关键词:超高层建筑 供配电系统 负荷等级 变配电室设置

摘要:结合工程实例,介绍超高层商业综合体建筑的供配电系统设计(各级负荷的供电要求、高低压主接线形式、主/分变配电所位置的选择、自备柴油发电机系统的设置、0.4kV供配电系统的设计原则以及超高层建筑电缆选型和敷设方式说明),以及超高层商业综合体电气设计应注意的要点。

引言

随着经济的迅猛发展和科学技术的突飞猛进,一栋栋超高层建筑如雨后春笋般拔地而起,超高层建筑在完美勾勒城市天际线的同时,其特殊性和功能多样性也对供配电系统的可靠性、安全性提出了更高的要求。

笔者有幸参与了武汉普提金国际金融中心超高层商业综合体建筑的设计工作。借此机会,向各位简要阐述高度在200米以上,300m以下的超高层商业综合体的供配电系统。

工程概况

本项目坐落于湖北省武汉市武昌区,地上54层,地下2层,总高度为218.4m,总建筑面积125148.57m2。其功能分布为:裙楼部分1-6层为商业功能空间,7层为办公和设备用房,塔楼为公寓式办公空间。其中: 15,29,43层为避难层及设备层,打造地标性城市综合体(见图1),本文从一个电气设计者的角度介绍超高层商业综合体供配电系统。

负荷等级

《民用建筑电气设计规范》(以下简称《民规》)3.2.2条“民用建筑中各类建筑物的主要用电负荷的分级,应符合本规范附录A的规定”。

参考“附录A”,结合3.2.3条消防用电的负荷等级规定,本工程消防水泵、消防风机、应急照明等消防设备用电,客梯、生活水泵用电,商场、超市经营及设备管理用计算机系统用电,商场及超市备用照明用电,重要的弱电机房用电等属一级负荷,其中商场、超市经营及设备管理用计算机系统用电属一级负荷中特别重要的负荷,商场及超市自动扶梯、空调用电属二级负荷,其余照明、空调、动力负荷均属三级负荷。

依据《民规》3.3节电源及供配电系统要求,一级负荷采用双市电供电,一级负荷中特别重要负荷及保障性负荷除采用双市电供电外,还采用柴油发电机组作为应急的第三电源,各弱电智能化系统、消防控制室的用电还需各系统自带UPS作为备用电源。二级负荷采用双市电电源供电,三级负荷采用单市电电源供电。

高低压主接线形式

供配电系统的设计方案,需根据工程的规模及特点,按照负荷的性质、用电量、地区供电条件并适当考虑工程的发展来确定。当地供电局要求,每路10kV进线装机容量不高于10000kVA,两路10kV高压电源采用互备方式运行,要求任一路高压电源可以负担全部一、二级负荷。

经多轮可靠性与经济性比较,该建筑高压系统最终选定各变电所两路10kV高压电源同时供电,10kV高压系统为单母线分段运行方式,中间设联络开关,平时两路10kV电源同时分列运行,互为热备用,每路10kV电源均能承担全部一、二级负荷。当任一路10kV电源故障时,断开部分非重要负荷后,通过手/自动操作联络开关,由另一路电源负担全部一、二级负荷。高压主进开关与联络开关之间设电气联锁,确保任何情况下只能合其中的两个开关(详见图2、3)。

低压系统各变电所变压器低压侧采用0.4kV单母线分段的接线方式、低压母线分段开关采用自动投切方式时,低压母联断路器设有自投自复、自投手复、自投停用三种状态的位置选择开关,自投时应设有一定的延时,当变压器低压侧总开关因过负荷或短路故障而分闸时,母联断路器不得自动合闸,电源主断路器与母联断路器之间设电气联锁。

主/分变配电所和自备柴油发电机的设置

根据武汉普提金国际金融中心项目负荷估算结果及负荷分配情况,并校验各变电所出线电缆长度的压降,该建筑最终实施的方案是在适当位置设置一处高压配电房和四处变配电房,供电范围及变压器安装容量如下表:

低压供电均采用向上及向下供电方式。各变电所内变压器的高压电源均从设在主变电所的高压配电柜放射式配电引出。为保证一级负荷中特别重要负荷的供电可靠性,在地上7层另设置一台1200kVA(1000KW)的应急自起动型柴油发电机组,作为备用电源,当 10kV市电停电、缺相、电压或频率超出范围,或同一变配电所变压器同时故障时,切除非保障性负荷,从七层1#变配电房的低压主断路器处取柴油发电机的延时启动信号至柴油发电机房,信号延时 0~10s(可调)自动启动柴油发电机组,柴油发电机组15s内达到额定转速、电压、频率后,投入额定负载运行。当市电恢复 30~60s(可调) 后,由ATS 自动恢复市电供电,柴油发电机组经冷却延时后,自动停机,正常电源与应急发电机电源断路器间应有电气闭锁和机械联锁或采用双投开关。

计算机系统及重要弱电设备机房设UPS不间断电源,以满足转换时间要求。

供配电系统简述

1各级负荷的供配电要求:

一级负荷:采用两路市电电源供电,电源引自变配电所不同变压器的低压母线段,并在末端配电箱处互投。一级负荷中的特别重要负荷及保障性负荷,除采用两个市电电源供电外,还设置柴油发电机组作为应急电源及备用电源,一级负荷中的特别重要负荷采用双电源供电并在末端配电箱处互投,为消防负荷供电的电源中的一路引自应急电源母线段,为非消防负荷供电的电源中的一路引自备用电源母线段,为保障性负荷供电的电源中的一路引自备用电源母线段。根据允许断电时间的不同,各弱电智能化系统、主要业务和计算机系统、电子信息设备机房、安防控制室及消防控制室的用电还需自带UPS作为备用电源。超高层弱电井内设备用电按避难层分段集中设置UPS 电源,单独回路供电,消防用电与非消防用电分开,在每个弱电井的每层均分别设置UPS电源开关箱。在各防火分区分别设置的应急照明、疏散指示照明也相对集中设置EPS作为备用电源。

二级负荷:采用双电源供电并在适当位置处互投后再放射式供电或采用专用回路供电。租户办公层电表箱分奇数、偶数层采用两段专用母线段供电,并在同层预留母线插接箱,方便事故状态下投入另一段母线以提高供电可靠性。

三级负荷:采用单市电电源供电。为降低造价,甲方要求超高层商业综合楼卫生间照明、插座电源及电梯厅插座电源从层电表箱引接。

2本项目供配电系统简述:

本项目的高压电源均从设在7层的高压配电房的高压配电柜放射式配电引来。低压配电干线采用放射式与树干式相结合的配电方式。消防负荷、重要负荷、容量较大的设备及机房采用放射方式(图4);容量较小的分散设备采用树干式供电(详见图5、6、7)。

电缆选型和敷设方式说明

超高层建筑电缆选型和敷设方式应严格执行《民规》7.4节和《建筑设计防火规范》10.1.10条规定,并结合工程实际综合选定。

1导体选择:

高压柜至变压器高压侧采用6/10kV交联聚乙烯绝缘、聚烯烃护套无卤低烟阻燃A级铜芯电力电缆。发电机应急母线采用耐火型密集母线,冷冻机组等大型设备、办公照明、小动力大电流等用电采用密集型母线。对火灾时继续工作的备用照明、消防泵房、防排烟风机、消防电梯、消防控制室、电话机房等需要持续供电时间至少180min的一级负荷采用0.6/1kV柔性矿物绝缘防火电缆。低压采用0.6/1kV交联聚乙烯绝缘、聚烯烃护套无卤低烟阻燃A级铜芯电力电缆。非消防配电分支线的导线采用交联聚乙烯绝缘无卤低烟阻燃型铜芯导线,消防配电分支线导线采用交联聚乙烯绝缘无卤低烟阻燃耐火型铜芯导线。非消防控制电缆采用WDZA-KVV或WDZA-KVV22型,消防设备控制电缆采用WDZAN-KVV,阻燃B级。

2线路敷设:

本项目由地上7层高压配电房至避难层分变配电房的高压电缆沿专用的高压电缆井敷设,同组2路高压电缆沿不同的高压线槽敷设。水平和竖向垂直干线电缆均敷设在电缆槽盒内,控制及信号线缆在电缆槽盒或金属保护管内敷设。

普通与应急、双路电源等线缆应分管、分电缆槽盒或槽盒加金属隔板敷设。本工程设置消防专用电缆槽盒,对于消防电力电缆由变电所沿消防专用电缆槽盒敷设至配电点。消防配电线槽与其他配电线槽在电井内布置在两侧。

密集母线垂直敷设时采取减震降扰动措施,如密集母线不选用铝制外壳,以提高强度;设置柔性、独立式接头,以吸收轴向的伸缩;设置弹性支架和垫片,以缓解轴向位移和振动;缩短密集母线垂直敷设段的长度,以减小横向位移。

消防设备的配电线路,明敷时(包括敷设在吊顶内)应穿金属管或采用封闭式电缆槽盒保护,金属管或封闭式电缆槽盒应采取防火保护措施;暗敷时应穿管并应敷设在不燃性结构内且保护层厚度不应小于30mm。

变电所及发电机房设备的垂直运输

基于首层商业价值及分区供配电,减少管井面积,节约电缆投资和电能耗损等方面考虑,超高层建筑变电所及发电机房一般设在避难层,由此带来设备运输的难题,笔者通过以下几种方法来解决:

1、 尽量利用现有的电梯( 消防电梯/ 货梯) 运输。本项目货梯运输质量为3.0 t,7层避难层变压器选择SGB11-
10/0.4-0.23KV -1250 kVA的变压器,铁心材料为卷铁心(R 型),线圈绝缘为H 级绝缘(SGB 型),不带保护罩质量小于2.4 t,采用货梯可很好地解决运输问题。用SGB11- 10/0.4-0.23KV -1250 kVA ( 线圈为树脂C 级绝缘、铁心为叠加片式) 型变压器质量近3 t,无法直接用货梯运输。

2、 利用电梯井道运输。该超高层项目( 高度为218.4 m) 货梯运输质量为3.0t,考虑避难层的面积等问题,变压器台数受到限制,避难层选用SGB11-
10/0.4-0.23KV -400 kVA的变压器,不带保护罩质量小于3.0t,更换变压器时用专业的吊装设备从电梯井道内吊装到避难层的配电房内。该方法要临时安装吊装设备,施工工序比较麻烦。

结束语

本文还原设计过程,梳理设计思路,介绍超高层商业综合体的电气供配电系统设计,以及电气设计应关注的要点,剖析超高层建筑电气设计的特点(包括供电电源及供电电压等级的选择、供配电系统的搭建等),进而总结高度在200m以上300m以下的超高层商业综合体的电气设计,由于篇幅及时间的限制,难免有疏忽和表达不明之处,恳请各位同仁批评指正,相互交流,共同提高。

参考文献:

1、中国建筑东北设计研究院.民用建筑电气设计规范(JGJ16-2008)[s].北京:中国建筑工业出版社,2008。

2、中国建筑标准设计研究院.超高层建筑电气设计与安装(14D801)[S].北京:中国计划出版社,2014.

3、李炳华,超高层建筑电气设计要点[J].智能建筑电气技术,2011,4、中国航空工业规划设计研究院组编.工业和民用配电设计手册.第四版.北京:中国电力出版社

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