超高层建筑电气设计探讨

超高层建筑电气设计探讨

张小霞

北京中外建建筑设计有限公司深圳分公司广东深圳518101

摘要：超高层建筑功能比较多，以及用电范围广等特点，具有一定的复杂性。本文根据工程案例，对超高层建筑电气的设计进行分析，供同行借鉴参考。

关键词：超高层；电气设计

一、工程概况

某超高层为办公、娱乐为一体综合建筑，总共38层，地下有2层，各设有空调机房及车库等。

二、供配电系统

(1)负荷等级、负荷计算及供电电源

①本工程为超高层综合楼，用电负荷等级划分详见表1

③供电电源

电源由供电局提供两独立回路10KV高压电源（来自两个不同发电厂或两个区域变电站，电压在35KV及35KV以上）。本工程开闭所设在地下一层，供电局提供的高压电缆先引入开闭所，再从开闭所引两路10KV电源至变配电室。变配电室10KV主接线采用单母线分段的接线方式，系统设有分段母线联络开关，两路10KV电源同时供电，互为备用，当其中一路电源因故障停电时，由另一路电源供给全部一、二级负荷。

低压主接线采用单母线分段的接线方式，两台变压器为一组，互为备用，分别设有母线联络开关，两只低压进线开关及母联开关两通一断，采用电气、机械联锁。

为保证消防等用电设备的供电可靠性，该项目中设置了柴油发电机作为工程中的第三电源，以确保消防等重要负荷的供电可靠性。

(2)供电变配电所设置

超高层建筑供电变电所的设置，应按照《民用建筑电气设计规范》（JGJ16—2008）第4.2.1；4.2.2；4.2.3条所确定的原则设置。

由于本工程的主要用电负荷如中央空调机房、水泵房等均设在地下二层，其他较大的用电负荷主要设置在一层及以上的裙楼，而且地上建筑高度为129.95ｍ，由变配电所引至屋顶用电设备的供电距离处在比较经济合理的范围内。为使变压器尽量靠近负荷中心，设计中将变配电所设在地下一层，而将柴油发电机房设在变配电机房附近。对于超200ｍ的超高层建筑，一般在建筑的上部避难层及屋顶也设置了较多的用电设备，当由单个变配电所直接供电不经济时，可考虑在上部的避难层再设置一个变配电所，以减少该部位用电设备的供电半径，但设置该变电所应考虑变压器的垂直运输通道以及设备对楼板荷重的影响，单台变压器的容量不宜超过800KVA。

（3）供电变压器选择

超高层建筑供电变压器的选择，应根据《民用建筑电气设计规范》（JGJ16—2008）第4.3.1～4.3.3条的规定选择。当单体建筑规模比较大，供电负荷较大时，有可能选择多台大容量供电变压器，多台变压器宜组成每两台成一组的组合。低压供电母线为“两进线－母联”的接线形式，平时变电所的变压器均分列运行，当其中一台变压器故障或检修时，则可以切除部分空调等非保证负荷，闭合低压母联开关，由另一台变压器负担大楼的消防、照明等重要负荷的供电。所有消防设备、重要机房均采用双回路放射供电，并按规范要求在末端设ATS自动切换装置。对于空调等季节性负荷，根据实际的设备容量，设计中将该部分负荷集中设置，在过渡季节，可以根据需要切除部分负荷，停用相应的变压器，以降低变压器损耗，达到节能的目的。

本工程上部是两座办公塔楼，一～三层为商业，四～三十四层均为办公，地下室两层均为停车库和设备用房。根据建筑物的功能要求，并结合负荷计算，在地下一层设置3个变配电室，１＃变配电室变压器总装机容量均为5700KVA，采用２台1600KVA和２台1250KVA干式节能型电力变压器，供左边塔楼办公与地下室用电；2＃变配电室变压器总装机容量均为5200ｋＶＡ，采用2台1600KVA和2台1000KVA干式节能型电力变压器，供右边塔楼办公与地下室用电；3＃变配电室变压器总装机容量为2500KVA，采用2台1250KVA干式节能型电力变压器供一～三层商业用电；整个建筑物的总装机容量为13400KVA。变压器接线组别DYn/11，10KV/0.4KV（AF），带强制风冷系统及温控温显装置，保护等级为ＩＰ40。

（4）应急柴油发电机组设置

超高层建筑有大量的一级负荷和一级负荷中特别重要的负荷，考虑设置柴油发电机组作备用电源，对一级负荷中特别重要的负荷，就地或集中增设ＵＰＳ作应急电源。备用电源宜靠近各区域配电中心相应设置。该工程设置柴油发电机组，一种情况是将其作为用以保证二路市政供电故障同时火警又发生时有关消防设备的供电。其中消防设备包括消控中心、消防水泵、消防电梯、排烟风机、正压风机、火灾自动报警、漏电火灾报警、自动气体灭火系统、防火卷帘门、应急照明、消防潜水泵等。另一种情况是将其作为用以保证二路市政供电故障而火灾时，因火灾时引燃电缆电线中可燃的绝缘和护套材料，致使火灾进一步扩大，绝缘和护套材料燃烧所散发的有毒气体也会导致大量的人员伤亡，并可能阻碍消防人员的及时灭火警未发生时一级负荷和某些重要的二级负荷的供电。设计时柴油机组容量的选择正是按以上两种情况进行比较，选其大者作为确定发电机组容量的依据。经计算，同时应甲方管理需求，于本工程地下一层１＃变配电（供左边塔楼办公与地下室用电）设置一台容量为1000KW柴油发电机作为自备应急电源，２＃变配电（供右边塔楼办公与地下室用电）设置一台容量为800KW柴油发电机作为自备应急电源，３＃变配电（供一～三层商业用电）设置一台容量为400KW柴油发电机作为自备应急电源。机组在两路市电停电后30ｓ内自起动投入供电，其相序与市电相序一致。发电机与市电互锁，以防倒送电。

三、电缆电线选择和敷设

超高层建筑干线电力线路的选型和敷设方式是电气设计中比较烦琐的问题。由于封闭式母线载流量大，对于大容量配电干线而言，封闭式母线的应用就更能体现它的优势，故本工程的普通电源、空调动力大容量用电干线均采用封闭式母线。根据《民用建筑电气设计规范》（JGJ16－2008）第７．４．３条导体敷设的环境温度要求，在封闭的强电间发热量大，会造成导体载流量下降，故暖通专业应予考虑适当排风。配电干线在变配电室内段的敷设用开敞式电缆托盘，变配电室到电气竖井间段采用封闭式防火电缆桥架敷设，在电气竖井内的敷设全部采用电缆明敷固定在阶梯式电缆梯架上。这样，就比较有效地解决了安装施工及上述问题，也方便于今后的检修和维护。在楼层间的分支干线导线敷设根据所配设备的消防负荷等级选择防火类型，并尽可能地采用钢管暗敷在墙壁和楼板内，明敷防火线路在外套保护钢管上喷涂防火涂料。各层电气竖井内的楼板孔洞和各处墙壁上的电气安装孔洞，在设备安装施工的后期一定要用防火胶泥等防火材料严实封堵，这是相关设计规范明确要求需设计时留意的。

我国发生的火灾中，因电气引起的火灾占了很大的比例，其主要原因也是由于电缆电线的老化和过载使用引起的。同时，因火灾时引燃电缆电线中可燃的绝缘和护套材料，致使火灾进一步扩大，绝缘和护套材料燃烧所散发的有毒气体也会导致大量的人员伤亡，并可能阻碍消防人员的及时灭火。

目前，在建筑工程的防火设计中选用的电缆主要有耐火电缆和阻燃电缆。对于消防设备如消防水泵、消防送风机、排烟风机、消防电梯及应急照明等，在火灾时必须继续工作，相应的供电线路应保证安全可靠，避免因供电线路的损坏而影响消防设备的正常功能，根据《民用建筑电气设计规范》（JGJ16－2008）第13．10．4．1条，本工程为特级的火灾自动报警系统保护对象，故消防设备用电干线及分支干线，应采用矿物绝缘电缆。对于一般的动力设备和普通照明回路，为防止火灾时因电缆的绝缘及护套层的着火延燃而造成更大的人员和财产损失，在超高层建筑中应选用阻燃型的电缆和电线。

为了尽量减少因电缆绝缘及护套的燃烧引起的烟雾及有毒气体对人员造成的伤害，工程设计中应根据建筑物的重要程度和使用性质，尽可能的选用低烟无卤的环保电缆，在火灾发生时，可减少烟雾及有毒气体的产生，为大楼内的人员疏散争取更多的逃生时间。根据《民用建筑电气设计规范》（JGJ16－2008）第7．4．1．2．3）条，本工程选用阻燃低烟无卤交联聚乙烯绝缘电力电缆、电线。

四、消防负荷和重要保证性负荷配电

超高层建筑所有的消防负荷和重要保证性负荷的配电线路，按照国标《工程建设标准强制性条例及应用示例》（04ＤＸ002）中的明确解释，采用两路分别为常用、备用低压电源的耐火电力电缆引到最末级双电源自动切换配电箱，再以单独的放射式供电回路引到相关设备。这里需注意的是消控室、消防水泵房、消防电梯等重要的消防设备，必须分别直接从变配电室的低压配电屏引来专线到指定专用的双切箱。其他的地方则可根据防火分区和消防负荷等级就近接线，如避难层里同一风机房里的消防排烟风机、消防正压送风机等可接在本区内一台双切配电箱上，不需要各自采用独立的双切配电箱。这样可简化配电系统和线路，减少设备投资。

对于走道照明设计每隔一盏带应急蓄电池，地面六层以上办公楼每三层设一台应急照明双切配电箱（地下层为每层一个防火分区，或人防分区内对应一台），每层由一路单独回路（含直接强制点亮的消防联动电源线）供该层所有楼梯间和电梯前室灯具，并且这些灯具均要满足消防产品的要求，可以在火灾状态时通过消防联动装置强制全部点亮，确保人员疏散时的疏散通道照明。根据《民用建筑电气设计规范》（JGJ16－2008）第13．8．5条规定：应急照明在正常供电电源停止供电后，其应急电源供电转换时间应满足：备用照明不应大于5ｓ，金融商业交易场所不应大于1．5ｓ，疏散照明不应大于5ｓ。当采用蓄电池作为疏散照明的备用电源时，在非点亮状态下，不得中断蓄电池的充电电源。

这里需要注意的是，疏散诱导指示灯无论是采用自带应急蓄电池，还是供电双切箱内采用集中式应急电源ＥＰＳ，该自备应急电源的持续供电时间ｔ一定要符合灯具安装场所的消防安全要求，根据《高层民用建筑设计防火规范》（GB5004－95）第9.2.6条和《民用建筑电气设计规范》（JGJ16－2008）表13．8．6条与表13.9.13条规定：超高层建筑ｔ≥30ｍｉｎ；消防设备机房ｔ≥180ｍｉｎ；火灾时继续工作的备用照明≥180ｍｉｎ；避难层备用照明＞60ｍｉｎ。消防主管部门对本楼明确要求的一般场所疏散应急灯的ｔ≥90ｍｉｎ，凡要求超过90ｍｉｎ的必须按高的标准定。另外要注意的是安全疏散出口标志灯在楼道间和电梯前室间的疏导设置。在确认火灾消防状态时，火灾自动报警控制系统会联动迫降所有的电梯到首层，并切断非消防电梯的电源，此时的消防电梯仅供消防人员控制使用。由此理解，楼内的普通人员撤出的路径只能是依靠疏散楼梯，即各层安全出口标志灯的导向只能是走道或电梯前室→疏散楼梯间（或消防电梯前室→疏散楼梯间）。

五、航空障碍灯的设置

按照《民用建筑电气设计规范》（JGJ16－2008）和有关民用机场航空安全通则，以及各城市规划的具体要求，一般高出地面100ｍ的建筑物应设置航空障碍标志灯。其设置的原则是自顶部最高处开始，以屋面外侧墙转角处为第一圈，自上到下的水平、垂直间距≤45ｍ间隔设置。这些灯的供电负荷等级是由大楼内最高供电负荷等级电源配电箱供电，在设计中应考虑到。本工程在13层、24层和屋顶层均预留航空障碍灯照明箱，航空障碍标志灯的设计应符合国家现行标准《民用机场飞行区技术标准》ＭＨ5001和《航空障碍灯》ＭＨ／Ｔ6012的规定，并应具有相关认证。

六、防雷、接地与等电位联结

超高层建筑物往往孤立地耸立在城市高空中，遭受雷击的几率比普通高层建筑物更大，故应加强超高层建筑物的防雷接地和总等电位联结，切实做好直接防雷保护和间接防雷保护。超高层建筑防雷等级的定性，按照《建筑物防雷设计规范》（GB5005－2010）复核计算。在计算建筑物年预计雷击次数时，其每边的扩大宽度应按等于建筑物的高度Ｈ计算，建筑物的等效面积应按下式确定：经计算（年预计雷击次数为0．5158次／ａ），且属于人员密集地方，故按第二类防雷设计。防直击雷措施应《建筑物防雷设计规范》（GB50057－2010）的要求设置。屋顶应设置防直击雷的避雷针和避雷带相结合防雷网，屋顶所有金属管道设备外壳均应可靠接地。在设计接地时不应忘记航空障碍灯等设施的要求。

防侧击雷措施：各层钢构架和混凝土的钢筋应互相焊接；结构圈梁中的钢筋45ｍ以下应每三层连成闭合回路，45ｍ及以上结构圈梁中的钢筋应每层连成闭合回路，并应同防雷装置引下线连接。45ｍ及以上外墙上的栏杆、门窗等较大金属物直接或通过预埋件与防雷装置连接。竖直敷设的金属管道及金属物的底端和顶端与防雷装置连接，且每三层与利用钢筋混凝土结构内的钢筋设置的局部等电位联结端子板连接一次。在供电至屋面用电设备的配电箱内装设防雷电波侵入的过电压吸收装置，相关线路的保护钢管一端与配电箱金属外壳相连，另一端与用电设备金属外壳、保护罩相连，并就近与屋面防雷装置联接。

超高层建筑的接地保护应采用防雷接地与弱电系统共用接地极的共用接地方式。电源系统考虑设置三级浪涌保护装置，弱电信号线缆系统在引入建筑处设置适配的信号线路浪涌保护器。

根据《建筑物电子信息系统防雷技术规范》（GB50343－2012）第3．2条规定，本工程雷电防护区按以下划分：室外部分属直击雷防护区（LPZOB区），室内部分属第一防护区（LPZ1区）。雷电防护等级根据《建筑物电子信息系统防雷技术规范》（GB50343－2012）第4．3．1条建筑物电子信息系统的重要性和使用性质第确定为Ｃ级。根据《建筑物电子信息系统防雷技术规范》（GB50343－2012）第5．4．1条规定，大楼低压总配电柜、室外埋地引来线路应安装第一级浪涌保护器（SPD），其标称放电电流（In）应，应在大楼变电室低压总配电柜、景观照明箱明确安装第一级浪涌保护器（SPD）的具体型号及参数。根据《建筑物防雷设计规范》（GB50057－2010）规定，应在ＬＰＺ０Ａ或LPZOB区与LPZ1区交界处，在从室外引来的线路上安装选用符合Ⅰ级分类试验的一级SPD，其标称放电电流（In）应，大楼屋面泛光、航空障碍照明箱应安装Ⅰ级分类试验的SPD，且标称放电电流（In）应，根据《建筑物防雷设计规范》（GB50057－2010）的规定，应安装二级浪涌保护器（SPD），其电压保护水平（Ｕｐ）值应≤1.5KV。根据《建筑物电子信息系统防雷技术规范》（GB50343－2012）规定，电子信息设备端的电压保护水平（Ｕｐ）值≤1．5ｋＶ，大楼第二、三级SPD（除第一级以外＜屋面泛光配电箱、航空障碍灯照明箱＞等）的浪涌保护器的电压保护水平（Ｕｐ）值为2．5ｋＶ。同时应按照《建筑物电子信息系统防雷技术规范》（GB50343－2012）的规定，应明确第一级SPD铜导线连接相线最小截面积为16ｍｍ２，接地端连接线最小截面积为25ｍｍ２，第二级SPD铜导线连接相线最小截面积为10ｍｍ２，接地端连接线最小截面积为16ｍｍ２，第三级SPD铜导线连接相线最小截面积为6ｍｍ２，接地端连接线最小截面积为10ｍｍ２。

七、结束语

综上所述，超高层建筑火灾危险性大、人员密集，在电气设计时应遵守电气设计规范，确保其电气系统的安全、可靠性。