劉捷

結(jié)合某工程配電系統(tǒng)實(shí)例，就超高層建筑高壓配電系統(tǒng)的一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，包括負(fù)荷等級(jí)及供電要求、10kV主接線系統(tǒng)設(shè)計(jì)、柴油發(fā)電機(jī)組選擇與接線方式等內(nèi)容，從而達(dá)到配電系統(tǒng)安全可靠、經(jīng)濟(jì)節(jié)能的目的。

一、項(xiàng)目概況

本工程為標(biāo)志性城市綜合體，融購物中心、甲級(jí)辦公、高級(jí)酒店、公寓和綜合娛樂等功能于一體。用地面積 3.5萬m2，總建筑面積 50萬m2，地上建筑面積 38萬m2，地下建筑面積 12萬m2，地上建筑由一棟超高層塔樓及商業(yè)附樓組成。

塔樓共 99 層，建筑高度420m，其中1、2層為門廳及大堂、3～8層為商業(yè)、9層為酒店宴會(huì)廳等公共區(qū)，12～30層為辦公，31～80層為公寓、81～99層為酒店客房。

與塔樓相連的商業(yè)附樓共 10 層，建筑高度66m，包含大型商場、餐飲、影院、文化娛樂及其他服務(wù)設(shè)施組成的多種商業(yè)形態(tài)。

地下室共5層，地下一層局部商業(yè)、其余各層為非機(jī)動(dòng)車庫、機(jī)動(dòng)車庫、設(shè)備用房和酒店后場，地下四、五層配建人防工程。

塔樓共設(shè)置 8 個(gè)避難層，屋頂設(shè)有直升機(jī)停機(jī)坪。

二、電源選擇

1.負(fù)荷性質(zhì)

超高層大型城市綜合體對(duì)供電可靠性要求極高，用電設(shè)備以一級(jí)和二級(jí)負(fù)荷為主，其中大型商場、超市和酒店的經(jīng)營和設(shè)備管理用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)用電為一級(jí)負(fù)荷中特別重要負(fù)荷。高度超過250m的建筑，人員密集、火災(zāi)危險(xiǎn)性大、疏散困難，一旦發(fā)生火災(zāi)往往延燒時(shí)間長、救援難度大，需對(duì)消防設(shè)施和供配電系統(tǒng)采取更加嚴(yán)格的措施，加強(qiáng)超高層建筑火災(zāi)時(shí)的自防自救能力。公安部《建筑高度大于250m民用建筑防火設(shè)計(jì)加強(qiáng)性技術(shù)要求（試行）》第二十四條明確消防用電為一級(jí)負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷，需設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急電源。

2.供電電壓等級(jí)

供電電壓的選擇，應(yīng)根據(jù)用電容量、用電設(shè)備特性、供電距離、供電線路的回路數(shù)、公共電網(wǎng)現(xiàn)狀等因素，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，本工程計(jì)算負(fù)荷約為38400kW，10/0.4kV變壓器總裝機(jī)容量為49760kVA，10kV直配冷水機(jī)組3臺(tái)，共3300kW，合計(jì)供電總?cè)萘考s為53400kVA。

根據(jù)供電容量、項(xiàng)目周邊市政電源和線路條件，可采用10kV或110kV兩種接入方式。

方案1：采用110kV接入，自建110/10kV用戶變電站，變電站采用兩路110kV供電， 2臺(tái)25MVA主變，線路變壓器組接線。

方案2：采用多路10kV接入，單路10kV線路最大輸送容量按12000kVA左右考慮，共需8條線路，由附近兩座110kV變電站各引出4路10kV專線。

兩種方案供電可靠性均符合一級(jí)負(fù)荷供電要求。方案1和2潮流計(jì)算合格，電壓、系統(tǒng)短路電流水平滿足運(yùn)行要求。投資規(guī)模對(duì)比，綜合電纜接入、通信遠(yuǎn)動(dòng)、110kV變電站造價(jià)以及其他發(fā)生的費(fèi)用，方案1高于方案2。由于本工程項(xiàng)目用地面積較小，在項(xiàng)目地塊內(nèi)新建用戶110kV變電站難度比較大。

通過上述技術(shù)和經(jīng)濟(jì)分析、比較，最終確定采用8路10kV供電的方案。

三、10kV配電系統(tǒng)

高壓配電系統(tǒng)架構(gòu)和計(jì)量方式、物業(yè)管理范圍的劃分密切相關(guān)，根據(jù)建設(shè)方要求，項(xiàng)目建成后將有三家單位分別負(fù)責(zé)商業(yè)、酒店、辦公(公寓)的管理，各單位配電系統(tǒng)需各自獨(dú)立。據(jù)此，高壓配電采用多10kV配電所系統(tǒng)。商業(yè)、酒店、辦公采用高壓計(jì)量，各配電所10kV進(jìn)線處設(shè)置電業(yè)計(jì)量裝置。公寓為產(chǎn)權(quán)銷售，采用低壓計(jì)量到戶的方式。

商業(yè)部分總裝機(jī)容量為25800kVA，由1#～4#10kV電源供電，設(shè)置兩座10kV配電所，酒店由7#、8#線供電，辦公和公寓由5#、6#線路供電，酒店和辦公各設(shè)置一座10kV配電所。每個(gè)配電所均為兩路電源進(jìn)線，從配電所至各分變電所采用放射式供電，其規(guī)模根據(jù)分變電所數(shù)量確定。

公寓配電系統(tǒng)采用電業(yè)部門計(jì)量到戶方式，其配電系統(tǒng)按照國家電網(wǎng)公司發(fā)布的配電網(wǎng)工程典型設(shè)計(jì)要求，10kV配電系統(tǒng)采用開關(guān)站-變電所方式，開關(guān)站設(shè)有10kV配電進(jìn)出線，向公寓住戶用變電所和公寓公區(qū)變電所供電，公區(qū)變電所高壓側(cè)設(shè)置計(jì)量。

各10/0.4kV分變電所應(yīng)有明確的低壓供電范圍，不宜交叉。在布置上盡量接近負(fù)荷中心，縮短供電距離，減少電纜投資，降低電壓損失和線路損耗，一般低壓配電線路的供電距離不超過250m為宜，因此本工程在地下室和塔樓各功能區(qū)分段避難層設(shè)置多處分變電所。冷凍機(jī)房等大容量設(shè)備機(jī)房設(shè)置專用變電所并貼鄰布置。

為便于塔樓地上各設(shè)備層變壓器的運(yùn)輸和維護(hù)更換，要求設(shè)置貨梯一臺(tái)，載重量為3.5t。額定容量為1250kVA的10kV干式變壓器，其本體重量一般不超過3.5噸，因此塔樓樓層設(shè)置的變壓器容量均不超過1250kVA。

各功能區(qū)分變電所配置情況見表1。

以酒店區(qū)為例，其10kV配電系統(tǒng)主接線如圖1所示。

圖1 酒店10kV配電系統(tǒng)主接線圖

10kV配電所采用分段單母線方式，兩段母線之間設(shè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)。正常工作時(shí)聯(lián)絡(luò)開關(guān)斷開，兩路10kV電源同時(shí)工作、互為備用，分別向兩段母線供電。當(dāng)任一路10kV電源失電后，聯(lián)絡(luò)開關(guān)手動(dòng)或自動(dòng)合閘投入，由另一路電源負(fù)擔(dān)所有重要負(fù)荷，停電側(cè)市電恢復(fù)后，雙路市電恢復(fù)正常運(yùn)行。兩路市電的備用和切換功能由微機(jī)綜合繼電保護(hù)裝置完成。

四、柴油發(fā)電機(jī)組

1.容量選擇

為提高消防用電的可靠性，建筑高度超過250m的超高層建筑消防應(yīng)急電源應(yīng)采用柴油發(fā)電機(jī)組。柴油發(fā)電機(jī)組作為一級(jí)負(fù)荷中特別重要負(fù)荷的應(yīng)急電源，在兩路市電均失電時(shí)投入運(yùn)行，確保所有特別重要負(fù)荷的連續(xù)供電。在不影響應(yīng)急電源配電系統(tǒng)可靠性前提下，應(yīng)急發(fā)電機(jī)組也可以作為某些重要負(fù)荷的備用電源，如為保障建筑基本運(yùn)營條件而需保持連續(xù)供電的保障型負(fù)荷。根據(jù)本工程特點(diǎn)和業(yè)主的要求，柴油發(fā)電機(jī)組供電范圍如表2所示。

表2 柴油發(fā)電機(jī)組供電范圍

柴油發(fā)電機(jī)組容量需按照應(yīng)急負(fù)荷或者備用負(fù)荷中較大者選擇，具體計(jì)算時(shí)，一般按照使用時(shí)段不同即消防和平時(shí)兩種狀態(tài)下進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算。消防狀態(tài)下，除消防負(fù)荷以外，還包括火災(zāi)時(shí)不能停電的部分負(fù)荷：如安防監(jiān)控系統(tǒng)用電、通訊機(jī)房用電、需要繼續(xù)工作的部分地下室排水泵等。平時(shí)停電狀態(tài)下，發(fā)電機(jī)組供電負(fù)荷應(yīng)包括平時(shí)保障負(fù)荷、非消防一級(jí)負(fù)荷中特別重要負(fù)荷以及平時(shí)需要保持運(yùn)行的消防設(shè)備，如消控室、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)備等。

民用建筑柴油發(fā)電機(jī)組容量選擇一般按照下述方法進(jìn)行計(jì)算，并取其中較大者：

（1）按穩(wěn)定負(fù)荷計(jì)算柴油發(fā)電機(jī)容量。

（2）按最大的單臺(tái)電動(dòng)機(jī)或成組電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的需要，計(jì)算發(fā)電機(jī)容量。

（3）按啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)，發(fā)電機(jī)母線允許電壓降計(jì)算柴油發(fā)電機(jī)容量。

具體計(jì)算方法可參見《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊》第四版相關(guān)章節(jié)，本文從略。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，選用三臺(tái)應(yīng)急備用功率為2000KW的柴油發(fā)電機(jī)組。

2.額定電壓選擇

考慮到以下因素，本工程選擇10kV柴油發(fā)電機(jī)組：

（1）建筑高度已超過400m，而且柴油發(fā)電機(jī)房受防火要求、通風(fēng)條件限制，往往布置在地下室靠外墻部位，配電干線水平傳輸距離較長，本工程發(fā)電機(jī)電源最遠(yuǎn)配電距離將近600m，采用0.4kV機(jī)組時(shí)，其線路壓降、末端短路電流保護(hù)靈敏度等均不能滿足要求。備用運(yùn)行時(shí)，線路損耗大大增加，配電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性較差。

表1 各分變電所變壓器設(shè)置

圖2 發(fā)電機(jī)組和市電切換接線方案

（2）考慮三臺(tái)發(fā)電機(jī)組并列運(yùn)行，可以合理分配機(jī)組負(fù)載，運(yùn)行靈活，提高發(fā)電機(jī)組的效率。減小負(fù)載突增的沖擊，使每臺(tái)機(jī)組如采用0.4kV發(fā)電機(jī)組，單臺(tái)機(jī)組最大輸出電流為3608A，三臺(tái)并機(jī)后電流在10000A以上。對(duì)于低壓產(chǎn)品，目前0.4kV配電柜和斷路器的最大額定電流均不超過6300A，對(duì)應(yīng)發(fā)電機(jī)組總?cè)萘考s為3200kW。因此，當(dāng)并機(jī)后總?cè)萘坎淮笥?200kW時(shí)，才可選擇0.4kV機(jī)組。

3.供電方案

柴油發(fā)電機(jī)組和市電切換點(diǎn)的選擇分為兩種情況：

（1）在10kV配電所處和市電切換。

（2）在各分變電所變壓器進(jìn)線處切換。

第一種方式，發(fā)電機(jī)組出線回路最少，切換和配電裝置少，造價(jià)較低。但是風(fēng)險(xiǎn)集于一處，一旦發(fā)生故障，就影響到該配電所供電的所有場所的應(yīng)急電源供電。另外，該方案不能保證應(yīng)急電源線路的專有性，《建筑高度大于250m民用建筑防火設(shè)計(jì)加強(qiáng)性技術(shù)要求（試行）》第二十四條規(guī)定：柴油發(fā)電機(jī)組的消防供電回路應(yīng)采用專用線路連接至專用母線段，該切換方式，無法滿足這一規(guī)定。

第二種方案，多點(diǎn)切換，風(fēng)險(xiǎn)分散，可靠性提高，故障時(shí)只影響一處變電所的應(yīng)急供電，影響范圍減小。缺點(diǎn)是發(fā)電機(jī)組出線回路和配電裝置多，造價(jià)較高。采用此方案時(shí)，發(fā)電機(jī)組對(duì)每個(gè)變電所配出兩條回路，其中一條為消防專用回路，另一條為保障負(fù)荷供電，同時(shí)，低壓側(cè)設(shè)置消防專用母線段，采用和非消防負(fù)荷分組設(shè)計(jì)的方案，可滿足專用線路和專用母線段的規(guī)定。

發(fā)電機(jī)組和市電切換接線方案如圖2所示。

4.運(yùn)行方式

本工程10kV市電和發(fā)電機(jī)電源的切換采用成套電源自動(dòng)切換裝置（ATSE）。當(dāng)ATSE檢測到變電所兩路10kV市電均失電后，發(fā)電機(jī)組延時(shí)啟動(dòng)，當(dāng)ATSE檢測到發(fā)電機(jī)側(cè)正常帶電后，自動(dòng)切換到發(fā)電機(jī)側(cè)，從而保持供電連續(xù)性。當(dāng)市電恢復(fù)后，手動(dòng)或者自動(dòng)切換到市電供電狀態(tài)，發(fā)電機(jī)組經(jīng)延時(shí)停機(jī)。

五、結(jié)語

超高層大型城市綜合體供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容十分廣泛，本文僅針對(duì)高壓配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行討論。對(duì)于電源和供電方案的選擇需仔細(xì)分析、充分論證，才能保證建筑高效、安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。