行的变压器在每年最大平均负荷下运行温升远在额定温升之下。近期，该金融大厦在国家节能减排的号召下，将40W荧光灯全部改用光效更高的T5 28W细管荧光灯配电子镇流器，估计照明用变压器的稳定工作运行点会下降不少。&&& b.某3000座会堂（含空调），1984年设计当年竣工投入运行。该会堂由两回10kV中压电源供电，单母线分段互为备用，经负荷计算选择了2台630kVA铝芯环氧树脂全浇铸干式变压器，配变电站设在地下室，变压器室设机械通风冷却，自1984年投入至今运行良好，尽管以后增加了不少商铺和博览会临时用电。&&& c .某业务楼（1985年建成）地上17层、地下2层，两回10kV中压供电一工作一备用，经计算选用2台400kVA铜芯环氧树脂全浇注干式变压器，配变电所设在地下室半层靠外墙处，变压器室自然通风，变压器运行方式为一工作一冷备。自2004年以来，业务楼所在小区，新建了2栋18层高层住宅、多栋多层住宅、地下车库、食堂，并且业务楼本身也进行了办公自动化业务改造和加装空调系统，由于这些后加的用电负荷，随将一台冷备的变压器投入运行，并改造了中低压配变电系统，改造后采用了2台630kVA变压器也是一台工作一台冷备，变压器运行温度也在额定温度之下。&&& 案例还很多，民用建筑需要系数法负荷计算远不如工厂供电负荷计算研究的透彻，很多系数出自“拿来主意”一般照抄，并没有通过实测。&&& 通过影响负荷的众多因素，归并成一个小于1的系数称之为需要系数Kx。而计算负荷称之为30min平均最大负荷，这显然是不符合实际值。应当指出，以30min平均最大负荷作为计算负荷，是造成目前缆线、母线选型和变压器容量选择过大的主要原因之一，因为30min是从较小截面的允许发热量为前提下规定的，下表列出不同截面导线的发热时间常数，从表看出，如果按照Pjs（P30）所得的电流为允许载流量，按照发热条件选择导线截面，从表4中可看出50mm2及以上的导线永远也达不到导线的额定温升，导线达到额定稳定温升需经过3~5τ的时间，τ为发热时间常数。4& &&& 在超高层建筑中，负荷计算可引入同时系数KΣ，用以反映开关站（附带主变）同一电源点供电的各个下级配变电站和各主干回路间出现最大负荷的不同时性和用电参差程度，分为有功负荷同时系数KΣp和无功负荷同时系数KΣQ。配变电站低压主母线取值：KΣp=0.8~0.9，KΣQ=0.93~0.97。&&& 还应引入参差分布系数kcf，用以反映开关站（带主变）和低压主母线上向各个下级配变电站或回路间最大负荷的不同时性和用电参数不同分布的系数。kcf一般取0.8~0.9。&&& 5.配变电站位置的选择&&& 超高层建筑楼层建筑高度100m及以上，用电负荷量大，用电设备相对分散。中压10~20kV供电线路电压损失可忽略不计，但对低压AC 220/380V的配电柜主母排配电干线、分支干线和分支线最末一个用电设备的电压损失总和不应超过规范允许值，因此超高层建筑配电室位置的确定十分重要。在超高层建筑中应根据不同性质用电负荷分布密度，尽量将10~20kV配变电站设置在负荷中心，同时兼顾运输方便，避开有剧烈震动、高温、潮湿、多尘或有爆炸和火灾危险等的场，站内的中、低压电器、电线电缆以及密集型母线等均应实现无油、不燃化，由于超高层建筑每平方米造价较贵，故优先推荐组合式配变电站，变压器金属防护罩防护等级为IP3x或IP4x，可使变压器与中、低压配电柜无间隙排列，节约用地。&&& 一般可设置配变电站的几个部位：&&& a.将大容量主变设在多层地下室的首层，不应设在最低层，不推荐设在裙房内。&&& b.在地下室、中间层和顶层分别设置开闭所（可附带主变），以及中间层和顶层设置配变电站。配变电站位置的选择除应考虑经济技术、设备参数和施工方便等因素外，还应考虑到管理和经营等多种因素。在超高层建筑内，应选用体积小、重量轻、安装维护方便、没有爆炸和火灾危险的干式变压器。开启式干式变压器适用于洁净、较干燥的室内环境（环境温度+20℃时，相对湿度不超过85%），可安装于地上建筑，不宜安装于地下室。环氧树脂或其它树脂浇注成的变压器产品具有体积小、结构简单、可靠性高、绝缘性好等特点，不仅可设置地上建筑内，也可设在地下室湿潮和灰尘较多场所。在选择变压器容量时，其单台容量不宜超过1600kV。&&& 例如：90年代中期，某市繁华路段新建两幢金融大厦均为40多层，建筑高度超过150m，属于超高层建筑，其配电负荷等级有一级负荷及一级负荷中特别重要负荷、二级、三级负荷等，两回10kV电源分别来自不同的上级开闭所，还具备柴油发电机和UPS作为不间断配电设施。项目的城市规划不允许此建筑物再设置独立的10kV配变电站，而两幢金融大厦的地下一、二层分别是设备层、金库及辅助用房，没有足够空间建立配变电站，后经技术、经济等多方面比较研究，经当地供电部门的批准，最终将10kV配变电站分别设在了主体建筑的五层和六层（裙房的顶层位置）。配变电站内的全浇注环氧树脂干式变压器、断路器、电容器、电力电缆等电气设备均实现了无油、不燃化，两幢建筑物已正常运行十余年，反映良好。&&& 按现行设计规范要求，在满足技术参数条件下，配变电站应尽量靠近负荷中心，高层和超高层建筑的楼层多，但用电负荷多集中在地下室、技术（转换）层和顶层（电梯机房及各类风机、泵）等，因此10（20）kV中压配变电所深入建筑物负荷中心对满足配电线路电压损失等要求极为有利，同时也对提高配电质量、降低线路电能损耗、节约有色金属、降低投资等有着重要的作用。&&& 6. 配变电站的布置要求&&& a.在满足最小尺寸的前提下，布置应紧凑合理，便于操作、维护检修。&&& b.中压柜、低压柜和电力变压器可在同一配变电站安装，也可将中压柜、低压柜分开布置。&&& c.中压柜应设在电源侧便于进出线，低压柜应靠近变压器。&&& d.中低压柜应预留1~2开关柜备用位置。&&& e.低压电容补偿柜宜设置在低压柜两侧便于散热。&& &f.控制室、值班室及辅助用房可以合用，但应分隔互不影响，应便于运行人员的工作和管理。&&& 7. 低压配电系统设计&&& 低压配电系统是超高层建筑供配电的重要组成部分之一，主要包括配电系统、配电方式的确定，绝缘导体型号规格的选择，线路敷设部位和配电系统的保护等。在配电系统设计时，必须保证系统的可靠性、连续性和电能质量。当电力变压器配电干线发生故障时，均不应影响超高层建筑内重要设备的用电，最大限度地减小损失。一般来说，变压器负荷率为49%~50%最佳，根据国情也不得超过75%。超高层建筑重要设备的配电一般分做工作和应急两个独立的系统。两个系统的配电干线之间设有联络开关，互为备用。低压配电系统的前级应选用断路器，而动力终端保护宜选用熔断器，无论是哪种保护装置应注意级间的选择性配合。超高层建筑的低压配电系统各级均应设置防火漏电监控系统，防止接地故障引发火灾，在各层的终端配电箱插座回路均应装设防止人身电击的剩余电流动作保护器。&&& 我国电力部门推行动力和照明分别计费，两部电价法，因此低压配电系统在设计时就宜将动力和照明系统分开，便于分别计费，如果照明容量较大，还可考虑装设照明专用变压器。&&& 7.1低压配电系统的分类&&& 低压配电系统分为放射式和树干式两大类，也有二者兼用的混合式及链式结构等。放射式配电系统的供电可靠高，配电设备相对集中，检修方便，适用于容量较大、重要的用电设备，但系统灵活性稍差，有色金属耗量较多。树干式配电系统电可靠性不如放射式的性能高，干线发生故障时影响范围较大，适用于用电设备较均匀，容量不太大，又无特殊要求的场合，但有色金属耗量较少，系统的灵活性较好。链式配电可靠性较差，在超高层建筑中一般不建议采用。&&& 7.2配电干线&&& 超高层建筑中的消防电梯、消防泵及一级负荷特别重要的负荷应采用放射式系统，各楼层配电以混合式系统为宜。由于低压负荷电流大，可达数千安，因此可采用密集型母线槽作为供电载体。母线槽是刚性结构，因此在地震多发地区很少采用。新型带分接箱的矿物绝缘（MI）电缆的问世，在一定程度上可以取代密集型母线槽，JGJ16-2008《民用建筑电气设计规范》第8.9.7条：电缆在下列场所敷设时，应将电缆敷设成“S”或“Ω”形弯，其弯曲半径不应小于电缆外经的6倍，MI电缆在抗震方面的安全性远高于密集型母线槽，性价比也高于密集型母线槽，在地震烈度较高的地区建设的超高层建筑中，应推广使用。&&& 7.3低压配电系统设计时应注意的事项&&& a.应确保一级负荷和一级负荷中特别重要负荷供电的可靠性，对重要的二级负荷也应有应急或备用电源。&&& b.应将动力和照明分别配电，配电系统力求接线简单，便于维修。&&& c.由配变电站低压配电柜引出的电缆配电线路负荷应适当，负荷过小要增加配电回路和配电柜数量以及竖井和配电室面积也会增加。负荷过大会使电缆截面过大，事故时影响面也较大。&&& d.竖向垂直电缆配电时，宜按每条电力电缆干线不超过八层配电负荷为宜。&&& e.超高层建筑的低压配电系统垂直干线应在电气竖井内明敷，具体要求见《民用建筑电气设计规范》的电气竖井内布线章节。竖井内布线一般采用电缆梯架而不采用封闭线槽。参考文献：[1]《超高层建筑电气设计、安装暂行规定》新疆建筑设计研究院& 朱甫泉；[2]朱甫泉．需要系数法负荷计算存在的问题及解决办法．建筑电气，）：8-10． [3]《工业与民用配电设计手册》中国航空工业规划设计研究院；[4]《配电系统节能技术》“电力节能技术丛书”
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