探讨超高层建筑供配电系统设计

探讨超高层建筑供配电系统设计

陆健开

广州莫伯治建筑师事务所（ 510000 ）

摘要：本文结合若干超高层项目的工程实际案例，从负荷分级、变压器容量指标、变电所的设置、供配电系统方案选择、竖向配电干线系统等方面探讨超高层建筑供配电系统设计中的关键技术要点。本论文是对已完成的工程项目的经验总结以及对目前正在设计中的超高层项目在方案选择时设计思路的分享，希望能为同行在做类似超高层项目时提供有效借鉴。

关键词：超高层建筑;供配电系统;负荷等级;容量指标;变电所;配电干线

引言

与普通建筑物相比，超高层建筑面积和用电量较大，建筑物内部结构较为复杂。因此，在设计电气系统时，对供电系统的强度、稳定性和安全性提出了更高要求。随着建筑业的不断发展和环境用电的不断增加，为保证高层建筑电力的稳定，必须加强对超高层建筑供配电设计的研究和分析。

1. 超高层建筑供配电设计特点

1、电力负荷系统设计

对民用建筑相关电力系统方案进行设计的时候，相关的设计人员一定要多走访，多调查，多了解，并且对相关人员进行沟通，根据实际情况进行设计，这样可以减少中断线路给各方面带来的损失。所以，电力系统方案进行设计的时候，一级负荷一定要有备用电源，如果突然发生停电现象，备用电源可以立即供电，这样就可以保证正常供电，减少损失。如果发生设备检测，可以采用备用电源，以减少损失，结合现场实际情况，还可以增加备用电源。二级负荷在电力系统方案进行设计的时候，一定要考虑各种情况，减少故障带来的损失，如果发生停电现象，则可以立即恢复供电。三级负荷在电力系统方案进行设计的时候，一定确保维修人员可以带电作业。表1列举了超高层建筑主要用电负荷分级。

表1 超高层建筑主要用电负荷分级

因为超高层建筑需要电量非常大，其负载也比较大，所以通常采用10kV以上的高压，其回路方案一共有三种，分别是双侧双回路供电，单侧回路供电以及环形双回路供电。第一种，双侧双回路的供电方案，主要是运用了两个电源，并且这两个电源同时工作，同时进行供电，这样的方法可靠性非常高，起到了更好的安全作用；第二种，单侧回路的供电方案，这个方案可靠性非常低，安全性比较低，投入的成本非常少；第三种，环形双回路的供电方案，这种方案投入的成本非常高，安全性以及可靠性都可以达到比较好的要求。在对高层建筑高压供电系统进行设计的时候，必须结合施工方案的成本选择适合本施工的最佳供电方案。

因为高压电源不相同，供电的方式也就不一样，所以高压接地也就不一样。如果两个高压电源同时进行供电，通常使用的是单母线，而暂时停止对开关的设置。这样的方法主要适用于设备很少，成本低，结构简单，这样对设备的灵活性以及设备的可靠性要求也就非常低。如果高压电源使用一供一备的时候，通常所使用的单母线是不进行分段的，这样的供电形式非常简单，要求比较低。如果供电系统发生故障的时候，这样备用电源就可以马上进行供电。现在，在高层建筑中应用比较广泛的供电方案是设置母联开关，并且单母线分段进行供电，当系统中任意电源发生故障时，母联开关自投，对故障电源侧的负荷恢复供电

^[1]。

3、低压配电系统设计

超高层建筑的负荷种类较多，其低压配电系统也相对比较复杂，图1为某超高层建筑低压配电系统示意图（以四台变压器和一台柴油应急发电机方案为例），此低压配电系统是非常典型的系统，应用技术也非常成熟，其它同类型的低压配电系统都是在此系统基础上的拓展。T3和T4这两台变压器主要负责二级负荷和三级负荷的供电，如空调制冷主机、空调水泵类、景观照明和泛光照明等，主要采用放射式配电方式；T1变压器负责消防负荷、一般负荷和保证负荷（单回路供电）的供电，T2负责重要的保证负荷和一般负荷的供电，柴油应急发电机供电母线分为两段，一段母线负责全部保证负荷的供电，另一段母线负责全部消防负荷的供电，对于单台容量较大的负荷或重要负荷采用放射式配电，对一般设备采用放射式与树干式相结合的混合方式配电。

图1 低压配电系统接线图

2. 变配电所设置分析

超高层建筑高压电源电压等级通常为10～110kV，本文按10kV为例计算分析。

1. 高压供配电系统结构

超高层高压供配电通常采用主分、放射式、二级配电或两种混合型。主分结构即在超高层建筑中设一个或多个高压总配变电所(多设于地下室)。放射式是向各分变电所变压器供电。二级配电即由高压第一级变电所先向中压第二级变电所供电，再由二级变电所向下级变压器供电。两者主要区别是二级配电多一级高压配电，前者高压电缆较多，简单可靠;后者高压柜多，可靠性稍低。供电距离小于475m，采用主分结构经济性较好，供电距离大于475m时，可考虑采用二级配电结构;但下级变压器数量为6台时，供电距离超过235m时，二级配电结构经济性开始好于主分结构。综上所述，供电距离远且下级带的变压器数量较多时，二级配电结构经济性更好，否则宜采用简单可靠的主分配电结构。此外，高压供配电结构还取决于各业态分变配电所需是否需独立管理。对于综合性较高多业态独立管理的超高层建筑，也可采用两者混合型配电结构。

2. 超高层建筑常用的四种中压供电方案（如图2所示）

方案一为两回10（20）kV中压电源同时工作，互为备用（热备用），单母线分段。当一路电源发生故障时，将其切断，母线联络开关将自动或手动向事故回路供电。10kV中压电源每台输送功率3000kv·A，其容量技术经济指标合理。如果采用环网供电网络，传输容量可达6000kv·A。在该方案中，当两台变压器的容量承受49%的负载时，即当变压器铜损耗P铜损耗=P铁损耗时，变压器可以获得最经济的运行。如果在超高层建筑中选择两回10kV电源，输配电线路长度将更长，配电容量将更大。国内超高层建筑常用的主接线大多采用方案a。两台10kV独立电源为单母线分段主接线方式，互为备用。由于供电线路来自不同的电厂或不同的上级降压站，如果供电线路和交流电压互感器100%备用，供电可靠性高。从节约电能的角度来看，由于线路和变压器在正常运行时铜、铁消耗较低，这也是一个有利条件，但需要增加一些初期资金投资。此外，一些大型电力用户可以直接由发电厂供电，也可以自行建设发电厂。除了自身的电力消耗外，他们还可以将多余的电力输送到公共电网，从而降低电价。从这个角度来看，两个独立电源互为备用的主接线方案在技术和经济上都非常有利。

图2 超高层建筑常用的中压供电方案

方案二为两台中压电源正常工作时，一台工作，另一台备用（冷备用）。正常工作电源断电时，另一备用电源自动投入。该供电方案将在一些供电不足和电网质量差的地区采用。一般来说，如果超高层建筑面积不大，也可以在前期满足电力负荷能力。本方案运行期间，线路及变压器基本处于满负荷状态。虽然初期建设投资成本较低，但线路损耗和变压器功率损耗较大。此外，本方案线路及电压安全装置处于冷备用状态，不利于人工监测和维护。钥匙关闭时间可能无法起到备用电源的作用，电源可靠性差。随着城市电网的建设和发展，只需对系统稍加修改，一路工作和一路备用电源即可转换为两路互为备用电源。一般情况下，10kV城市电网每条回路的断开点不超过7个。一用一备方案，配电所设计应提前考虑开发用地，并预留两至三个中、低压柜位置。

方案三为三路电源通常为两用和一备（冷备）。当任何工作电源未能关闭时，备用电源开关向故障电路供电。

方案四为三回电源供电：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。

3. 配变电所设置

某高铁站附近的超高层办公楼，地上63层，地下4层。建筑高度280米，建筑面积40万平方米。裙楼共有7层，分别为商业和餐饮。塔楼的标准层高为4.2m，设备层高为5.6m。为满足本工程供电要求，在-1层设置一座10kV配电中心。10kV进户均在10kV配电中心，10kV进户经计量配电后送至各10kV/0.4kV变电站。分别从市政局引入6路10kV电源，每组2个。同时，电源互为备用，满足一级负荷要求。当一个电源损坏时，不能同时损坏另一个电源。1#（1A）和2#（1B）10kV电源进入房屋并向地上办公变电所；2#（2A）和3#（2B）10kV电源进入房屋，向-1F冷冻室高压机组、专用变压器和低区办公变电所供电；5#（3A）和6#（3B）10kV电源进入房屋并向商业地下变电站供电。超高层办公部分10F及以下由地下室变电所供电。地上部分为四层设备层（分别为11层、25层、39层和53层），每层标准层面积约4000平方米。考虑到供电距离和负荷，由于供电距离长、负荷大，需要在设备层增设变配电房，变电所设置在设备层，对变压器的运输提出了更高的要求。将电梯的载重量及占用核心筒面积等经济性结合一起考虑，变压器的容量以不超过1250kVA为宜。结合本工程的具体情况，经负荷估算后，提出以下三种方案。

方案一：每个设备层均配备一个变电所。本方案配电系统为单向供电，最大供电半径为180m。

方案二：11F设置变电供电给11F~32F，39F设变配电房向32F~38F、40F~52F供电，53F设变电所向53F及以上供电。本方案配电系统必须倒送电，最大供电半径230m。

方案三：25F设变电所向11F~38F供电，53F设变配电房向40F~屋顶层供电。本方案配电系统必须倒送电，最大供电半径为190m。

考虑到系统的灵活性，上述三种方案在相应的变电站进行一级配电并设置联络，配电后向各变压器放射状配电。

3. 变电所的设置

1、变电所设置基本原则

在进行超高层建筑变电所位置和数量的选择时，笔者认为，应遵循以下几点基本原则^[6]。

(1)根据负荷容量和分布，使变电所及变压器靠近建筑物用电负荷中心。

(2)应该考虑低压供电半径的限制。

(3)根据功能分区的要求设置变配电所，可考虑按照地下室、裙房商业、办公层、酒店层、住宅(公寓)层设置。

(4)根据物业业态设置变配电所，比如出租/出售情况、不同业态的计费方式及后期物业管理分区等几个方面的情况考虑变配电所的数量。

(5)根据负荷性质设置变配电所，比如制冷机房设置专用变压器或者变电室等。

2、避难层设置变电所

由于超限高层建筑的供电半径长，为降低电压降和电能损耗、减少电气竖井面积，变配电所设置需深入负荷中心，会出现塔楼高区设置分变配电所

的情况，而且分变电所通常设置在避难层。在避难层设置变电所应注意以下几个问题:

(1)应考虑设备对楼板荷载的影响;

(2)应考虑预留变压器的水平运输通道和垂直运输通道;

(3)可采用大载重量的货梯运输或者电梯井道运输;

(4)采用电梯作为设备运输方式时，电梯的载重应大于变压器的重量;

(5)单台变压器的容量不宜超过1250kVA。某品牌变压器SCB11系列变压器的相关参数，从表中数据中可以看出1250kVA变压器带外壳的重量约为3.3t，普通1.6t或者2.0t的客梯不能满足设备运输需要，如果采用电梯进行设备运输，需考虑设置至少3.5t的货梯进行运输，且超过1250kVA的变压器会给设备运输带来更大困难

3、工程实例一

该项目为总建筑面积为220053.4m²，其中地上建筑面积156911m²，地下建筑面积63142.4m²。建筑主要功能为高档办公及商业配套设施，地上57层(办公楼层)、地下4层，建筑高度275m(屋顶机房女儿墙高度)，一类高层建筑，建筑耐火等级为一级。根据业主方的物业管理要求，办公、商业及能源站需单独设置变电所，该项目设有四座变配电所，其中三个变电所位于地下二层塔楼核心筒西侧，还有一个变电所位于34层。其中E1为主变配电所，E2为能源站变电所，E3为商业变电所，E4为高区变电所;变电所设置详见表2。

表2 工程实例一变电所配置

4. 供配电系统方案

1、供配电系统方案的基本原则

在确定超高层建筑供配电系统方案时，通常要注意以下几点基本原则:(1)超高层建筑的高压供配电系统宜采用主变电所—分变电所结构;(2)主变电所采用单母线分段的主接线形式，放射方式引至分变电所;(3)高压系统的配电级数不宜多于两级;(4)充分了解当地市政电源情况及供电部门的规定，在此基础上进行项目的供配电系统设计。

2、工程实例

以本文中列举的工程一为例，虽然设置了4个变电所，但是对于这4个变电所的供配电系统架构如何搭建的问题，笔者所在单位在设计之初给出了两种方案。

方案1:采用主分高压系统结构，两路市政10kV电源，总配电室采用10kV电缆放射配出至分变电室各台变压器，柴发机组配电分应急母线和备用母线。方案2:采用主分高压系统结构，两路市政10kV电源，总配电室10kV电缆放射配出至B2层分变电室，避难层分变电室另设有一级高压配电，柴发机组配电分应急母线和备用母线。该项目设置4个变电所、16台变压器，在避难层设置的分变电所中设置了6台变压器。两个方案的区别在于，方案1从B2层高压总配放射式地引出6根10kV高压电缆至避难层分变电所的6台变压器，方案2是从B2层高压总配引出2根10kV高压电缆至避难层分变电所，在分变电所另设一级高压配电后再引至6台变压器。经过比对，方案1的供电可靠性明显高于方案2，但方案2的经济性又略优于方案1。因此，当设计超高层建筑遵循供配电系统安全、可靠、经济、合理的原则时，供配电方案就会较为容易进行取舍。

5. 结语

本文介绍了超高层供配电系统的几大特点，对主要的设计难点问题进行了计算分析，通过经济技术比选总结出了一些规律和结论。超高层建筑供配电系统较为复杂，在实际设计过程中还会遇到许多限制条件，还需电气设计人员结合具体情况，灵活运用本文提供的方法思路，反复论证比选方案，以期做到供配电系统安全、经济、合理。我们国家在超高层建筑发展过程当中，对低压供配电系统设计以及相关的可靠性研究是非常重要的，也是最基本的内容。所以，我们国家高层建筑内部电气设备非常繁琐，其施工过程也是有一定难度的，电量消耗过大，也是其中一个问题。所以，对电气进行设计的过程当中，逐渐对其运行环境进行一系列完善，确保电力系统可以安全运行，对电气设备相关的功能进行提高，加快了电力行业的发展。工程实例从负荷分级、变压器容量指标、变电所设置、供配电系统方案选择、竖向配电干线等方面对超高层建筑的供配电系统设计进行了

阐述。

参考文献

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4. 民用建筑电气防火设计规程:DGJ08-2048—2016.

5. 供配电系统设计规范:GB50052—2009.

6. 黄晓明．超高层建筑的变电所设置［J]．现代建筑电气，2015，7(6):13-15．

7. 中国航空规划设计研究总院有限公司．工业与民用配电设计手册［M］．4版．北京:中国电力出版社，2016．

8. 肖铁军，孙宇，赵林强．超高层变配电室位置选址分析［J]．智能建筑电气技术，2015，9(1):86-90