超高層建筑供配電系統(tǒng)的可靠性分析

摘要：超高層建筑結(jié)構(gòu)跨度大、布局復(fù)雜，所擔(dān)負(fù)的功能也越來越多元化，各種用電設(shè)備為超高層建筑的供配電系統(tǒng)帶來了巨大挑戰(zhàn)。文章從超高層建筑的結(jié)構(gòu)布局出發(fā)，分析了影響超高層建筑供配電系統(tǒng)可靠性的因素，最后從設(shè)備、電路設(shè)計(jì)以及管理各方面提出了提高超高層建筑供配電系統(tǒng)可靠性的措施。

關(guān)鍵詞：超高層建筑；供配電系統(tǒng)；影響因素；可靠性；用電設(shè)備 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TU972 文章編號(hào)：1009-2374（2017）10-0170-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.10.085

根據(jù)我國建筑行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，建筑高度大于100米的民用建筑稱為超高層建筑。目前，隨著城市化的進(jìn)程，無論是住宅還是公共建筑的超高層建筑結(jié)構(gòu)跨度越來越大，布局越來越復(fù)雜，所擔(dān)負(fù)的功能也越來越多元化，各種新型的用電設(shè)備為超高層建筑的供配電系統(tǒng)帶來了巨大挑戰(zhàn)。為了保證超高層建筑的安全性和使用功能性，必須有一套系統(tǒng)化、自動(dòng)化、可靠性高的供配電系統(tǒng)來保障超高層建筑的安全正常運(yùn)作，以此確保各方生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，對(duì)于超高層建筑中的強(qiáng)電和弱電，都需要從電氣防火的安全可靠性上給予足夠的重視，通過不斷優(yōu)化改進(jìn)供配電技術(shù)方案，提高超高層建筑供配電系統(tǒng)的可靠性，避免電氣事故的發(fā)生。

1 超高層建筑的結(jié)構(gòu)布局特點(diǎn)

1.1 結(jié)構(gòu)復(fù)雜

隨著我國建筑科學(xué)設(shè)計(jì)和施工技術(shù)水平的不斷發(fā)展和提高，滿足城市化進(jìn)程中土地緊缺等問題，城市建筑快速向更高、跨度更大、復(fù)雜布局的立體空間式發(fā)展。超高層建筑的縱深拓展跨度大，為了滿足其多元化的需求，其立體空間越來越復(fù)雜，各種水、電、暖通等管線錯(cuò)綜復(fù)雜，對(duì)供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

1.2 功能多樣

縱深向發(fā)展的超高層建筑通過空間結(jié)構(gòu)多元化來滿足超高層的用戶對(duì)于各種功能的使用，諸如停車場、地上的裙房以及其他配套設(shè)施，這些功能多樣化的用電設(shè)備在方便用戶的同時(shí)也對(duì)電力系統(tǒng)提出了更高的要求。因此這對(duì)供配電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性帶來了巨大的挑戰(zhàn)，在設(shè)計(jì)時(shí)除了要滿足用戶生活、工作用電的可靠穩(wěn)定性，還要保證各種用電功能設(shè)施的安全性。

1.3 用電設(shè)備多元

如今各種用電設(shè)備不斷更新，用電產(chǎn)品層出不窮，電力設(shè)備豐富多元，比如電力儲(chǔ)備、照明、暖通等已經(jīng)成為超高層建筑主要的電力設(shè)施。在滿足這些設(shè)備需要的同時(shí)，對(duì)超高層建筑電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全性提出更高的要求，在未來用電設(shè)備的多元化將進(jìn)一步發(fā)展，這是超高層建筑電力系統(tǒng)穩(wěn)定可靠性永遠(yuǎn)的課題。

2 影響超高層建筑供配電可靠性的因素

2.1 供電電源布置

超高層建筑的設(shè)計(jì)電源要基于建筑用電器總設(shè)計(jì)用電確定，不同使用功用的建筑對(duì)電源的負(fù)荷等級(jí)分類以及用電單元的布置方式不同，當(dāng)設(shè)計(jì)的供電電源電壓小于實(shí)際需求容易誘發(fā)電源火災(zāi)。尤其是那些特定的超高層建筑綜合體如果電源設(shè)計(jì)不恰當(dāng)，沒有針對(duì)其特殊性設(shè)置應(yīng)急電源，很容易因?yàn)殡娏χ袛喽鴮?dǎo)致較大財(cái)產(chǎn)經(jīng)濟(jì)損失。

2.2 自動(dòng)化保安電源的穩(wěn)定性

自動(dòng)切換的保安電源能夠保證供電的穩(wěn)妥性，其特點(diǎn)在于超高層建筑電力系統(tǒng)從間斷到聯(lián)通無需人為操作便能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化，因此節(jié)約了電源開關(guān)的復(fù)位時(shí)間，保證了整個(gè)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定輸出。系統(tǒng)的自動(dòng)切換裝置通過開關(guān)兩側(cè)的電壓值來分析是否開啟，滿足電力切換的及時(shí)且能避免因?yàn)殡娫磾嚯姇r(shí)間過長所帶來的風(fēng)險(xiǎn)，因此自動(dòng)化保安電源的穩(wěn)定性也直接影響建筑供配電系統(tǒng)的可靠性。

2.3 供電系統(tǒng)中的連接設(shè)備的可靠性

供電系統(tǒng)的連接設(shè)備涉及線纜與相關(guān)配套設(shè)備，其科學(xué)合理的供電線路決定了超高層建筑后續(xù)的電流容量的空間。在建筑建設(shè)期到運(yùn)營整個(gè)生命周期，建筑的實(shí)際負(fù)荷存在一定的變化，要對(duì)整個(gè)超高層建筑生命周期用電考慮，在進(jìn)行電力設(shè)計(jì)要充分考慮電流的熱量效應(yīng)，防止因?yàn)殡娮锜釋?dǎo)致線路熔斷，因此連接設(shè)備線路與設(shè)備的冗余可靠性也決定了供配電的可靠性。

2.4 接地方式

安全的接地方式是供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，超高層建筑因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜性和功能的多元化對(duì)接地系統(tǒng)提出了較高的要求，其設(shè)計(jì)往往復(fù)雜。設(shè)計(jì)時(shí)要整合工作與保護(hù)接地系統(tǒng)，接地系統(tǒng)整體接地電阻設(shè)計(jì)值要達(dá)到超高層建筑結(jié)構(gòu)要求，進(jìn)而才能滿足增強(qiáng)供電系統(tǒng)要求。

2.5 配變電所設(shè)備

超高層建筑變電所的設(shè)備容易受到環(huán)境的影響，空氣中水汽或潮氣會(huì)對(duì)變電所的設(shè)備有一定的腐蝕，加快設(shè)備的老化進(jìn)而降低可靠性。配電裝置的絕緣等級(jí)與電力系統(tǒng)的匹配度，相鄰帶電裝置的不同的額定電壓均對(duì)配電設(shè)備動(dòng)、熱穩(wěn)定有影響。

3 提高超高層建筑供配電可靠性的措施

3.1 做好負(fù)荷分級(jí)

根據(jù)中斷供電所造成的影響程度來對(duì)建筑各種負(fù)荷進(jìn)行分級(jí)，主要分為一級(jí)（還包括一級(jí)負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷）、二級(jí)、三級(jí)。為了保證建筑供電系統(tǒng)的可靠性，除互為備用的2組電源供電設(shè)計(jì)以外，還需增加應(yīng)急電源進(jìn)而滿足對(duì)于特別重要負(fù)荷提供連續(xù)性、可靠性。2組電源能實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)生變壓故障或線路損壞時(shí)電能的及時(shí)恢復(fù)進(jìn)而減少中斷時(shí)間或損失。

3.2 合理布置供電電源

超高層建筑的電源設(shè)計(jì)要根據(jù)建筑用電的實(shí)際性質(zhì)決定，不同功用的建筑主體設(shè)置不同的電源的布置方式，保證供電電源容量不小于實(shí)際需求以避免電源火災(zāi)的發(fā)生。對(duì)于存在大量一、二級(jí)負(fù)荷的超高層建筑，要設(shè)置互不影響、互為備用的兩路電源，而對(duì)于商場等某些特定的超高層建筑綜合體還應(yīng)該增設(shè)應(yīng)急電源，避免電力中斷造成不必要的損失。

超高層建筑的日常能夠有效使用的電源數(shù)量至少要有兩個(gè)，不同的電源應(yīng)設(shè)置不同的路由線路，專線電源通過上級(jí)變電站或開關(guān)站放射式供電。電源電壓等級(jí)根據(jù)實(shí)際需要選擇，有10kV、20kV、35kV或110kV多種級(jí)別供電方式，當(dāng)上一級(jí)電源發(fā)生故障而斷電時(shí)，能保證二級(jí)供電。超高層建筑，另外還要設(shè)置備用的緊急柴油發(fā)電機(jī)作為應(yīng)急電源。常見的低壓配電系統(tǒng)有兩種：一種是單母線分段+二段應(yīng)急母線。分段的單母線提供兩路市電，中間設(shè)聯(lián)絡(luò)斷路器，應(yīng)急母線段兩段應(yīng)急母線用于應(yīng)急負(fù)荷和備用負(fù)荷供電；另一種是單母線分段+一段應(yīng)急母線兩路模式，其中市電采用分段的單母線供電，中間設(shè)聯(lián)絡(luò)斷路器，一般只有一段應(yīng)急母線段，負(fù)責(zé)應(yīng)急負(fù)荷和備用負(fù)荷。

3.3 提高保安電源的自動(dòng)化程度

為了提升超高層建筑用電的可靠性與安全性，往往設(shè)置能夠自動(dòng)切換的保安電源來確保供電的穩(wěn)妥性，當(dāng)工作電源一旦發(fā)生故障系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換到備用電源上，保安電源能夠在超高層建筑失去電力供應(yīng)時(shí)提供建筑基本的用電功能，進(jìn)而確保超高層建筑基本功能的正常運(yùn)行。

3.4 選擇可靠的連接設(shè)備

超高層建筑從建設(shè)期到施工直至最后運(yùn)營管理的整個(gè)生命周期，不同階段的使用功能都可能發(fā)生變化。對(duì)于前期超高層建筑的電力消耗主要考慮電流的熱量效應(yīng)，尤其是電荷過載導(dǎo)致的線路熔斷等風(fēng)險(xiǎn)，因此要根據(jù)建筑不同使用功用和不同階段的荷載，配置相關(guān)配套線路，做好線路連接設(shè)備的冗余設(shè)計(jì)，保證供配電可靠性和穩(wěn)定性。供電系統(tǒng)的連接設(shè)備主要包括線纜與相關(guān)配套設(shè)備，實(shí)現(xiàn)做好超高層建筑供電線路的合理設(shè)計(jì)；其次是要選擇滿足要求的導(dǎo)線，充分滿足超高層建筑后續(xù)的電流容量，并要增加一定發(fā)展。超高層建筑中消防設(shè)備供電干線的設(shè)計(jì)和選材，消防供電的分支干線應(yīng)采用礦物絕緣具有一定耐火強(qiáng)度的電纜，降低礦物絕緣暴露電纜的長度，端部做好濺水防治措施，提高電纜的配電柜（箱）和用電設(shè)備接線盒的防護(hù)等級(jí)。

3.5 安全接地

超高層建筑因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜給接地系統(tǒng)帶來了一定的難度，而安全接地是提高供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定性的基礎(chǔ)，超高層建筑因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜性和功能的多元化對(duì)接地系統(tǒng)提出了較高的要求，其設(shè)計(jì)往往復(fù)雜。設(shè)計(jì)時(shí)要從工作接地與保護(hù)接地上來實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑系統(tǒng)接地的整合，接地系統(tǒng)整體阻力設(shè)計(jì)值要達(dá)到超高層建筑結(jié)構(gòu)要求，進(jìn)而才能滿足增強(qiáng)供電系統(tǒng)要求。

3.6 合理設(shè)置配變電所

超高層建筑變電所要盡量選擇干式氣體絕緣變壓器且靠近電源，周圍環(huán)境要通風(fēng)、干燥，避免潮濕影響變電所設(shè)備的可靠性。在配電裝置的絕緣等級(jí)方面要與電力系統(tǒng)的相關(guān)規(guī)定符合，對(duì)于不同額定電壓的相鄰帶電裝置要根據(jù)較高額定電壓的安全凈距來設(shè)置，導(dǎo)體與電氣設(shè)備的最高工作電壓設(shè)計(jì)與安裝要高于回路最高運(yùn)行電壓。

4 結(jié)語

超高層建筑因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)功用的復(fù)雜性給供配電系統(tǒng)帶來了巨大難度，增加了影響電力系統(tǒng)供配電可靠性的因素，需要從負(fù)荷分級(jí)、電源布置、連接設(shè)備等方面綜合考慮，科學(xué)設(shè)計(jì)，合理配置，在滿足超高層建筑供配電安全的前提下提高系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性。

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作者簡介：史鴻釗（1983-），男，湖北麻城人，中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計(jì)研究院有限公司工程師，研究方向：建筑電氣。

（責(zé)任編輯：小 燕）