超高层建筑配变电所设置探讨

超高层建筑配变电所设置探讨

韦家义

中冶建工集团勘察设计研究总院 重庆 400000

摘要：结合工程设计实例，通过超高层变电房设置选址的分析，进行各方案之间的技术经济性对比。提出超高层建筑地上变配电房选址从安全性、经济性等角度，兼顾运输便利性、噪声影响等因素的影响，当验电压损失满足要求时，建筑高度200m以下的超高层建筑，可仅设置主配变电所校。

关键词：超高层建筑；变配电所选址；有功电能损耗；设备运输；技术经济比较；电压损失

引言

超高层建筑是经济高速发展的产物，也是城市经济活力最显性的标志，现我国已成为世界上超高层建筑最多的国家。超高层建筑具有建筑体量大、功能复杂，总用电负荷大等特点，而超高层建筑供配电系统的设计、变配电所设置位置以及数量的配置对供电的可靠性、安全性以及供电质量、有效减少项目初始投资并降低整个配电系统电能损耗显得十分重要。同时控制建筑能耗亦是建筑绿色设计的核心内容之一，而严格把控项目初始投资则是目前各投资方关注的重点。本文以笔者设计的仙桃数据谷商务办公楼工程（一期）S73-1/01地块工程超高层项目为例，阐述超高层建筑配变电所设置选址分析方法，并提出了个人的一些观点。

1 变配电所选址原则

1.1 一般规定

依据国家规范GB51348-2019《民用建筑电气设计规范》^［3］、GB5005-2013《20 kV及以下变电所设计规范》^［4］的相关规定配变电所设置应根据结合工程特点、用电设备容量、充分考虑前期安装、后期运行维护要求、经济节能等因素，通过技术经济综合分析和比较后确定合理设计方案，并预留一定后期发展空间。

1.2按使用业态及物业管理设置变配电所。

超高层除自身具有建筑体量大，建筑高度高外还具有总用电负荷大、使用业态多，物业管理难度大等特点。超高层建筑配变电所的设置通常设置在地下层设主配变电所，在避难层（设备层）设置分变配电室，但应考虑业态分布及物业管理的、对容积率的影响，同时考虑变压器重量对结构楼板荷载需求以及变配电所下方功能区域净高、运行噪声等因素，还需解决设备垂直运输、后续设备维护更换、10 kV电缆垂直敷设等问题。

1.3用电设备电压降的要求

民用建筑的用电设备的电压偏差允许值应满足国家规范GB51348-2019--《民用建筑电气设计规范》^［3］第 3.4.3条的相关规定。对于民用建筑的用电而言，根据地标DBJ50-520-2020--《公共建筑节能（绿色建筑）设计标准》^［6］7.2.1条文说明的要求：单台设备容量大于500KW 宜采用10KV供电（就地设置配电房），《全国民用建筑工程设计技术措施 电气（2009 版）》^［1］第3.1.3条干线供电距离超过250m 时，考虑设置变配电所。对于超高层建筑高度超过200 m时，供电的干线长度加上水平长度距都会超过250 m，按正常载流量选择电缆来复核电压损失均不能满足要求，则需要加大线缆的截面，通过加大线缆的截面积，提高载流量，来降低线路电压损失及损耗，以满足规范及使用要求。而线缆的造价高对成本影响大，对于超过200m的超高层建筑，仅采用加大线缆的截面，来降低末端电压损失已不经济，所以除设置在地下室的主变配电所外，均宜在地上设置分变配电所。而当超高层建筑高度在100~200m之间是，则可以通过进行技术、经济综合分析确定是否在地上避难层（设备层）设置分变配电所。

2. 工程实例

仙桃数据谷商务办公楼工程（一期）S73-1/01地块工程位于重庆市仙桃数据谷园区内。本工程用地面积为：41941.25㎡；总建筑面积为：196677.95㎡，共有5个子项，包含地下车库及设备房、商业裙房、地上A1#~ A3#楼，其中：A1#楼建筑面积为：63416.86㎡，总共37层，建筑高度为174.3m,使用功能为商务办公，为超高层建筑公共建筑；A2#楼建筑面积为：23318.83㎡，总共22层，建筑高度为98.3m,使用功能为公寓，为一类高层建筑公共建筑；A3#楼建筑面积为：196677.95㎡，总共14层，建筑高度为54m,使用功能为商务办公，为一类高层建筑公共建筑；裙房建筑面积为：28634.54㎡，总共4层，使用功能为商业及餐饮，为大型商业建筑；地下车库及设备房建筑面积为：69649.88㎡，总共地下4层,使用功能为停车库及设备用房，为Ⅰ类汽车停车库；

本文仅对A1#楼超高层建筑的变配电房设置位置进行经济、技术分析和比较。A1#楼超高层建筑共设三个避难层，分别设置在11层、22层和33层，层高均为4.5m.其中22层可作为设备层使用。

2. 配变电所设计方案

3. 1负荷计算

该项目按业主前期规划按5A级办公楼考虑，办公、商业等场所均设置集中的空调（中央空调），大型数据中心或密集数据机房在临近的S75-1/01地块已经设置，本地块不做预留，主本项目要业态负荷密度指标如表 1 所示。

表1 主要业态负荷密度指标

动力用电、集中空调按实际计算，以上表格商业餐饮区面积取总商业面积得20%进行计算，本工程的变压器总安装容量为14.6MVA。其中，A1#楼商务办公部分计算容量为4572.5KVA，5~21层为计算容量为2494.1 KVA；23~37层为计算容量为2078.4KVA；

3.2电源及电压

根据整个园区的总体供电规划，本工程采用两路不同区域变电站各引来一路10KV作为正常电源，其中一路由悦来110KV变电站另一路由仙桃110KV变电站引来，两路互为热备用，本工程在地下一层10KV配电间，采用放射式供电引至各配电房。

3.3 变配电所设置方案

根据本项目的建筑使用性质及后期物业运行管理的要求，结合本项目建筑具体特点，提出了两种变配电所的设置方案。两种方案除地下室负二层2#变配电房（供电范围A2#楼、A3#楼及其裙房、地下车库），地下室负一层设置的空调专用3#变配电所相同外，方案一是在-2F设置1#变配电房(供电范围A1#楼及其裙房)；方案二是在-2F设置1#变配电房(供电范围A1#楼4~21层及其裙房)以及在22层避难层设置4#变配电房（供电范围A1#楼22~37层)。拟建配、变电所的设置位置、数量、容量对比方案见下表：

表2 拟设置变配电所的设置位置、数量、容量方案对比表

2. 变配电所选址方案的技术经济比较

A2、3#楼及其裙房商业、车库用电采用变压器供电和空调主机、循环泵等用电采用变压器供电两种方案变压器均设置一样，故不再做比较，以下计算结果不包含此部分费用。本对比方案仅对A1#楼超高层两种变配电室的选址及变压器的配置做对比分析。

方案一： 在地下2层设置一个主变配电房，对整栋楼进行供电；该方案的配电系统最大供电半径约为175m。

方案二：在地下2层设置一个主变配电房，供电范围为^－1F~21F;，在地上22层设置分变配电房，供电范围为22F~37F，该方案的配电系统最大供电半径约为102.9m。

表3 变配电所设置方案

4.1 电网损耗计算

4. 1. 1单个变配电所竖向电缆干线有功功率损耗 ΔP_L计算

从《工业与民用配电设计手册》^【2】（第4版）中查得计算三相线路有功损耗公式如下：

有功损耗 ΔP_L（kw）

ΔP_L= 3 I²_js R×10^{- 3} kW （1）

式中： R -- 每相线路电阻 Ω; R=r_▪l

I_js -- 线路计算电流 A;

l -- 线路长度 km;

r -- 线路单位长度电阻，Ω/km。

4. 1. 2 单个变配电所竖向干线电缆年电能损耗 ΔW_L 计算

从《工业与民用配电设计手册》^【2】（第4版）中查得计算线路年电能损耗公式如下：

电能损耗ΔW_L（kwh）

ΔW_L=ΔP_L▪τ （2）

式中：τ-- 年最大负荷损耗小时数 h。（取值按计算参数选择）

图1 T_max 与τ的关系曲线

4.1.3 变压器年电能损耗 ΔW_T 计算

根据《四版手册》^［2］ 变压器年电能损耗计算方法如下：

ΔW_T=ΔP₀t +ΔP_k·（Sc/S_N）²·τ （3）

式中：ΔP0 —— 变压器空载损耗，kW；

ΔPk —— 变压器短路损耗，kW；

Sc —— 变压器计算负荷，kVA；

S_N —— 变压器额定容量，kVA；

T —— 变压器年运行小时数（取值按计算参数选择）；

τ—— 年最大负荷损耗小时（取值按计算参数选择）。

4.1.4 计算参数选择

（1）参照《四版手册》^［2］表 1. 9 - 1、图 1. 10 - 7及表1. 10 - 2。根据表 1. 9 - 1，采用查表法：行政办公楼年最大负荷利用小时数T_max为2790 h，商务办公年最大负荷利用小时数T_max为1520 h。综合考虑取T_max = 3000 h，取cosφ= 0. 85，根据表1. 10 - 2，得τ=2000 h，变压器年运行小时数按全年投入运行8760 h。

（2）干线母线、电缆长度、根数及有功功率数值取工程设计值，单价参照当地造价信息。

（3）配变电所设备造价：指包括高、低压配电设备、变压器等的主要设备造价的参考以往类似工程。

（4）综合电费，按 1元/ kWh。

（5）建筑生命周期50年运行电能损耗费用：以50年运行时间计算，则为50倍年有功电能损耗费用。本项目计算暂忽略无功功率损耗影响。

（7）考虑各方案变压器总安装容量及负载率基本一致，故在分析各方案年电能损耗时，忽略高压线路、变压器、电抗器及电容器的电能损耗，仅计入竖向干线的电能损耗。需特别注意的是，该计算结果尚不包含干线电缆水平段及末端线路的损耗。

4.1.5计算示例

以本项目负荷计算为例，A1#楼23~37层计算电流1891A，本项目竖向干线选用2500A密集式铜母线槽，参照《四版手册》^［2］表 9.4-25，采用查表法： r = 0. 025Ω/ km（单位长度的电阻），铜母线槽造价按375万元/ km。

方案一，A1#楼在地下二层设置主配变电所，配电干线母线槽计算最长长度为l = 0. 175 km，每相线路电阻R = 0. 025×0. 175 = 0. 004375Ω，依据公式（1）计算三相线路有功功率损耗ΔP_L = 3×1891²×0. 0.004375×10^{- 3}= 46.93 kW，按计算条件τ= 2000h，依据公式（2）年有功电能损耗ΔW_L = 46.93×2000 = 93860 kWh，电费按1元/ kWh，50年有功电能损耗费用：9.386×50×1=469.3万元；铜母线槽造价为65.625万元，其造价= 65.625+469.3 =534.925万元。

方案二，在22层避难层设分配变电所，23~37层用电线路计算长度为l = 0. 0745 km，每相线路电阻 R = 0. 025×0. 0754 = 0. 001885Ω，三相线路有功功率损耗ΔP_L= 3×1891²×0.001885×10 ^{- 3}= 20.222kW，按计算条件τ= 2000h，年有功电能损耗ΔW_L= 20.222×2000 = 40444 kWh，电费按1元/ kWh，50年有功电能损耗费用：4.0444×50×1=202.22万元；铜母线槽造价为27.94万元，总造价= 27.94 +202. 22= 230.16万元。

另外方案二均较方案一在塔楼地上部分增设1 个变配电所，还需考虑这些地上变配电所增加的设备成本。

按以上方法，分别计算两个方案计算结果如表 4 所示。

表 4 各方案经济比较（未包括无功损耗）

4.3 技术比较

表 5 各方案技术比较

4. 4方案的综合比较

方案的综合比较还应考虑方案二较方案一增加额外的电梯设备运输及安装费用；为运输设备而专设大载重电梯将极大地增加项目初期投资并对核心筒布局产生重大影响；变配电所面积增加的土建成本，额外的变配电所接地、降噪、减震、结构楼板加强措施等建造成本及对相邻楼层的潜在影响。为简化分析过程，对该额外成本不做详细计算，假定增加的费用与地上变配电所的面积成正比，按1万元/ m²计算。

表6 各方案综合比较

综合上述的技术、经济分析对比，避难层设置分配变电所：

优点：在于够很好地解决电压降问题，电源的供电半径也在规范范围以内，节省低压母线及电缆造价、线路损耗大幅降低，节约电能损耗费用，从而达到节能的目的。

缺点：变配电设备设置在避难层，垂直运输需设置3.5T的电梯对土建成本高，后期更换维护很难解决；变压器的运行的电磁干扰、噪音对上下层的影响大，即使采用降噪及屏蔽等措施，也不能完全杜绝，严重影响物业后期的租售；另外，地上变压器占用容积率影响用地经济指标。

综合以上分析，本工程A1#楼采用方案一设置配变电所经济上、后期运行维护较合理，但电压降问题须进行校验，并通过采取技术措施使其满足规范要求。

2. 电压降校验

本工程A1#楼建筑物高度174.3m，避难层未设置分配变电所，A1#楼地上用电回路均引自负二层1#主配变电所，低压供电半径超过250m，仅需对计算容量已超过500 kW配电干线回路的电压降进行了校验计算，并根据计算结果，选择母线槽截面。

以A1#楼5 ~ 20层及23 ~ 37层照明配电干线为例，计算容量已超过500 kW计算电流为1891 A，功率因数取0.8，断路器整定电流2000 A，对这两段干线自低压出线柜至末端的电压损失进行计算，采用查表法，参照《四版手册》

^［3］表9.4-25中查得三相380V母线槽2000A，功率因数0.8电压降为0.017%（A•km），母线槽2500A，功率因数0.8电压降为0.013%（A•km），结果如表7所示。

表7 照明配电干线电压损失

根据计算结果，当A1#楼23~37层低压配电系统干线选用2000A铜母线槽时，电压损失为5. 916％，不能满足规范要求；当选用2500A铜母线槽时，电压损失4. 524％，符合规范要求。故本回路选用表2500A 铜母线槽供电。当A1#楼5 ~ 20层低压配电系统干线选用2000 A铜母线槽时，其线路电压损失3.50％，符合规范要求。

2. 结论及建议

（1）超高层建筑变配电所的选址应是经过反复推敲，详细计算的结果。除要保证安全性、考虑技术合理性、可靠性外，还需结合具体项目特点、业主实际情况、后期运行管理等因素综合分析经济性，才能达到安全可靠、设计合理，经济节能的目的。

（2）对于后期需要LEED(美国绿色建筑协会-绿色能源与环境设计先锋奖)认证的建筑，与国内的规范有很大的不同，其对电压降有强制的要求，如仅仅通过加大线缆截面来满足需要增加很大成本，在变配电所设置应充分电压降的要求。

参考文献：

［1］住房和城乡建设部工程质量安全监管司，中国建筑标准设计研究院.《全国民用建筑工程设计技术措施》（2009）电气［M］.北京：中国计划出版社， 2009.

［2]中国航空工业规划设计研究院.《工业与民用配电设计手册》［M］. 第4版. 北京：中国电力出版社，2016.

［3]中国建筑东北设计研究院. GB51348- 2019《民用建筑电气设计标准》［S］. 北京：中国建筑工业出版社，2019.

［4］中机中电设计研究院有限公司. GB 50053 - 2013 《20 kV 及以下变电所设计规范 》［S］. 北京： 中国计划出版社，2014.

［5］北京市建筑设计研究院有限公司. 《建筑电气专业技术措施》［M］. 第 2 版. 北京：中国建筑工业出版社，2016.

［6］中煤科工重庆设计研究院（集团）有限公司. DBJ50-520-2020 《公共建筑节能（绿色建筑）设计标准》［S］. 重庆： 2020.

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