高層建筑高低壓供配電設(shè)計(jì)

劉準(zhǔn)生

［潤(rùn)加物業(yè)服務(wù)（深圳）有限公司南寧分公司，廣西 南寧 530000］

0 引言

在高層建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中，高低壓供配電設(shè)計(jì)過(guò)程復(fù)雜，對(duì)安全性能要求高，設(shè)計(jì)過(guò)程重要且困難。因此，如何克服困難，在高層建筑中設(shè)計(jì)出合理、實(shí)用的高低壓供配電系統(tǒng)是每個(gè)設(shè)計(jì)工作者須研究和考慮的問(wèn)題。

1 高層建筑供配電系統(tǒng)的特點(diǎn)

在高層建筑中，供配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)直接影響到其電力設(shè)施的安全使用。如今，建筑行業(yè)飛快發(fā)展，高層建筑的結(jié)構(gòu)形式也越來(lái)越多，給供配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和安裝帶來(lái)一定的困難。高層建筑的空間結(jié)構(gòu)跨度很大，尤其是垂直方向上的跨度。高層建筑中使用的電器很多，如電梯、空調(diào)、風(fēng)扇、電磁爐等，這些用電設(shè)備都要靠電力供應(yīng)，都需要依靠安全的供配電系統(tǒng)。在現(xiàn)代社會(huì)，隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，居民的生活質(zhì)量也越來(lái)越好，人們使用的家電、辦公設(shè)備越來(lái)越多，消耗的電量也更大。因此，供配電系統(tǒng)的安全性能就變得尤為重要。

2 高層建筑對(duì)供配電設(shè)計(jì)的要求

2.1 供配電系統(tǒng)應(yīng)具有較強(qiáng)可靠性

高層建筑運(yùn)行時(shí)，因建筑物內(nèi)各種電器和設(shè)備的電力消耗需求量大，因此對(duì)電力供應(yīng)、配電系統(tǒng)的負(fù)荷有很高的標(biāo)準(zhǔn)和要求，因此在設(shè)計(jì)時(shí)要確保供配電系統(tǒng)的負(fù)荷能達(dá)到高層建筑的負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)，并在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段就應(yīng)認(rèn)真做好高層建筑負(fù)荷的調(diào)查和分析，從而減少其故障率。此外，高層建筑在運(yùn)行過(guò)程中，還涉及各種消防儀器的使用，這些消防儀器都要靠供電才能正常運(yùn)行和使用，因此，供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用高抗火性的電線電纜，確保系統(tǒng)能夠正常、安全、穩(wěn)定運(yùn)行[1]。

2.2 配供電系統(tǒng)電源應(yīng)具適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換時(shí)間

高層建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中，為確保供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定，一般都要安裝兩個(gè)相互獨(dú)立的電源。因此，供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮某一電源可能出現(xiàn)的故障，必須保證電源切換時(shí)間達(dá)到相應(yīng)的要求，以提高高層建筑供配電系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性。此外，對(duì)于電力供應(yīng)穩(wěn)定性有較高要求的超高層建筑，必須在供配電系統(tǒng)中安裝柴油發(fā)電機(jī)，如果出現(xiàn)斷電的情況，可將其作為后備電源補(bǔ)充使用。在選擇ATSE 電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)時(shí)，可優(yōu)先考慮選用PC 級(jí)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，然后對(duì)比開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)換時(shí)間和允許轉(zhuǎn)換時(shí)間，如果切換時(shí)間太長(zhǎng)，需要安裝UPS 電源。

3 高層建筑供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題

3.1 能耗大，浪費(fèi)資源

作為建筑工程的用電調(diào)度主控平臺(tái)，供配電系統(tǒng)可以根據(jù)電網(wǎng)的運(yùn)行方式進(jìn)行電力資源的優(yōu)化配置，從而加速區(qū)域電力生產(chǎn)過(guò)程的一體化建設(shè)。在建設(shè)初期，受各種主觀和客觀因素的制約，建筑工程的供配電系統(tǒng)出現(xiàn)很多調(diào)度性方面的問(wèn)題，普遍存在“能耗大”的現(xiàn)象，直接影響建筑物的整體性能。如在家庭建筑中，房屋內(nèi)部電路的不合理布置，使得家用電器在使用過(guò)程中，產(chǎn)生大量的能源消耗，不僅違背經(jīng)濟(jì)型建筑的要求，而且對(duì)住宅居民的居住環(huán)境造成一定的影響。

3.2 故障多，安全性能低

現(xiàn)階段，國(guó)家對(duì)建筑行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行明確規(guī)定，要求建筑行業(yè)注重技術(shù)創(chuàng)新，需定期不定期對(duì)建筑進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，給供配電系統(tǒng)創(chuàng)造良好的運(yùn)行環(huán)境，降低不利因素對(duì)系統(tǒng)的影響；同時(shí)，要完善建立智能化供配電系統(tǒng)，優(yōu)化供配電調(diào)度模式，通過(guò)供電系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的相互作用，使建筑供配電系統(tǒng)更加安全可靠。然而，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，建筑內(nèi)部的供配電系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題或故障的概率也越來(lái)越高，這會(huì)影響建筑物的正常運(yùn)行，降低供電系統(tǒng)的安全可靠性。

3.3 功能不齊全，技術(shù)不到位

部分高層建筑供配電系統(tǒng)的功能不全，對(duì)建筑工程各項(xiàng)性能和指標(biāo)產(chǎn)生影響，也影響建筑物的供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的改造和升級(jí)[2]。如：部分建筑物供用電模式不完善，影響其供配電設(shè)計(jì)的優(yōu)化。因傳統(tǒng)的建筑物供配電系統(tǒng)缺陷較多，新的改造模式不適用，配電技術(shù)、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)控制與調(diào)度等技術(shù)應(yīng)用不到位，阻礙了建筑物特別是高層建筑整體功能的實(shí)現(xiàn)。

4 高層建筑高低壓供配電設(shè)計(jì)方案

供電、配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)前期，首先要依據(jù)有關(guān)規(guī)定，確定最大負(fù)荷等級(jí)和各等級(jí)相應(yīng)的用電負(fù)荷的大小。只有做好用電負(fù)荷的計(jì)算，才能判斷和選擇何種類型的供電系統(tǒng)、儀器設(shè)備等裝置。在電力系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，通常靈活采用單位建筑面積用電指標(biāo)法和需要系數(shù)法或者兩種同時(shí)使用的方式對(duì)用電負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算。用電負(fù)荷等級(jí)一般分為一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)負(fù)荷，一級(jí)負(fù)荷必須有兩個(gè)電源供電，其中一臺(tái)電源出現(xiàn)故障，另一電源不會(huì)同時(shí)受損，如果一級(jí)負(fù)荷中有特殊的負(fù)荷要求，要增加一臺(tái)備用電源，并禁止其他負(fù)荷與其連接；二級(jí)負(fù)荷一般由雙回線供電；三線負(fù)荷則沒(méi)有特殊要求。本文從高壓和低壓系統(tǒng)分別對(duì)高層建筑的供配電系統(tǒng)進(jìn)行分析。

4.1 高壓供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1.1 確定高壓供配電設(shè)計(jì)方案

電力設(shè)備在高層建筑中的應(yīng)用較多，實(shí)際使用過(guò)程中，建筑中電力設(shè)備的總負(fù)荷較大，因此，高壓供配電系統(tǒng)的線路電壓一般超過(guò)10kV，要想確保高壓供配電系統(tǒng)線路能夠正常運(yùn)行，可根據(jù)實(shí)際選擇使用單側(cè)、雙側(cè)或者環(huán)形的雙回路模式。單側(cè)的雙回路模式建設(shè)成本最低，但其安全性和可靠性也較低；環(huán)形的雙回路模式安全可靠性高，但建設(shè)成本也高；雙側(cè)的雙回路模式安全可靠性居于單側(cè)和環(huán)形的雙回路模式之間。因此，在高壓供配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需根據(jù)高層建筑對(duì)供配電系統(tǒng)的安全可靠和建設(shè)成本的實(shí)際需求，確定選用什么類型的方案和供配電模式，以確保高層建筑系統(tǒng)高壓供配電能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的效果[3]。

4.1.2 確定主接線設(shè)計(jì)方案

確定高壓主接線施工方案時(shí)，不能脫離供配電系統(tǒng)方案內(nèi)容，兩個(gè)方案相對(duì)應(yīng)才能發(fā)揮效果，同時(shí)，要考慮高層建筑運(yùn)行時(shí)真實(shí)使用的電源，最后確定高壓的主接線設(shè)計(jì)方案。要想保證高層建筑物的高壓供配電系統(tǒng)能夠安全、可靠運(yùn)行，就要考慮選擇復(fù)雜性建設(shè)方式，即在高壓供配電系統(tǒng)內(nèi)安裝母線開(kāi)關(guān)，然后分段成單個(gè)母線，通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)，在高壓的供配電系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，如果有電源出現(xiàn)故障，可立即通過(guò)母線開(kāi)關(guān)提供臨時(shí)性電力供應(yīng)，彌補(bǔ)故障電源線路的問(wèn)題，確保高壓供配電系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。雖然供配電綜合系統(tǒng)的建設(shè)成本較高，但目前高層建筑的供配電系統(tǒng)還是普遍使用高壓供配電系統(tǒng)并長(zhǎng)期運(yùn)行。

4.2 低壓供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高層建筑在建設(shè)低壓配電系統(tǒng)時(shí)，一般采用的低壓配電系統(tǒng)有樹(shù)干式、輻射式、鏈?zhǔn)胶突旌鲜? 種。在高層建筑中混合式配電方式應(yīng)用最廣泛。

4.2.1 鏈?zhǔn)焦┡潆娤到y(tǒng)設(shè)計(jì)

鏈?zhǔn)焦┡潆姺绞街饕菍㈦娖骰蛘吲潆娤渑c供配電系統(tǒng)的主干線路連接，直接供電運(yùn)行。在供配電系統(tǒng)建設(shè)時(shí)，由于鏈?zhǔn)焦┡潆姺绞骄€路分支節(jié)點(diǎn)不多，且更方便施工人員鋪設(shè)電纜和電線，因此建設(shè)成本相對(duì)低。然而，鏈?zhǔn)焦┡潆娤到y(tǒng)也有一定的弊端，系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，如果出現(xiàn)問(wèn)題故障，在檢修的時(shí)候要切斷線路徹底斷電，因此鏈?zhǔn)焦┡潆娔Ｊ降目煽啃圆桓撸诘蛪汗┡潆娤到y(tǒng)中使用這種方式時(shí)，一般用在對(duì)供電安全可靠性要求不高的建筑內(nèi)，且這種建筑鏈?zhǔn)焦┡潆姺绞綄?duì)用電儀器的容量要求不高。

4.2.2 樹(shù)干式供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

樹(shù)干式供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，要求在供配電裝置的主干線上合理設(shè)置節(jié)點(diǎn)，把主干線路電力傳送到相應(yīng)的配電箱，供應(yīng)給使用的設(shè)備或電器，這種運(yùn)行原理和鏈?zhǔn)焦┡潆娤到y(tǒng)相近。樹(shù)干式供配電系統(tǒng)施工工藝簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，而且與鏈?zhǔn)焦┡潆娤到y(tǒng)相比，供配電的運(yùn)行更加穩(wěn)定和安全。不過(guò)，為了確保主干線路更加可靠，避免主干線路的任何一點(diǎn)出現(xiàn)故障，會(huì)對(duì)建筑的電力供應(yīng)產(chǎn)生影響[4]。因此，在低壓供配電系統(tǒng)建設(shè)時(shí)，如果對(duì)建筑的供配電系統(tǒng)功能可靠性不作高要求，且其用電負(fù)荷分布較均勻，則可以考慮采用此供配電系統(tǒng)。

4.2.3 放射式供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于放射式供配電系統(tǒng)而言，其主要是通過(guò)將總配電箱的電力分配至各配電箱，放射式配電系統(tǒng)有一定的優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)供配電各個(gè)子系統(tǒng)中電力的獨(dú)立供應(yīng)，如果供配電系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題，出現(xiàn)問(wèn)題的子系統(tǒng)不影響其他供配電子系統(tǒng)的運(yùn)行，這樣使得供配電系統(tǒng)故障的影響范圍大大縮小，有利于實(shí)現(xiàn)供配電系統(tǒng)的安全、可靠性能。然而，放射式供配電系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要鋪設(shè)的線纜較多，既提高了供配電系統(tǒng)工程的造價(jià)成本，又增加施工難度，且放射式供配電系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)靈活性不足。因此，在開(kāi)展低壓供配電系統(tǒng)建設(shè)工作時(shí)，一般考慮將其運(yùn)用于供配電可靠性較高，且儀器設(shè)備容量較大的建筑工程中。

5 提高高層建筑高低壓供配電設(shè)計(jì)的方法

5.1 提升電源保障能力

實(shí)際高層建筑高低壓供配電系統(tǒng)中，一級(jí)負(fù)荷和二級(jí)負(fù)荷的供電方式不一樣，一級(jí)負(fù)荷需要依靠?jī)蓚€(gè)供電電源輸出電力，但二級(jí)負(fù)荷主要通過(guò)兩個(gè)獨(dú)立的專用回路輸出電力。若要保證一級(jí)負(fù)荷不出現(xiàn)斷電或其他故障，則應(yīng)在系統(tǒng)中使用柴油發(fā)電機(jī)組。如果是緊急照明裝置等特殊用途的電器，必須事先準(zhǔn)備好電池，以便在出現(xiàn)故障時(shí)能夠及時(shí)供電。對(duì)于可能發(fā)生的意外狀況，要做好應(yīng)急預(yù)案和預(yù)防措施，安裝可以隨時(shí)充電的獨(dú)立運(yùn)行的干電池應(yīng)急燈，以備不時(shí)之需，如果建筑內(nèi)發(fā)生安全事故，室內(nèi)相關(guān)工作人員能短時(shí)間離開(kāi)安全事故現(xiàn)場(chǎng)。

5.2 合理選擇變電所

高層建筑如高樓大廈的變電所位置和設(shè)備的選擇必須全面統(tǒng)籌考慮，最好選擇距離負(fù)荷中心和電源位置較近的地方，便于儀器設(shè)施的安裝和運(yùn)輸，同時(shí)確保變電所的良好通風(fēng)和散熱，但要強(qiáng)調(diào)的是，變電所的選址不能選在劇烈震動(dòng)、潮濕和采光差的地方，且盡量避開(kāi)有腐蝕性的地方安裝和建設(shè)。

5.3 確保接地方式的安全

供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，線路的接地方式是保證供配電網(wǎng)安全的關(guān)鍵。對(duì)于高層建筑而言，可以將工作接地和保護(hù)接地兩種方式相結(jié)合進(jìn)行設(shè)計(jì)，這種組合式接地方式更方便使用。在實(shí)際應(yīng)用中，接地電阻值一般都高于國(guó)家要求的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)值，因此要充分利用高層建筑鋼筋的接地電阻，并通過(guò)人工接地，使得高層建筑接地網(wǎng)功能更加齊全，進(jìn)一步提高高層建筑供配電系統(tǒng)的整體性能，實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)[5]。

5.4 電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的選擇

負(fù)荷特性是我們?cè)谶x用ATSE 電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)時(shí)的重要依據(jù)，應(yīng)充分考慮其性質(zhì)，并根據(jù)裝置的斷電時(shí)間間隔，優(yōu)先選用PC 級(jí)的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，將電源切換時(shí)間和重要負(fù)載的允許中斷時(shí)間互相比較，當(dāng)電源切換需要較長(zhǎng)時(shí)間時(shí)，可通過(guò)增加UPS 電源的方式，以確保重要負(fù)荷供電的連續(xù)性。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要結(jié)合實(shí)際情況對(duì)其進(jìn)行科學(xué)、合理的劃分，使各供電地區(qū)的連續(xù)性得以實(shí)現(xiàn)。

5.5 應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的設(shè)置

應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組是目前高層建筑一級(jí)負(fù)荷的供電、配電系統(tǒng)中一種常用的電力供配電方式。如果是使用一臺(tái)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電，要盡量避免出現(xiàn)突發(fā)事故，因?yàn)橐坏┌l(fā)生故障，電力供應(yīng)就會(huì)變得非常困難，所以必須將應(yīng)急電源與常用電源分開(kāi)，并需要一臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組作為緊急情況下的備用電源。若高層建筑的高度超過(guò)200m，垂直輸送電力較困難，不能滿足樓面承載能力時(shí)，則可以采用EPS、UPS 方式確保電力供應(yīng)的連續(xù)性；若以上方法都不可行，且不會(huì)對(duì)建筑物及居民產(chǎn)生影響的情況下，可在高層建筑的頂端合理安裝小型柴油發(fā)電機(jī)組。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上綜合分析，我們對(duì)高低壓供配電系統(tǒng)的概念、存在問(wèn)題、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和提高高層建筑高低壓供配電設(shè)計(jì)的方法等都有了一個(gè)全面的認(rèn)識(shí)?？偠灾?，為了能夠更好地進(jìn)行高層建筑的高壓低壓供配電綜合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，還需要大量的專業(yè)人士和技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)積累，根據(jù)國(guó)內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)高層建筑的實(shí)際需要進(jìn)行了一系列的優(yōu)化和完善，為高層建筑的高低壓供配電綜合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、施工提供了質(zhì)量和效果保證。