某超高層建筑高壓配電系統(tǒng)設計

劉捷

結(jié)合某工程配電系統(tǒng)實例，就超高層建筑高壓配電系統(tǒng)的一些關鍵技術進行分析，包括負荷等級及供電要求、10kV主接線系統(tǒng)設計、柴油發(fā)電機組選擇與接線方式等內(nèi)容，從而達到配電系統(tǒng)安全可靠、經(jīng)濟節(jié)能的目的。

一、項目概況

本工程為標志性城市綜合體，融購物中心、甲級辦公、高級酒店、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設施組成的多種商業(yè)形態(tài)。

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

塔樓共設置 8 個避難層，屋頂設有直升機停機坪。

二、電源選擇

1.負荷性質(zhì)

超高層大型城市綜合體對供電可靠性要求極高，用電設備以一級和二級負荷為主，其中大型商場、超市和酒店的經(jīng)營和設備管理用計算機系統(tǒng)用電為一級負荷中特別重要負荷。高度超過250m的建筑，人員密集、火災危險性大、疏散困難，一旦發(fā)生火災往往延燒時間長、救援難度大，需對消防設施和供配電系統(tǒng)采取更加嚴格的措施，加強超高層建筑火災時的自防自救能力。公安部《建筑高度大于250m民用建筑防火設計加強性技術要求（試行）》第二十四條明確消防用電為一級負荷中特別重要的負荷，需設置柴油發(fā)電機組作為應急電源。

2.供電電壓等級

供電電壓的選擇，應根據(jù)用電容量、用電設備特性、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)技術經(jīng)濟比較后確定。

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

根據(jù)供電容量、項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負荷供電要求。方案1和2潮流計算合格，電壓、系統(tǒng)短路電流水平滿足運行要求。投資規(guī)模對比，綜合電纜接入、通信遠動、110kV變電站造價以及其他發(fā)生的費用，方案1高于方案2。由于本工程項目用地面積較小，在項目地塊內(nèi)新建用戶110kV變電站難度比較大。

通過上述技術和經(jīng)濟分析、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)和計量方式、物業(yè)管理范圍的劃分密切相關，根據(jù)建設方要求，項目建成后將有三家單位分別負責商業(yè)、酒店、辦公(公寓)的管理，各單位配電系統(tǒng)需各自獨立。據(jù)此，高壓配電采用多10kV配電所系統(tǒng)。商業(yè)、酒店、辦公采用高壓計量，各配電所10kV進線處設置電業(yè)計量裝置。公寓為產(chǎn)權銷售，采用低壓計量到戶的方式。

商業(yè)部分總裝機容量為25800kVA，由1#～4#10kV電源供電，設置兩座10kV配電所，酒店由7#、8#線供電，辦公和公寓由5#、6#線路供電，酒店和辦公各設置一座10kV配電所。每個配電所均為兩路電源進線，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)工程典型設計要求，10kV配電系統(tǒng)采用開關站-變電所方式，開關站設有10kV配電進出線，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)設置計量。

各10/0.4kV分變電所應有明確的低壓供電范圍，不宜交叉。在布置上盡量接近負荷中心，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)分段避難層設置多處分變電所。冷凍機房等大容量設備機房設置專用變電所并貼鄰布置。

為便于塔樓地上各設備層變壓器的運輸和維護更換，要求設置貨梯一臺，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，兩段母線之間設聯(lián)絡開關。正常工作時聯(lián)絡開關斷開，兩路10kV電源同時工作、互為備用，分別向兩段母線供電。當任一路10kV電源失電后，聯(lián)絡開關手動或自動合閘投入，由另一路電源負擔所有重要負荷，停電側(cè)市電恢復后，雙路市電恢復正常運行。兩路市電的備用和切換功能由微機綜合繼電保護裝置完成。

四、柴油發(fā)電機組

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急電源應采用柴油發(fā)電機組。柴油發(fā)電機組作為一級負荷中特別重要負荷的應急電源，在兩路市電均失電時投入運行，確保所有特別重要負荷的連續(xù)供電。在不影響應急電源配電系統(tǒng)可靠性前提下，應急發(fā)電機組也可以作為某些重要負荷的備用電源，如為保障建筑基本運營條件而需保持連續(xù)供電的保障型負荷。根據(jù)本工程特點和業(yè)主的要求，柴油發(fā)電機組供電范圍如表2所示。

表2 柴油發(fā)電機組供電范圍

柴油發(fā)電機組容量需按照應急負荷或者備用負荷中較大者選擇，具體計算時，一般按照使用時段不同即消防和平時兩種狀態(tài)下進行負荷計算。消防狀態(tài)下，除消防負荷以外，還包括火災時不能停電的部分負荷：如安防監(jiān)控系統(tǒng)用電、通訊機房用電、需要繼續(xù)工作的部分地下室排水泵等。平時停電狀態(tài)下，發(fā)電機組供電負荷應包括平時保障負荷、非消防一級負荷中特別重要負荷以及平時需要保持運行的消防設備，如消控室、火災報警系統(tǒng)設備等。

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

（1）按穩(wěn)定負荷計算柴油發(fā)電機容量。

（2）按最大的單臺電動機或成組電動機啟動的需要，計算發(fā)電機容量。

（3）按啟動電動機時，發(fā)電機母線允許電壓降計算柴油發(fā)電機容量。

具體計算方法可參見《工業(yè)與民用供配電設計手冊》第四版相關章節(jié)，本文從略。

根據(jù)計算結(jié)果，選用三臺應急備用功率為2000KW的柴油發(fā)電機組。

2.額定電壓選擇

考慮到以下因素，本工程選擇10kV柴油發(fā)電機組：

（1）建筑高度已超過400m，而且柴油發(fā)電機房受防火要求、通風條件限制，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)電機電源最遠配電距離將近600m，采用0.4kV機組時，其線路壓降、末端短路電流保護靈敏度等均不能滿足要求。備用運行時，線路損耗大大增加，配電系統(tǒng)經(jīng)濟性較差。

表1 各分變電所變壓器設置

圖2 發(fā)電機組和市電切換接線方案

（2）考慮三臺發(fā)電機組并列運行，可以合理分配機組負載，運行靈活，提高發(fā)電機組的效率。減小負載突增的沖擊，使每臺機組如采用0.4kV發(fā)電機組，單臺機組最大輸出電流為3608A，三臺并機后電流在10000A以上。對于低壓產(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，對應發(fā)電機組總?cè)萘考s為3200kW。因此，當并機后總?cè)萘坎淮笥?200kW時，才可選擇0.4kV機組。

3.供電方案

柴油發(fā)電機組和市電切換點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線處切換。

第一種方式，發(fā)電機組出線回路最少，切換和配電裝置少，造價較低。但是風險集于一處，一旦發(fā)生故障，就影響到該配電所供電的所有場所的應急電源供電。另外，該方案不能保證應急電源線路的專有性，《建筑高度大于250m民用建筑防火設計加強性技術要求（試行）》第二十四條規(guī)定：柴油發(fā)電機組的消防供電回路應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，多點切換，風險分散，可靠性提高，故障時只影響一處變電所的應急供電，影響范圍減小。缺點是發(fā)電機組出線回路和配電裝置多，造價較高。采用此方案時，發(fā)電機組對每個變電所配出兩條回路，其中一條為消防專用回路，另一條為保障負荷供電，同時，低壓側(cè)設置消防專用母線段，采用和非消防負荷分組設計的方案，可滿足專用線路和專用母線段的規(guī)定。

發(fā)電機組和市電切換接線方案如圖2所示。

4.運行方式

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

五、結(jié)語

超高層大型城市綜合體供配電系統(tǒng)設計內(nèi)容十分廣泛，本文僅針對高壓配電系統(tǒng)的設計進行討論。對于電源和供電方案的選擇需仔細分析、充分論證，才能保證建筑高效、安全、經(jīng)濟運行。