超高层住宅强电研究

6、电气设计研究

6.1 强电部分

6.1.2 概述

超高层住宅和一般高层住宅相比，因为建筑体量的巨大化，使得其中的用电设备的种类更多，用电量更大，供电可靠性要求和智能化程度要求也更高，因此其电气线路和设备机房也更多更复杂。而电气设计的基本是要稳定、可靠地接受电力和信息，并在高智能化的技术支持下以达到高舒适性的目的。因此，供电电源的可靠安全是整个电气设计的基础条件，要打好基础，则必须了解超高层住宅的特点，有针对性的进行供配电设计。超高层住宅的最大特点就是“高”，这点引申到供配电设计上来说就是要考虑供电半径的问题，不同容量的变压器，其远距离带负荷能力不同，且供电距离与负荷密度大小是成反比关系的。通常来说，电力设备中用电负荷比重最大的往往是空调通风设备，经常占到整个用电负荷的50%~60% 甚至以上，其设备机房经常集中设于地下室内或屋顶层，这是用电负荷较为集中的区域。设计的关键原则就是变压器的设置尽量靠近用电负荷中心，最大化地利用变压器的带负荷能力；

超高层住宅的另一个特点是火灾情况下火势蔓延速度快、扑救难度大且疏散困难，针对这个特点，建筑结构、给排水及通风等专业都采取了相应措施。如设置避难层、提高建筑耐火等级，屋面设救援停机坪，设置喷淋、排烟系统等等。电气专业作为建筑中的基础服务专业，在提供安全可靠的正常电源的前提下，自备的应急电源的可靠连续运行也是非常必要的。因此自备柴油发电机的设置在超高层建筑中是非常普遍的，这是超高层建筑供配电系统的一个特点。

6.1.3供电电源

6.1.3.1.负荷分级

超高层住宅的消防控制室、火灾自动报警及联动控制装置、火灾应急照明及疏散指示标志、防烟及排烟设施、自动灭火系统、消防水泵、消防电梯及排水泵、电动的防火卷帘及门窗以及阀门等消防用为一级负荷中的特别重要负荷。

消防类负荷等级一直是争论的焦点，现行的《高层民用建筑设计防火规范》GB 50045-95（2005 年版）第9.1.1 条规定，高层建筑的消防控制室、消防水泵、消防电梯、防烟排烟设施、火灾自动报警、漏电火灾报警系统、自动灭火系统、应急照明、疏散指示标志和电动的防火门、窗、卷帘、阀门等消防用电，应按现行的国家标准《供配电系统设计规范》GB 50052 的规定进行设计，一类高层建筑应按一级负荷要求供电，二类高层建筑应按二级负荷要求供电。毫无疑问，超高层建筑是一类高层建筑。但是，超高层建筑由于其建筑高度高、建筑规模大、功能繁多、人员众多，其火灾危险性、疏散和扑救难度均高于普通的高层建筑。鉴于此，将超高层民用建筑的消防控制室、火灾自动报警及联动控制装置、火灾

应急照明及疏散指示标志、防烟及排烟设施、自动灭火系统、消防水泵、消防电梯及其排水泵、电动防火卷帘及门窗以及阀门等消防用电定为一级负荷中的特别重要负荷。

6.1.3.2.负荷密度

超高层住宅负荷密度与以往高层住宅并无太大的区别，根据华侨城高层住宅变压器实际安装容量，单位面积变压器装机容量在78 ~138V A/m2，因此，推荐负荷密度为80~120W/m2。

6.1.4供配电系统设计

6.1.4.1．供电要求

超高层住宅应进行整体供配电系统设计，至少需要两路市电电源，还需要另设应急电源或备用电源。

6.1.4.2.电源

1 ）超高层住宅的一级负荷比例较少，可采用10kV环网电源。

2）超高层住宅应设柴油发电机作为应急电源或备用电源。设置在超高层建筑内的柴油发电机，应根据负荷大小、单台电动机最大启动容量、供电半径等因素确定柴油发电机的额定输出电压：

（1）当建筑物高度低于200m 时，宜采用低压柴油发电机；

（2）当建筑物高度大于400m 时，应选用高压柴油发电机；

（3）当建筑物高度在100m~400m 时，应进行技术分析、比较，确定柴油发电机的额定电压。

3）超高层建筑中的应急电源不得使用汽油、煤油、天然气等作为动力源，可使用柴油发电机组。

4）柴油发电机组在超高层建筑中既可作为应急电源使用，也可以作为备用电源使用。当备用电源满足应急电源条件时，备用电源可以兼作为应急电源。

5 ）低压柴油发电机组（400V）最大单台并机容量不得大于1600kW。如要进行并机运行，可采用高压柴油发电机组。

6）柴油发电机组输出功率有常用功率和备用功率，应在图中表明。

7）柴油发电机组的负荷率宜为75%，以实现经济运行。

8）市电与发电机转换用的ATSE 建议采用PC 级、4 极、三位式的ATSE，ATSE 与其之前的短路保护电器应有可靠的配合。

6.1.4.3.电源工作方式

电源的数量及工作方式建议按表执行。

建议的电源数量及其工作方式

解析常采用配电方案。三路10kV 电源引入，二用一备，之间设手动联络开关，每路电源均可带全部一、二级负荷正常运行；当其中一路常用电源故障或检修时，另外在地下层柴油发电机组作为应急电源，直接供至低压应急母线，并在机房内预留高端客户自备柴油发电机的安装空间；备用电源可代替其100% 的全部用电负荷正常运行，而无需切除任何负荷。三个电源间联络开关均设置为手动操作方式，以防止误动作；从主变配电室不同的母线上分别引出一路10kV 专路电源送至避难层副变配电室分段母线，母线之间同样设置手动联络开关，当其中一路电源故障或检修时，另一路可带其中一、二级负荷正常运行。可以说整个电源系统的供电可靠性在满足规范的要求之上是有进一步提高的，这种方式比较适合于对电源有特殊要求或有较多特别重要用电负荷的情况，但也考虑到建设费用相对较高，因此也可采用了常规的两路独立电源供电外加应急柴油发电机的配电模式。两路10kV电源引入，同时供电，之间不设联络开关，每路电源均可带全部一、二级负荷正常运行；另外在地下层设柴油发电机组作为应急电源，直接供至低压应急母线；以上两种供电方案均为放射式配电，由地下层主变配电室放射式配出专路10kV 电缆至避难层副变配电室内的变压器。

除了仍可采用放射方式向各个避难层的分变配电室分别配电外，也可选择采用环网方式进行配电，将各个分变配电室以开环连接，形成纵向网络，这种配电方式在横向的城市供电网络中应用非常广泛。其特点是网络中任一变压器的故障和检修都可不影响其他变压器的正常运行，同样也具有较高的供电可靠性。具体可结合工程的具体性质和要求以及投资费用等各方面综合考虑，选择适当的安全可靠的供电方案。

6.1.4.4.高压供配电系统

1）超高层住宅的高压供配电系统宜采用主配变电所——分配变电所结构，主配

变电所应采用单母线分段的主接线形式放射式引至分配变电所。

2）高压系统的配电级数不宜多于两级。

3）应根据当地供电部门的规定，35kV 电压等级可直降到0.4kV；也可先将35kV 降压到10kV，再将10kV降到0.4kV。

4）如当地供电部门没有特别要求，20kV 电压等级可直降到0.4kV。

6.1.4.5.配变电所

1）所址选择应满足《10kV及以下变电所设计规范》GB50053、《民用建筑电气设计规范》JGJ 16、《35~110kV变电所设计规范》GB 50059中的有关规定，主要配变电所( 室) 严禁设置于大量人员能达到的场所。变电所、主要的配电间不应设在伸缩缝、沉降缝及存在漏水危险的地方。备用发电机、变压器不宜靠近主出入口。

2）配变电所应设置在负荷中心，主配变电所宜设在地下一层、地下二层（非最底层）和首层，也可设置独立的变电站。分配变电所应根据负荷情况设在避难层、顶层，其变压器容量不宜超过1000kV A。

变压器的体积和重量

由表可知常用的三款1000kV A变压器的主要参数，SGB10-1000kV A、10kV 的变压器重量不足3t，其重量只有同规格的SCB10 80%。宽度只有1.35m，因此，采用3t的货梯即可解决垂直运输问题。而变压1000kV A器基本上可以满足楼上大型设备的需求。

3）配电变压器的长期工作负载率不宜超过60%。

4）超高层建筑至少在主配变电所设值班室，值班室宜单独设置，也可与控制室合用。值班室应能直通或经过走道与高压配电装置室和相应的配电装置室相通，并应有门直接通向室外或走道。

根据工程具体情况，配变电所的高低压开关柜布置型式可选择下进下出、下进上处、上进下出、上进下出。当有大截面电缆或电缆数量较多时，宜设电缆夹层，电缆夹层净高不应低于1.8m、且不高于3.2m。

5）配变电所内应设置低压集中自动电容补偿装置。补偿要求按当地供电部门的规定执行，当没有明确规定时，补偿后低压侧进线处的功率因数应达到0.90以上。电容补偿装置的选择应考虑配电系统中高次谐波的影响。

6）继电保护按《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》GB50062、《电力装

置的电测量仪表装置设计规范》GB/T 50063、《民用建筑电气设计规范》JGJ 16的要求执行。并符合下列规定：

(1) 当高压系统采用中性点经小电阻接地方式时，应设置零序速断保护，零序保护装置动作于跳闸，其信号接入事故信号回路。

(2) 当分变电所离总配变电所距离较远且上级保护不能满足分变电所进线处保护灵敏度要求时，分变电所进线处应设一级保护。如果必要，分变电所的变压器可设差动保护。

(3) 超高层建筑宜采用综合继保单元，分散布置在高压配电装置上；低压系统宜采用多功能仪表。高压、低压、柴油发电机组成统一的电气控制系统并接入BMS 系统。

变压器的温度保护通常设二级保护，第一级作用于超温报警，并连锁风机强迫启动风机对变压器进行冷却；第二级作用于超温动作跳闸，切除故障变压器回路。而母联断路器电流速断保护仅在合闸瞬间投入，并在合闸后自动解除。这样可以减少保护配合的级数，提高可靠性。

继电保护列表

* 当上级保护不满足保护灵敏度要求时，分配变电所进线处应设保护。

7）控制方式、所用电源及操作电源

超高层建筑高压宜采用集中控制方式，对变压器主断路器、分段断路器、主要馈出回路断路器宜采用集中监视方式。主配变电所应采用直流操作电源，分配变电所视具体情况采用直流操作电源或交流操作电源。所用电源宜引自配电变压器。8）备用、应急电源

(1) 应急电源的设置要求按相关规范执行。

(2) 备用电源应采用独立于正常电源的发电机组，不应采用蓄电池。酒店部分的备用电源应按酒店管理公司的要求设置，用于出租的写字楼宜预留柴油发电机组房的位置及进排风、供油等条件。

(3) 柴油发电机房宜设在地下一层、地下二层、首层，也可设置独立的柴油发电机房，不宜在避难层和顶层设置柴油发电机组。

（4）机组形式的选择方案

方案一，集中设置于主变电所附近，采用380v低压线路短、长程直供,优点是系统简单，初期投资低，安装、环保、供油、维护管理等各方面都相对方便然而对与长距离的低压传输，要复核电压降是否满足要求。

方案二，机组分散设置于地下层和塔楼的几个设备层，采用380V低压线路短程直供，优点是由于机组尽量分别靠近各区负荷中心，供电距离较小，可有效的降低线路电压降；但其缺点也很明显，塔楼设备层能够提供的运输、安装、维护、供油、消防等各方面条件都有很多限制。

方案三，400V低压柴油发电机通过升、降压传输的方式，也就是400V低压柴油发电机组设置于地下层，出口400V电压经过机组设于就近的专用变压器升压至10kV ，采用10kV高压电缆分别传输到塔楼上的若干设备层，经过专用变压器降压至400V，向各负荷区供电其优点是由于干线电流采用高压传输，容易满足线路电压降的要求，机组集中在地下室设置，便于消防控制、运输、安装、供油及管理，缺点就是需要增加高压变压设备、线路，对塔楼设备房的面积要求会更高。

方案四，10kV（6kV）高压柴油发电机组设置于地下二层，出口10kV端直接通过10kV高压电缆分别传输到塔楼上的若干设备层，再由专用变压器降压至400V ，向各负荷区供电其优点和方案三相似，缺点是高压机组本身成本就比相同容量低压机组高很多（一般为30%～50%），而且高压机组的保护比较复杂，国内可选择的厂商相对少很多，在国内民用建筑的应用案例也极少，使用、维护的成熟度不高。

从以上几个方案的分析可以看出，不同的供电距离直接决定着柴油发电机组的形式，所以下述两种形式的组合，可以构成柴油发电机的设计方案：

①对于低压配电供电半径不大于150米的部分，直接采用低压输出发电机组的方

式，可以满足电压降要求，同时亦可节省一部分高压投资。

②对于低压配电供电半径不大于150米的部分，我们以同一进口品2000kV A的柴油机为例去作投资比较：方案一为一台10kV的高压机组+一台2000kV A的10/0.4kV 降压变压器；方案二则为一台的低压机组400V +一台的2000kV A0.4/10kV 升压变压器+两台10kV高压开关柜+一台2000kV A的10/0.4kV 降压变压器，从设备投。资而言，前者比后者高出约25%（因对于水平段、垂直段，两者均为相同长度的10kV高压电缆，故不作对比）后者的投资相对更低，据了解，目前国内应用于民用建筑的10kV 柴油发电机案例很少，加上能够提供该电压等级产品技术的柴油机厂家也相对较少，而且，高压柴油机的日常维护对于操作人员的技术能力要求更高，其优缺点不言而喻。

6.1.4. 6.低压配电系统

1）配电方式

低压配电系统宜采用三级配电方式，即总配电( 配变电室)、区域配电( 配电间) 和终端配电。三级配电系统相互之间要求保护开关动作具有选择性。

2）系统类型

低压配电系统及其适用范围

3）《民用建筑电气设计规范》JGJ 16-2008 中的规定超高层建筑中消防设备供电干线及分支干线应采用矿物绝缘电缆，众所周知，矿物绝缘电缆的绝缘材料氧化镁极易受潮，受潮后绝缘快速降低，因此，尽量减少矿物绝缘电缆的长度，减少偏移量。电缆端部应防止芯线溅水，连接矿物绝缘电缆的配电柜（箱）和用电设备接线盒的防护等级不宜低于IP55。

4）配电线路布线系统应注意以下几点：

(1) 超高层建筑宜设置独立的竖井。

(2) 由于需要末端双电源切换的负荷较多，电缆数量随之增多，可分设普通桥架与应急桥架。应急桥架内设隔板，使双电源的两根电缆分设两侧。

(3) 超高层建筑不宜采用穿刺线夹接线方式，此要求可以推广到整个民用建筑电气设计中。因为穿刺线夹尚没有产品的国家标准，各生产企业按其企业标准进行生产，产品质量良莠不齐。这几年的工程实践也证明了这一点。

6.1.5照明设计要点

6.1.5.1《中华人民共和国民用航空法》及国家有关文件对障碍灯的设置有明确规定:

1) 位于机场内水平面以内，高度在45米左右的建筑物和构筑物。从位于机场净空区的锥形面内从,内水平面边缘向外沿其轴线高度由45m逐渐增至145m高的建筑物和构筑物。

2) 高于地面150m或更高的建,构筑物应装设航空障碍灯除非经专门的航行研究表明它们并不危及飞者，设置了也可防止被撞，保护了大楼自身的安全。

电信系统的微波、移动通信铁塔及城市中通信枢纽大楼等, 均属上述规定的范围, 应按要求设置障碍灯。

《国际民用航空公约》要求障碍物顶部的灯,必须布置得至少显示出障碍物最高点或最高边缘。障碍物高出地面45米以上,必须在间层加设中障碍灯。高于150米的超高物体应中、高光强障碍灯配合使用。

超高层建筑应设置航空障碍灯，并应符合下列规定：

(1) 障碍标志灯应装设在建筑物或构筑物的最高部位。当制高点平面面积较大或为建筑群时，除在最高端装设障碍标志灯外，还应在其外侧转角的顶端分别设置。

(2) 障碍标志灯的水平、垂直距离不宜大于45m。

(3) 障碍标志灯宜采用自动通断电源的控制装置，并宜设有变化光强的措施。

(4) 航空障碍标志灯技术标准应符合表4-1 的规定。

(5) 障碍标志灯的设置应便于更换光源。

(6) 障碍标志灯电源应按主体建筑中最高负荷等级要求供电。

(7) 屋顶的航空障碍灯应安装在该楼避雷针的保护范围之内。安装在楼侧面的航空障碍灯的金属部分,应与防侧击雷的接地带按防雷要求作好连接。

(8) 航空障碍灯的联闪控制信号线与交流电源线路应分别穿保护管。

表4-1 航空障碍灯技术标准

注：表中时间段对应的背景亮度：夜间—50cd/m ；黄昏与黎明—50 ~500cd/m ；白昼—500cd/m 。

(9)航空障碍灯的分布

①障碍物的障碍灯设置应标志出障碍物的最高点和最边缘处(视高和视宽)。

②如果物体的顶部高出其周围地面45m 以上时, 必须在其中间层加设障碍灯, 中间层的间距不大于45m, 并应尽可能相等(城市中百米以上的超高建筑物尤其要考虑中间层加设障碍灯)。地处城市和居民区附近的建筑物装设中间障碍灯时, 应避免使居民感到不快, 一般要求地面上只能看到散逸的光线。

(10)一般可参照下图设置航空障碍灯。

①低于150 m 的物体, 其中间层应加设障碍灯, 且间距应尽可能相等, 参见图2(a)。

②高于150m 的物体, 中、高光强障碍灯应配合使用, 参见图2(b)。

③外型广大的建筑群体所设置的障碍灯应能从各个方位看出物体的轮廓, 水平方向也可以按45m 左右的间距设置障碍灯, 参见图2(c)。

分类:航空障碍灯按供电方式,分为太阳能供电与交流电源供电。按控制方式可分为根据环境亮度控制与定时设定控制。按环境亮度控制的可分为单闪控制与多盏联闪控制。而后者又可分为带外接控制器与在一个主控灯内附设控制器两种外接控制器可实现各灯同时闪烁或分组顺序闪烁。按电光源有效光强可分为中光强、高光强、景观障碍灯。按灯光颜色可分为红色、白色两种。

常用航空障碍灯,交流单闪障碍灯采用交流电源供电,内设光电控制自动启闭系统,单闪控制,电光源的有效光强可为中光强,也可为高光强。安装接线简便灵活。交流联闪障碍灯采用交流源供电。电光源的有效光强可为中光强或高光强。此型号灯不能单独使用,要与联闪集中控制器配合使用。可作为高大建筑物安全标志,显示其整体轮廓。交流景观联闪障碍灯采用交流电源供电。该灯实现了软起动、缓闪烁的功能,闪光明亮柔和。本灯与前述中或高光强闪光障碍灯配合使用,夜晚可使建筑物整体轮廓可视性更强.

6.1.5.2. 屋顶直升机停机坪的照明应符合《民用直升机场飞行场地技术标准》MH5013-2008 的要求，照明的要求可参考表4-2

表4—2 屋顶直升机停机坪照明要求

6.1.5.3超高层建筑应设置消防应急照明和疏散指示系统。

6.1.6防雷与接地

6.1.6.1 根据《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010，超高层住宅防雷等级应按二类防雷建筑设计。

6.1.6.2根据《民用建筑电气设计规范》JGJ 16-2008第11.9.1 条第6 款的规定，五星级宾馆的电子信息系统防雷击电磁脉冲防护等级划分为A 级，而宾馆、酒店是超高层建筑的主要功能之一。且建筑物高度高、建筑体量大，雷击风险大于普通建筑。故将超高层建筑电子信息系统防雷击电磁脉冲防护等级推荐为A级。

6.1.6.3超高层建筑多为钢结构或砼与金属框架结构，接闪器可采用避雷带和避雷针，当屋顶设有直升机停机坪时，应避免避雷针对直升机的影响。

6.1.7节能设计

节能环保业已成为我国当前一项国策，作为电能高消耗主体的高层建筑，必须在设计阶段坚定节能方针，从设备选型、配置到传输线路的距离、功耗，从吸收先进技术到降低无谓能耗高层建筑节能潜力很大，也对电气设计人员提出了更高要求。

高层建筑电气设计必须能满足建筑物的功能，在照度、色温、温湿度、空气流通诸方面达到使人舒适的程度，为建筑物的各种服务功能提供充足的动力电，在此基础上控制无谓能耗，作为节能的着眼点。首先找出哪些能耗是与发挥建筑物功能无关的，再制定、采取节能措施，如变压器的功率损耗、输电线路上的有功损耗都是无用的能量损耗还有量大面广的照明用电；都可以通过采用先进技术及新型节能光源加以改善。

节能设计要结合实际经济效益因素，不能因为节能而盲目投资，增加运行费用技术或设备的革新，换代增加的投资，应该能在较短的时间内用节能所节省的运行费用收回。选用节能设备时，应具体了解其原理、性能、效果、经技术、经济两方面比较而定。节能措施必须遵循技术先进、经济合理、环保实用的原则。6.1.7.1减少变压器的功率损耗，合理选择变压器的负载率，负载率75%～85%为宜；为充分考虑其节能环保要求，设计可选用非晶合钢，低损耗的铜芯变压器。

6.1.

7.2尽量使变电所深入负荷中心，缩短低压供配电线路的长度，减少配电线路的损耗，达到节能的目的。

6.1.

7.3使用高效、节能光源，荧光灯选用T8 荧光灯和三基色荧光灯，配电子镇流器，灯具效率不低于70%。

6.1.

7.4公共照明、水泵、风机等采用自动控制，正常工作时间全开，非工作时间改为减少照明或设备，比如节假日无人时可以只亮少量灯，各出入口处有手动控

制开关，可根据需要手动控制就地灯具的开关，可采用红外移动控制方式，人来开灯，人离开后延时关闭。

6.1.8 其他

超高层建筑和特大型建筑工程的供配电设计过程是复杂的、是一个全过程多专业协作、不断优化的过程，不仅方案的技术性要合理，而且投资的经济性也要合理。方为一个成熟的设计。