超高层建筑中地上变压器的设置

超高层建筑中地上变压器的设置
吴斌（湖南省建筑设计院410011）
摘要提出超高层建筑中地上变压器设置的问题，对单台变压器的容量选择、地上变配电所的设置位置进行了探讨。

关键词超高层建筑变压器避难层电梯载重量
前言
国内正处于城市化进程之中，城市面积不断增长，城镇人口不断增加，城市中心位置的土地价值越来越高。

要充分利用土地，建筑势必往高度发展，超高层建筑的出现为提高土地利用率提供了解决之道。

目前各大城市中心区域的超高层建筑越来越多，以中部城市长沙为例，在2010年前只有十来栋超高层建筑，近半数在150m以下。

但最近几年，超高层建筑的发展速度越来越快，在建以及规划中的已有40多处（不包括住宅），最高的建筑已在400m以上，超过250m的也不在少数。

在笔者目前所接触到的许多超高层项目设计图纸中，关于地上变压器的设置有各种做法，单台变压器容量有大至2000kVA的，也有小到400kVA的；地上变配电所有在每个避难层都设的，也有隔多个避难层才设的。

每种设计手法固然都有其自身的优缺点，但超高层建筑与普通高层建筑相比有它的独特性，在此笔者提出一些个人的看法供各位同行参考。

1地上变配电所位置选择
由于规范规定高压配电级数不宜多于两级，故超高层建筑的高压供配电系统一般采用主变配电所——分变配电所的结构，按两级设置。

通常做法是在地下室设置中心变配电所，按业态布局设置分变配电所，由中心配电所引出高压电缆至分变配电所。

超高层建筑中变配电所的设计，除了要以安全性、可靠性为基本要求外，同时还应该结合建筑本身的定位和特点，考虑其运行的灵活性，以及业主投资、运营的经济性。

分变配电所数量、位置的不同，将会对安装、运营成本带来比较大的变化，这一点需要设计师充分引起重视。

在设计阶段应与业主充分沟通，经过严谨的经济技术比较后再确定各分变配电所的位置以及其供电范围，而不应简单的仅仅以低压供电半径等单一指标作为设置变配电所的依据。

下面以一个实例来说明，此项目裙房为商业，塔楼为写字楼，业态简单且裙房面积较小。

在设置塔楼写字楼区域变配电所的位置时考虑了三种方案，见图1.1。

进行方案比较时，主要比较了主干线的投资、电压损失、变配电所的设备投资、变配电
所占地面积等指标。

由于方案阶段供配电系统还未进行设计，为了得到比较结果，必须对计算模型进行适当的简化，在此先对计算背景说明如下：
A、仅进行给塔楼部分供电的变配电所的经济比较，给裙房、地库供电的变配电所不参
与。

B、假设所有的变配电所都靠近核心筒，在计算供电半径及供电干线长度时暂不考虑水
平段距离。

C、塔楼标准层面积为2300m2，核心筒面积为440m2，扣除核心筒后办公面积实为
1860m2，进行负荷估算时按80VA/m2计算。

D、仅计算给办公区域供电的竖向密集式母线，其余供电干线暂不进行比较。

E、给办公区域的供电干线考虑采用密集式母线，按照单双层交替供电方式。

经过估算，
按每8层配出一个回路，设置1250A断路器，配套1600A的母线；对于楼层少的楼
层段，按每4层配出一个回路，设置630A断路器，配套800A的母线。

F、单台变压器的容量暂时按最大1600kVA考虑。

方案一 18876kVA方案二 18876kVA方案三 18890kVA
图1.1
由图看出，地上部分变压器的设置可参照表1.1
表1.2 经济比较
方案三变配电所较分散，故变压器总安装容量较其它两个方案偏大。

根据本文后面第二节的分析，实际设计时地上部分变压器单台容量会加以控制，所以方案二、三使用的变压器台数会差不多，只是分布的位置不同而已。

但在本节经济比较中，是暂按单台变压器容量不大于1600kVA来考虑。

如果考虑到变压器容量限制在1000kVA，则方案二、三在地上部分变压器数量会达到14台，变配电所占地面积会加大40%左右，变配电所的一次设备投资亦会加大，但是竖向干线并不会受到影响。

三种方案各有其优缺点，通过综合比较，确定了第三方案。

从方案三可以看出，一次投资并不是最低的，所占用的建筑面积也不是最少的，但是综合考虑到50年的运营成本，综合成本是最低的。

由此看出，在变配电所的布局上，需要特别考虑配电干线的一次性投资及
在后期运营上产生的损耗。

另外方案三还有一个优势，由于变配电所较分散，在每个供电区域内竖向密集式母线仅为两条（其它竖向电缆干线也较其它两个方案少），电气管井需求面积较小，相比较其它两个方案可节约一定的管井面积，对于业主的投资起到一定的节约作用。

2地上变压器的运输
超高层建筑的一个特点是大多会在地面以上楼层设置变配电所，一般设在避难层或机电层。

由于变压器的使用寿命不可能大于建筑使用寿命，而且电气产品也无法保证在正常寿命期间不会损坏，这就带来了一个如何维修或更换变压器的问题。

各种常见规格变压器、电梯参数见下表。

表2.2 电梯参数（以本人参与的项目为例）
由表中可以看出，变压器重量一般远大于电梯的负载能力，但尺寸一般小于电梯轿厢尺寸。

目前在超高层建筑中一般采取以下几种方式来解决竣工后变压器的垂直运输问题：A.采用货梯直接运输。

这种方式要求设置一台货梯且在每个变配电所所在楼层停靠，超高层建筑一般均会在核心筒内设置单独的服务电梯，电气专业可在方案阶段就与建筑专业协商，选择合适的货梯以满足载重量与尺寸即可。

在这个前提下，可又分为两种做法：
①在地上变配电所内仅设置400kVA以下的变压器，由于变压器体积小，重量轻，可以
由1800KG载重量的货梯直接运输。

从目前已有的超高层建筑来看，设置一台1800KG载重量的货梯对于大多数开发商来说是完全可以接受的。

在本人参与的长沙开福万达广场项目中，万达总部就明确要求上楼的变压器不能大于400kVA，采用货梯直接运输。

此方案的优点是变压器可以采用普通电梯直接运输，便于更换。

缺点是变压器容量过小，配电干线无法做大，无法充分利用负荷之间的负荷高峰时间差，导致变压器整体安装容量增加；另外如果建筑上部有较大负荷容量的设备，也将由于变压器容量过小而很难实施。

此种方案一般仅适用于高度在200m以下功能简单的超高层建筑，例如写字楼等
②采用大载重量的货梯，比如3T/4T货梯。

电梯制造标准中，要求普通货梯的载重量与其轿厢尺寸有关联（详表 2.3），载重量越大轿厢尺寸越大，故占据核心筒的面积也就越大，对于开发商的经济效益会有较大影响。

从另一方面看，我们的目的是运输变压器，而变压器平面尺寸并不大，一般的轿厢尺寸都可满足，只是单位面积重量较大，所以我们真正需要的是一种具有常规轿厢尺寸但载重量较大的电梯，这种电梯一般来说需要向电梯厂商特别定制。

且由于货梯垂直提升距离大，速度要求也会较高。

载重量大且速度较高，电梯的选择面就会较窄，而开发商一般在方案阶段还没有进行设备招标，不可能对电梯的要求如此深化，所以在很多情况下无法在前期就确定采用这种方案。

但如果业主接受设置一台大载重量货梯的方案，可以考虑将上楼的变压器容量放宽到1000kVA，如此在供配电系统的设计上会灵活很多，也避免了方案①的缺点。

B.采用电梯井道运输。

这种运输方式在需要更换变压器前，将电梯轿厢下降到底，拆除原有的电梯曳引绳等，在井道内安装一套提升设备及滑轮组，将变压器本体通过井道提升上去。

这种方案施工工艺复杂，工期长，对大楼的正常营运会造成较大的影响。

这种方案要求变压器的尺寸不能大于电梯井道内部尺寸，一般来说这点不是问题。

但采取这种方案需要在项目方案阶段向项目未来的运营方解释清楚对将来正常营运可能造成的影响。

有些运营商（例如豪华酒店等）不一定能接受对其正常商业活动的长期影响。

结语
超高层建筑供配电系统复杂，维护困难，在进行设计工作时，应反复论证，比较多个方案，做到安全、经济、可靠。

通过上述的分析，可以得出以下结论：
1、单台变压器容量大，可有效减少变压器总安装容量，但将来变压器的更换运输是个很大
的难题，设计者必须在项目方案阶段就充分考虑到这个问题，不应一味加大变压器的容量。

2、变压器的设置位置，应充分考虑到配电干线的长度，不应将电压降作为布置变配电所的
唯一考量依据。

由于超高层建筑变配电所数量多，配电干线长度很可观，要充分考虑项目全寿命周期内消耗在配电干线上的电能损耗。

3、结合变压器的运输以及配电干线的长度，建议地上部分变压器单台容量不超过1000kVA
为宜；变压器相对集中设置，考虑变配电所分别往上下段配电（不跨越另一个避难层为宜）。

参考文献
【1】《民用建筑电气设计规范》JGJ 16-2008
【2】《低压配电设计规范》GB50054-2011
【3】《供配电系统设计规范》GB50052-2009
【4】《10kV及以下变电所设计规范》GB 50053-94
【5】《高层民用建筑设计防火规范》GB 50045-95 （2005年版）。