陳旭

合肥濱湖投資控股集團(tuán)有限公司 安徽 合肥 230000

引言

電力供應(yīng)是助力建筑功能發(fā)揮的關(guān)鍵所在，尤其是對(duì)高層建筑而言，相較于普通建筑，無(wú)論在用電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，還是電力需求特征方面，均更加復(fù)雜多變，這對(duì)建筑電氣工程供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)也提出了更高要求?；诖耍斜匾訌?qiáng)對(duì)高層建筑電氣工程供配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，從而不斷提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的科學(xué)合理性，在滿足高層建筑供配電要求的同時(shí)，保障電力供應(yīng)的安全穩(wěn)定性，促使高層建筑能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高人們的居住體驗(yàn)。

1 工程概況

現(xiàn)有某高層建筑工程，總建筑面積為42805.37m，總層高為17層，地上15層，地下2層，建筑整體高度為59.46m。建筑整體結(jié)構(gòu)形式為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)使用年限為50年，建筑耐火等級(jí)地上與地下都是一級(jí)。在電源供應(yīng)方面，在地下1層西側(cè)，設(shè)置有高壓分支室，電源等級(jí)為10kV電源，分為兩路同時(shí)供電，且都是直接從城市電網(wǎng)之中引入。該建筑工程的負(fù)荷等級(jí)如下：消防電梯、應(yīng)急照明系統(tǒng)等消防用電為1級(jí)負(fù)荷。除此之外，生活水泵、客用電梯等也是1級(jí)負(fù)荷，余下用電設(shè)施為3級(jí)負(fù)荷。在本高層建筑工程中，防雷與接地系統(tǒng)采用了三類防雷建筑物設(shè)計(jì)方式，同時(shí)接地采用了等電位方式進(jìn)行聯(lián)結(jié)。該建筑工程屬于典型的高層建筑，本身用電量較大，且整體的用電系統(tǒng)構(gòu)成也比較復(fù)雜，對(duì)電力供應(yīng)穩(wěn)定安全性有著非常高的要求。除此之外，由于該高層建筑在完工后，需要進(jìn)行對(duì)外出租或以及售賣(mài)，受此影響，部分建筑區(qū)域還需要進(jìn)行二次深化設(shè)計(jì)，因此在實(shí)際進(jìn)行供配電系統(tǒng)一次設(shè)計(jì)的過(guò)程中，還需要在面臨負(fù)荷不確定的挑戰(zhàn)。以下是對(duì)該高層建筑供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的具體實(shí)踐分析。

2 高層建筑電氣工程供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

2.1 負(fù)荷計(jì)算與無(wú)功率補(bǔ)償設(shè)計(jì)

在本工程中，包含多種負(fù)荷類型，比如有380V現(xiàn)象三相用電設(shè)備，比如空調(diào)機(jī)組、水泵設(shè)備等，還有220單相用電設(shè)備，比如照明系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)盤(pán)管等。上述用電設(shè)備都需要布置在地下1層的變配電室負(fù)責(zé)供電，供電方式為220V/380 V放射式與樹(shù)干式結(jié)合方式。高層建筑中的設(shè)備用電負(fù)荷，除了由設(shè)備廠家提供相應(yīng)的負(fù)荷數(shù)據(jù)以外，還可以采用單位面積功率法進(jìn)行估算,具體可采用以下公式：

在（1）式中，S代表的是建筑面積，Pe′代表的是辦公樓單位面積功率，一般可取值為30至100W/m2。

在負(fù)荷分級(jí)方面，通過(guò)上文可知，本建筑工程負(fù)荷主要由1級(jí)負(fù)荷與3級(jí)負(fù)荷組成。其中前者對(duì)供電穩(wěn)定性與安全性要求較高，需要兩個(gè)電源同時(shí)負(fù)責(zé)供電。針對(duì)一些非常重要的負(fù)荷，比如消防應(yīng)急照明系統(tǒng)等，還需要額外配置緊急電源。后者對(duì)供電穩(wěn)定安全性要求并不是特別高，因此只需要進(jìn)行單路供電即可滿足負(fù)荷要求。

在計(jì)算電氣負(fù)荷時(shí)，首先，需要結(jié)合該建筑工程實(shí)際情況，將負(fù)荷分為三類。一是照明負(fù)荷，二是平時(shí)消防負(fù)荷，三是動(dòng)力負(fù)荷[1]。最后采用系數(shù)法（相應(yīng)的計(jì)算公式如表1所示），結(jié)合工程實(shí)際負(fù)荷數(shù)據(jù)，完成上述負(fù)荷的計(jì)算。最后，對(duì)這些負(fù)荷數(shù)據(jù)在進(jìn)行整合，完成變配電室總負(fù)荷的計(jì)算。當(dāng)建筑工程發(fā)生火災(zāi)時(shí)，由于需要切除動(dòng)力負(fù)荷以及正常照明負(fù)荷，再加上本工程沒(méi)有二級(jí)負(fù)荷，因此只考慮一級(jí)負(fù)荷計(jì)算。通過(guò)求和計(jì)算，最終得出該建筑工程在無(wú)功功率補(bǔ)償前，總負(fù)荷為4098kW，無(wú)功計(jì)算功率為2568kVar，功率因數(shù)為0.84。除此之外，還需要計(jì)入同時(shí)系數(shù)，因此最終的功率因數(shù)計(jì)算值為0.83，整體數(shù)值偏低，還需要進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，最終得到的功率因數(shù)為0.95，即需要補(bǔ)償1200kvar。而在本工程中，變壓器高壓側(cè)總負(fù)荷為3184kW，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，可配置2臺(tái)容量為2000kVA的變壓器，無(wú)功補(bǔ)償?shù)墓β蕿?200kvar。在后續(xù)加裝無(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)備時(shí)，可采用并聯(lián)變?nèi)萜鞣绞竭M(jìn)行補(bǔ)償，用于提升該高層建筑的功率因數(shù)。關(guān)于補(bǔ)償容量計(jì)算，可采用以下公式：

表1 負(fù)荷計(jì)算公式

2.2 供配電系統(tǒng)一次接線設(shè)計(jì)

首先，在電壓選擇方面，由于本高層建筑采用了雙電源供電方式，有功計(jì)算總負(fù)荷為3088kW，用電設(shè)備的額定電壓包括兩種，一是380V電壓，二是220V電壓，低壓配單距離要求在150m以內(nèi)，因此在變配電室設(shè)計(jì)方面，采用了10/0.38gkv容量的變配電室。同時(shí)為保障整體的電能質(zhì)量，還采用了以下設(shè)計(jì)方法要點(diǎn)：①采用的三相配電變壓器的聯(lián)結(jié)組別為“D，yn11”，同時(shí)還采用了±5無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓分接頭；②為有效降低諧波的影響，本次設(shè)計(jì)選擇在補(bǔ)償電容器上連接調(diào)諧電抗器；③在電纜選用方面，采用了銅芯電纜，因?yàn)檫@種電纜的電阻率更小，同時(shí)適當(dāng)增加了電纜截面積，從而有效降低了線損[2]。在主照明電源線路設(shè)計(jì)方面，采用了三相供電方式，有利于降低電壓損失。

另一方面，在變壓器選擇方面。在本工程中，視在負(fù)荷為3176KVA（cosφ=0.095），1級(jí)負(fù)荷為283.46kVA，沒(méi)有二級(jí)負(fù)荷。并且在本工程中，照明負(fù)荷對(duì)電壓質(zhì)量沒(méi)有一些比較特別的要求，因此無(wú)須在照明負(fù)荷之中專門(mén)設(shè)進(jìn)行電壓器配置[3]。因此本工程采用了兩臺(tái)容量相同的變壓器，且動(dòng)力負(fù)荷與照明負(fù)荷由同一個(gè)變壓器承載。按照變壓器負(fù)載率65%進(jìn)行計(jì)算，那么每臺(tái)變壓器負(fù)載為3176×65%=2064.4kVA。因此在選擇變壓器時(shí)，需要按照2064.4容量進(jìn)行選擇，同時(shí)注意電壓器最低容量不低于1級(jí)負(fù)荷283.46kVA。因此本次選擇了2臺(tái)型號(hào)為SCB-2000KVA干式變壓器。

2.3 變配電室電氣主接線設(shè)計(jì)

首先是高壓電氣主接線設(shè)計(jì)。通過(guò)上文敘述可知，在本工程中，變配電室內(nèi)配備有2臺(tái)變壓器，并從城市電網(wǎng)中加入了兩路10kV外電源進(jìn)行供電。為進(jìn)一步提高變壓器供電的安全性與穩(wěn)定性，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)高壓側(cè)電氣主接線設(shè)計(jì)，采用了單母線分段形式。在本工程中，由于選擇的變壓器為SCB-2000KVA干式變壓器，本身有著較大的容量，為保障變壓器運(yùn)行安全，本次采用了真空斷路器作為變壓器主開(kāi)關(guān)，同時(shí)采用了型號(hào)為KYN28-12的中置柜作為高壓柜[3]。高壓柜在實(shí)際布置時(shí)，采用了面對(duì)面布置方式。同時(shí)嚴(yán)格按照供電部門(mén)的相關(guān)規(guī)定，在電源進(jìn)線柜布置方式，第1臺(tái)設(shè)置為隔離柜，第2臺(tái)則設(shè)置為進(jìn)線柜，第3臺(tái)則設(shè)置為計(jì)量柜。與此同時(shí)，在進(jìn)線柜與進(jìn)線隔離柜之間，還加裝了電氣聯(lián)鎖，從而有效避免在帶負(fù)荷操作時(shí)，發(fā)生隔離手車(chē)的問(wèn)題。

然后是低壓電氣主接線設(shè)計(jì)。在變配電室中，由于配置有2臺(tái)變壓器，因此針對(duì)低壓配電系統(tǒng)主接線設(shè)計(jì)，同樣采用了單母線分段接線形式，并在母線兩端，配置了專門(mén)的聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)。在變壓器正常運(yùn)行的情況下，母聯(lián)斷路器處于斷開(kāi)狀態(tài)，兩臺(tái)變壓器因此能夠分列運(yùn)行。如同其中一臺(tái)變壓器發(fā)生了故障問(wèn)題，可以采用自動(dòng)投入或手動(dòng)投入方式開(kāi)啟聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，從而由另一臺(tái)變壓器負(fù)責(zé)確保高層建筑重要負(fù)荷的運(yùn)行，因此2臺(tái)變壓器可以互為備用。在開(kāi)關(guān)柜選型與配置方面，針對(duì)母聯(lián)斷路器、低壓進(jìn)線斷路器等，均采用了空氣式斷路器。針對(duì)低壓配電屏，考慮到操作的方便性，配置了抽出式開(kāi)關(guān)柜。在正常運(yùn)行時(shí)，為避免兩臺(tái)變壓器發(fā)生并聯(lián)運(yùn)行的故障問(wèn)題，選擇在變壓器低壓側(cè)，設(shè)置了電氣聯(lián)鎖，從而無(wú)論遭遇何種情況，都只能合其中兩臺(tái)低壓斷路器，避免變壓器之間發(fā)生并聯(lián)問(wèn)題。

最后，還需要做好低壓帶電導(dǎo)體系統(tǒng)設(shè)計(jì)。對(duì)單相與三相設(shè)備混合的混合配電線路而言，其中的單相設(shè)備，設(shè)計(jì)了三相配電干線，采用的是三相四線制；而對(duì)單相設(shè)備配電支線路，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了能夠達(dá)到在三相系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)荷均勻分配的目標(biāo)，采用了單相三線制。在系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)方面，由于本高層建筑屬于TN-S系統(tǒng)，因此針對(duì)電氣設(shè)備外露金屬部分，需要采用PE線連接系統(tǒng)的接地點(diǎn)，從而保證TN-S系統(tǒng)運(yùn)行安全。

除此之外，關(guān)于低壓配電干線系統(tǒng)接線的設(shè)計(jì)，在本高層建筑之中，由于主要用于寫(xiě)字辦公，因此需要將照明負(fù)荷與動(dòng)力負(fù)荷進(jìn)行分開(kāi)配置[4]。為了便于對(duì)上述兩種負(fù)荷進(jìn)行統(tǒng)一的管理，針對(duì)消防用電設(shè)備，需要專門(mén)設(shè)計(jì)成為獨(dú)立的消防系統(tǒng)，從而一旦后續(xù)出現(xiàn)火災(zāi)安全事故，能夠保障消費(fèi)電力供應(yīng)的穩(wěn)定性。與此同時(shí)，在低壓配電干線設(shè)計(jì)方面，為滿足消費(fèi)安全電力穩(wěn)定供應(yīng)，采用了放射式和樹(shù)干式相結(jié)合的配電方式。

2.4 外部防雷裝置設(shè)計(jì)

在本高層建筑中，針對(duì)外部防雷裝置的設(shè)計(jì)，主要包括了以下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)要點(diǎn)：一是針對(duì)接閃器，本次設(shè)計(jì)選擇在屋頂之中采用鍍鋅圓鋼作為避雷帶，鋼材直徑為10mm。同時(shí)在屋頂之中，還設(shè)置有避雷連接線網(wǎng)格。具體規(guī)格在18×19m，避雷網(wǎng)采用了樓板鋼筋[5]。二是針對(duì)該高層建筑屋頂凸起金屬物品，比如金屬屋面、屋架、通風(fēng)管等，直接與避雷帶進(jìn)行連接。由于該建筑高度較高，為更好地應(yīng)對(duì)側(cè)擊雷帶來(lái)的影響，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)樓高30m以上部分，所有的外部金屬物品均需要直接連接防雷裝置。三是在引下線設(shè)計(jì)方面，主要采用了建筑物結(jié)構(gòu)柱（墻）的主筋采用長(zhǎng)焊接方式完成引下線設(shè)計(jì)，同時(shí)還應(yīng)注重做好引下線間距控制，一般不得超過(guò)25m。在引下線上端，需要直接與避雷帶焊接在一起。針對(duì)外墻引下線，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，需要選擇從室外地面下1m的位置處引出，然后與室外接地連接在一起[6]。四是在接地極設(shè)計(jì)方面，其周作為高層建筑樁基重要的組成部分，首先需要注意做好距離控制，一般室外接地極與建筑物之間的距離要在3以上m，距室外地面的距離則控制在1m以內(nèi)。水平接地極可采用40×4mg規(guī)格的鍍鋅扁鋼。垂直接地極則采用厚度在4mm以上的鍍鋅角鋼。除此之外，還應(yīng)注意，針對(duì)高層建筑四角外墻的引下線，應(yīng)選擇在距室外地面0.5m位置處，做好接地電阻測(cè)試箱的設(shè)置。

3 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，高層建筑供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)非常系統(tǒng)復(fù)雜的工作，在實(shí)際開(kāi)展設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要對(duì)高層建筑用電需要以及用電特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的了解，并做好相應(yīng)的負(fù)荷計(jì)算，最后再針對(duì)供配電系統(tǒng)不同部分，在嚴(yán)格準(zhǔn)循電力安全穩(wěn)定供應(yīng)的前期下，做好相應(yīng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)落實(shí)，從而有效提高高層建筑電力供應(yīng)的安全穩(wěn)定性。