傅勇平 朱亮亮

（1.香港華藝設(shè)計(jì)顧問（深圳）有限公司，深圳 518031；2.重慶市設(shè)計(jì)院，重慶 450000）

近年來，全國各地大量涌現(xiàn)超高層建筑，幾乎都成為當(dāng)?shù)爻鞘械闹匾獦?biāo)志。但是，超高層建筑人員密集，機(jī)電設(shè)備多，用電負(fù)荷大，對(duì)電能質(zhì)量及用電可靠性要求高，對(duì)消防用電也有更高的要求，同時(shí)由于超高層建筑面積大（一般在20萬平米以上），對(duì)超高層建筑的使用及管理要求有也更高，這就給超高層建筑的電氣設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)。筆者有幸負(fù)責(zé)深圳及天津兩處建筑高度200米以上的超高層建筑的電氣設(shè)計(jì)，現(xiàn)將設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的一些問題及采取的措施整理出來，與同行分享及探討。

中壓供電方式

中壓供電等級(jí)由建筑物所在的城市決定，例如深圳中心區(qū)采取10KV供電，天津大型建筑采用35kV供電，蘇州工業(yè)園區(qū)采用20kV供電等。不同的電壓等級(jí)相應(yīng)每路電源的容量不同，要求進(jìn)線回路數(shù)也可能不同，下面以35kV及10kV供電加以說明。

1.35kV 供電：

天津的超高層建筑采用35kV供電時(shí)，超高層建筑通常由2路獨(dú)立的35kV電源，兩路電源互為備用，單母線分段帶聯(lián)絡(luò)開關(guān)。筆者設(shè)計(jì)的項(xiàng)目采用35kV直接降至0.4kV，可以減少35/10kV及10kV/0.4的多級(jí)轉(zhuǎn)換帶來的設(shè)備投資增加及設(shè)備房占用面積的增加，35kV供電每個(gè)供電回路可帶用電負(fù)荷容量也加大(例630A的出線開關(guān)，35kV供電負(fù)荷可達(dá)38MVA，10kV供電負(fù)荷不到 11MVA)，因此兩個(gè)35kV供電回路基本可滿足要求，具體線路如下圖：

圖1 35kV供電系統(tǒng)圖

2.10kV 供電：

深圳中心區(qū)由于采用10kV供電方式，考慮到10kV區(qū)域變電站每個(gè)回路容量及出線情況，采用了圖2的方式供電：進(jìn)線采用3路10kV電源供電。系統(tǒng)有下列四種運(yùn)行方式：（1）正常運(yùn)行時(shí)，兩路主供電源(1DL、2DL))同時(shí)供電，負(fù)荷均衡分配，聯(lián)絡(luò)開關(guān)斷開，備用電源(3DL)熱備用；（2）當(dāng)其中1路主供電源失電時(shí)，該路電源與備用電源間的聯(lián)絡(luò)開關(guān)自動(dòng)投入，當(dāng)失壓電源回路恢復(fù)電壓時(shí)，手動(dòng)斷開聯(lián)絡(luò)開關(guān)，手動(dòng)合上已恢復(fù)供電回路的電源開關(guān)，轉(zhuǎn)換成正常情況下的供電方式；（3）當(dāng)兩路主供電源均停電，10DL聯(lián)絡(luò)開關(guān)自動(dòng)投入，備用電源供電；（4）當(dāng)其中1路主供電源失壓，同時(shí)備供電源失壓，另1路主供電源供電，該側(cè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)保持?jǐn)嚅_。

圖2 10kV供電系統(tǒng)圖

二、變電所的設(shè)置及設(shè)備的垂直運(yùn)輸

超高層建筑變電所設(shè)置需要考慮到以下三個(gè)方面：

1.超高層建筑地下室層數(shù)一般都會(huì)超過1層以上，考慮到首層面積的商業(yè)價(jià)值，變配電房考慮在地下一層設(shè)置，既可以解決洪水時(shí)浸水的問題，同時(shí)不占用首層價(jià)值商業(yè)面積。

2.建筑高度超過150米的超高層建筑，應(yīng)考慮在上部的避難層設(shè)變配電房。可以有效解決電能質(zhì)量的問題（根據(jù)甲級(jí)寫字樓的標(biāo)準(zhǔn)，穩(wěn)態(tài)電源偏差不大于±2%），同時(shí)避免大量的電纜及母線從地下一層穿過電井到頂層，從而減少管井面積，節(jié)約電纜投資，同時(shí)也可以減少電纜使用中電能的損耗。

3.要考慮避難層變配電房變壓器的運(yùn)輸問題，包括首次吊裝運(yùn)輸及日后更換運(yùn)輸：

（1）盡量利用現(xiàn)有的電梯（消防電梯/貨梯）運(yùn)輸。筆者設(shè)計(jì)的深圳超高層項(xiàng)目，貨梯（兼消防梯）運(yùn)輸重量2.5噸，避難層變壓器選擇SGB-R-10/0.4-1000kVA的變壓器，鐵芯材料為卷鐵芯（R型），線圈絕緣為H級(jí)絕緣（SGB型），不帶保護(hù)罩重量小于2.4噸，用貨梯可以很好的解決運(yùn)輸問題，當(dāng)然用SCB-10/0.4-1000kVA(線圈為樹脂C級(jí)絕緣、鐵芯為疊加片式)型變壓器重量近3噸，直接用貨梯運(yùn)輸就有問題。

（2）利用電梯井道運(yùn)輸。本人設(shè)計(jì)的天津超高層項(xiàng)目，貨梯（兼消防梯）運(yùn)輸重量2.5噸，由于采用35kV供電，考慮避難層的面積等問題，變壓器臺(tái)數(shù)受到限制，避難層選用35/0.4-800kVA的變壓器，不帶保護(hù)罩重量大于3.5噸，變壓器的更換考慮用專業(yè)的吊裝設(shè)備從電梯井道內(nèi)吊裝到避難層的配電房內(nèi)。這種方法要臨時(shí)安裝吊裝設(shè)備，施工工序比較麻煩。

（3）把變壓器拆分后到避難層安裝。對(duì)于鐵芯為疊片式的變壓器，按國家標(biāo)準(zhǔn)要求在車間安裝測試后，把疊片鐵芯拆開，線圈及鐵芯分別用電梯運(yùn)輸至避難層變配電房，把安裝工具及變壓器檢測設(shè)備運(yùn)至避難層配電房內(nèi)，將干式變壓器重新組裝。按照變壓器運(yùn)行前規(guī)定的要求,作驗(yàn)收試驗(yàn),內(nèi)容包括.1.直流電阻；2.絕緣電阻；3.變比；4.工頻耐壓；5.空載試驗(yàn)。此方法比用電梯井運(yùn)輸方便。據(jù)資料珠海的華力通在廣州及深圳的多個(gè)大的樓盤使用此方法安裝運(yùn)輸。當(dāng)然此方法不適合鐵芯不能拆開的卷鐵芯變壓器。

三、自備發(fā)電機(jī)的電壓選擇及設(shè)置

1.電壓選擇：

建筑高度超過250米高的建筑，當(dāng)?shù)蛪海?.4kV）發(fā)電機(jī)組在地下一層設(shè)置時(shí)，頂層用電設(shè)備的電壓需要作電壓降校驗(yàn)及短路電流校驗(yàn)，當(dāng)超過電壓要求時(shí)，這時(shí)高區(qū)的應(yīng)急電源要考慮用中壓(10kV)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)組。由于中壓發(fā)電機(jī)需設(shè)在地下層，10kV電纜通過電井敷設(shè)到高區(qū)的配電房內(nèi)，通過變壓器轉(zhuǎn)換為低壓（0.4kV）電源。接入高區(qū)配電房的應(yīng)急母線段。低壓(0.4kV)應(yīng)急電纜或母線改為中壓（10kV）供電,可以節(jié)省大量到高區(qū)配電房的低壓電纜或母線，缺點(diǎn)就是在高區(qū)增設(shè)相應(yīng)的變壓器。當(dāng)然對(duì)于低區(qū)變配電房的應(yīng)急電源還是采用低壓（0.4kV）發(fā)電機(jī)組供電。

2.柴油發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)條件：

一般的設(shè)計(jì)都是要求給一級(jí)負(fù)荷供電的兩臺(tái)變壓器母線均停電時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)，這種要求沒有把柴油發(fā)電機(jī)組充分利用。對(duì)于3路10kV供電的情形(圖2)，當(dāng)2路電源同時(shí)失電時(shí)，應(yīng)要求發(fā)電機(jī)啟動(dòng)，由發(fā)電機(jī)組帶一級(jí)負(fù)荷，同時(shí)通過電力監(jiān)控系統(tǒng)減少部分空調(diào)、通風(fēng)、采暖負(fù)荷，兩兩聯(lián)絡(luò)的變壓器聯(lián)絡(luò)開關(guān)合上，由另外1路電源帶所有的低壓配電柜的所有負(fù)荷。這種方法充分利用了發(fā)電機(jī)的電力，減少了一般電力的停電范圍，具體見圖3。

圖3 發(fā)電機(jī)啟動(dòng)條件圖 (當(dāng)其中1路10kV失電時(shí)發(fā)電機(jī)啟動(dòng))

四、EPS供電時(shí)間(用于應(yīng)急照明)的確定

關(guān)于超高層建筑應(yīng)急照明的供電持續(xù)時(shí)間，很多同行根據(jù)整個(gè)建筑的高度重新計(jì)算，疏散時(shí)間可能要1小時(shí)或2小時(shí)，以此推導(dǎo)出EPS的持續(xù)供電時(shí)間。筆者對(duì)這個(gè)觀點(diǎn)有不同的看法，超高層建筑在設(shè)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)的情況下，第二路電源為柴油發(fā)電機(jī)組(暫且把2路35KV或10KV電源當(dāng)成第一電源)，但柴油發(fā)電機(jī)作為應(yīng)急照明的供電轉(zhuǎn)換時(shí)間不能滿足規(guī)范要求的5秒要求(見《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范 JGJ16-2008》13.8.5條)，增加EPS電源，在應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)并穩(wěn)定供電后，EPS電源退出供電。理論上說EPS電源的持續(xù)供電時(shí)間滿足發(fā)電機(jī)啟動(dòng)前的轉(zhuǎn)換時(shí)間就可以。同時(shí)EPS電源為消耗品，即使一直處于備用的情況下，也是有一定的使用壽命 (一般鉛酸免維護(hù)電池使用壽命5～10年)，對(duì)新電池的生產(chǎn)及舊電池的處理都會(huì)對(duì)環(huán)境造成很大的污染，不時(shí)可以從媒體上看到電池廠發(fā)生鉛中毒或鉛污染的事件就可說明污染的問題。

考慮到EPS電源的衰減及其他不確定因素，EPS電源按10分鐘設(shè)置。EPS電源作為發(fā)電機(jī)啟動(dòng)前的轉(zhuǎn)換電源，10分鐘完全可以滿足要求。

五、豎向配電干線設(shè)計(jì)

對(duì)于一般的高層建筑，豎向配電盡量用母線供電，來滿足不同樓層用戶用電可能的負(fù)荷變化。特別對(duì)于裙房的商業(yè)，由于功能很不確定，利用母線可以很好的解決二裝的功能變化問題，母線的載流量要考慮低壓柜開關(guān)出線連接的方便，以不超過1600A為宜。

對(duì)于超高層建筑來說，會(huì)有新的問題出現(xiàn)，超高層建筑遇到強(qiáng)風(fēng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)左右晃動(dòng)，而且幅度會(huì)比一般樓大，只是這種晃動(dòng)一般人用肉眼很難發(fā)現(xiàn)，例如深圳的標(biāo)志性建筑地王大廈地面和建筑物頂部水平振幅可以達(dá)到0.8米，這時(shí)在設(shè)計(jì)上要考慮采用電纜連接銅母線槽配電的方式，以減低超高層建筑物在搖擺時(shí)對(duì)銅母線槽接駁組件位置的拉扯壓力，減少發(fā)生故障及維修的機(jī)會(huì)，也相對(duì)地增加了主干系統(tǒng)的壽命。

六、諧波治理及電抗器的選擇

諧波源及諧波抑制措施與一般的辦公樓沒有原則的區(qū)別，用電設(shè)備以單相設(shè)備為主，使用2脈沖裝置，如電腦、顯示器、單相的UPS、帶電子整流器的節(jié)能燈，此類設(shè)備會(huì)產(chǎn)生 3、5、7…(3次及以上諧波)，并以 3 次諧波為主。此外還會(huì)有一些三相整流設(shè)備如弱電機(jī)房(中心計(jì)算機(jī)房、電信機(jī)房等)的UPS電源、電梯變頻器、變頻空調(diào)、變頻水泵等，此類會(huì)產(chǎn)生 5、7、9…(5 次及以上諧波)，并以 5 次諧波為主。

在盡量控制諧波源的情況下，首先在低壓配電柜設(shè)置調(diào)諧濾波電容器組，要求XL=14%XC，抑制3次及以上的諧波。同時(shí)在諧波污染嚴(yán)重的中心計(jì)算機(jī)房、電信機(jī)房(UPS為在線式工作)等弱電機(jī)房設(shè)置有源濾波器，實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

七、浪涌保護(hù)器設(shè)置時(shí)應(yīng)注意的問題

超高層建筑一般為總部辦公樓、證券中心等，雷電防護(hù)等級(jí)應(yīng)在B級(jí)及以上，除在變壓器出線、各層總配電箱設(shè)置電源線路浪涌保護(hù)器（SPD）外，在各樓層交換機(jī)房(綜合布線設(shè)備間)、計(jì)算機(jī)房、通訊機(jī)房等弱電機(jī)房需設(shè)置電源線路浪涌保護(hù)器及信號(hào)線路浪涌保護(hù)器。

上述電源線路及信號(hào)線路浪涌保護(hù)器（SPD）數(shù)量繁多，經(jīng)過長時(shí)間的使用雷擊后，僅在設(shè)備現(xiàn)場顯示劣化及劣化程度顯然不能滿足管理的要求，靠人力進(jìn)行設(shè)備巡檢、評(píng)估和維護(hù)耗時(shí)費(fèi)力，也帶來了安全隱患。對(duì)于上述問題，筆者在超高層建筑設(shè)置總線式智能化的浪涌保護(hù)器，可以對(duì)SPD的使用情況進(jìn)行在線跟蹤，并對(duì)劣化情況進(jìn)行分析、報(bào)警，以便及時(shí)更換。

八、弱電消防設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題

從規(guī)范上講，超高層建筑的火災(zāi)聯(lián)動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，跟普通建筑的報(bào)警系統(tǒng)沒有根本的區(qū)別。但由于超高層建筑火災(zāi)時(shí)的特點(diǎn)，在投資增加不多的情況下，應(yīng)該考慮完善下面的功能：

1.主動(dòng)抽氣式煙霧探測系統(tǒng)的設(shè)置：

火災(zāi)的發(fā)生，從醞釀到產(chǎn)生高熱大火，一般經(jīng)歷4個(gè)階段：悶燃、可見煙、閃燃和高熱大火階段，傳統(tǒng)的火災(zāi)探測器在第2個(gè)階段才能探測到火災(zāi)情況。抽氣式煙霧探測系統(tǒng)，在極早期就能對(duì)空氣進(jìn)行采樣，對(duì)粒子進(jìn)行分析，其探測靈敏度高（0.005%～20%obs/m），探測范圍寬，可以幫助我們?cè)诨馂?zāi)的第1階段（悶燃階段）發(fā)現(xiàn)火災(zāi)并采取行動(dòng)。由于超高層建筑特殊性，發(fā)生火災(zāi)時(shí)只有靠大樓本身自救，而現(xiàn)有大樓的自救設(shè)備中幾乎都離不開電力，如果供電系統(tǒng)出線中斷，以電力為動(dòng)力能源的消防設(shè)備幾乎不能運(yùn)行，所以變配電房要考慮設(shè)置主動(dòng)抽氣式煙霧探測系統(tǒng)。主動(dòng)抽氣式煙霧探測系統(tǒng)還適合設(shè)置于網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)房等其他重要機(jī)房、檔案室等處。把抽氣式煙霧探測器上的4級(jí)報(bào)警信號(hào)接入傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警的輸入模塊中，不設(shè)專門的主動(dòng)抽氣式煙霧探測主機(jī)，在達(dá)到要求的前提下減少投資。

2.增加電纜溫度的測量：

超高層建筑電氣豎井內(nèi)豎向配電容量大，干線電纜多。由于長期過載或電纜接頭質(zhì)量問題，電纜容易長期處于高溫狀態(tài)，是火災(zāi)的重要隱患。此部位溫度檢查可以采用下列的方法:a.纜式感溫探 測器，把感溫電纜在電纜橋架上安裝，根據(jù)檢查溫度報(bào)警。b.利用剩余電流動(dòng)作報(bào)警系統(tǒng)，增加電纜溫度傳感器（圖4），把一級(jí)及二級(jí)所有配電箱的漏電電流及電纜溫度同時(shí)傳送到剩余電流動(dòng)作報(bào)警系統(tǒng)中。第二種方法檢測點(diǎn)數(shù)多，檢測溫度范圍大，一般產(chǎn)品都能達(dá)到25～150OC,可根據(jù)不同的電纜類別設(shè)置報(bào)警溫度，同一電纜也可進(jìn)行多溫度報(bào)警，對(duì)長期處于臨界溫度運(yùn)行的電纜進(jìn)行分析，找出原因。同時(shí)利用了剩余電流動(dòng)作報(bào)警系統(tǒng)，投資更加節(jié)省。

圖4 增加了電纜溫度測量的電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)

節(jié)能設(shè)計(jì)問題

1.照明燈具選擇：

設(shè)計(jì)采用了高效能的T5節(jié)能熒光管，它的特點(diǎn)是把電能轉(zhuǎn)化為光能的效果比較好，比起以前那些T8、T10的熒光管，T5熒光管將在日后使用過程當(dāng)中發(fā)揮更好的節(jié)能效應(yīng)。

2.照明控制：

超高層建筑公共照明區(qū)域大，燈具繁多，靠人工管理是不現(xiàn)實(shí)的。公共區(qū)域如大會(huì)議廳、室外泛光照明、室外LED顯示屏、公共走道、大堂等的燈具采用總線(BUS總線)控制技術(shù)控制，可根據(jù)時(shí)間及管理的不同要求對(duì)相應(yīng)的燈具開關(guān)進(jìn)行自動(dòng)控制（也可現(xiàn)場控制）避免長明燈及節(jié)約能源。

3.能源管理系統(tǒng)：

超高層建筑同時(shí)也是能耗大戶，傳統(tǒng)的水、電、氣、熱量是分別進(jìn)行計(jì)量計(jì)數(shù)，這種方法不能滿足超高層建筑節(jié)能的要求。超高層建筑設(shè)置能源管理系統(tǒng)，是對(duì)抄表數(shù)據(jù)進(jìn)行后期管理和服務(wù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析建筑設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。實(shí)際上，能源管理系統(tǒng)不僅是數(shù)據(jù)收集，而是應(yīng)該經(jīng)提升到判斷、評(píng)估這樣的能耗智能識(shí)別的功能。并提供各種類型的報(bào)表，為節(jié)約節(jié)能提供決策依據(jù)。

結(jié)語

超高層建筑的機(jī)電設(shè)計(jì)是各個(gè)專業(yè)協(xié)調(diào)配合的過程，例如變壓器容量的選擇就要考慮電梯的載重，機(jī)房的位置要考慮層高等。同時(shí)在設(shè)計(jì)中還要考慮投資成本等，只有這樣設(shè)計(jì)成果才能獲得認(rèn)同。

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[2]GB/T50314-2006.智能建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].

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[4]GB 21714.2-2008，雷電防護(hù)第2部分：風(fēng)險(xiǎn)管理[S].

[5]中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:中國電力出版社,2005.