高层建筑中变配电系统的设计

王鹏

（新疆天麒工程项目管理咨询有限责任公司新疆克拉玛依834000）

摘要高层建筑伴随着我国国民经济的高速发展而进入快速建设期，搞好高层建筑内变配电系统的设计就显得尤为关键。本文在分析高层公共建筑电气设施特点同时，通过对高层建筑各功能场所的用电负荷等级分类、数据统计和计算，提出应如何进行高层建筑变配电系统的设计，并对变配电室的设置及低压配电方式进行了探讨。

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关键词 高层建筑 负荷 电气主接线 高压配电 低压配电

一、前言

高层建筑伴随着我国国民经济的高速发展显现出越来越多的趋势，其形式种类多样、使用功能日渐繁杂，对供电的要求也不尽相同，因此变配电系统的合理性设计对高层建筑在供电可靠性、变配电设施运行的经济合理性等方面显得至关重要，本人结合多年的设计经验对此作些探讨。

二、高层建筑电气设施特点

1.消防设施用电负荷等级高。高层建筑高度高，体积规模大，人员密集，设备繁多，一旦发生火灾会造成重大人员伤亡及财产损失。因此其消防设施显得特别重要。

2.用电负荷大，供电可靠性要求高。高层建筑用电设备多，用电负荷大，各类重要用电设备都要求较高的供电可靠性。

3.电气设备的布置。由于高层建筑高度高，为减少线路损耗，配电变压器可分层分区域布置，为便于竖向敷设，一般都设有专用电缆竖向井道。

三、用电负荷分析和计算

高层建筑用电负荷分析和计算是搞好变配电系统设计的前提和基础，负荷的分析和计算准确与否，对合理选择设备及日后的安全与经济运行，起着决定性的作用，因此必须高度重视。设计中，应首先对高层建筑的各功能场所的用电负荷进行负荷等级分类和数据统计。负荷分类应依据国家现行规程规范的要求进行，绝不能主观臆测。如《高层民用建筑设计防火规范》中明确规定：一类高层建筑的消防用电负荷为一类负荷，二类高层建筑的消防用电负荷为二类负荷。因此，设计中就应首先明确该建筑为几类高层建筑，这样就可明确消防用电负荷的等级。要分清哪些是一年四季都使用的负荷即正常用电负荷，哪些是季节性负荷(如制冷用冷水机组等用电负荷仅在夏季使用，制热用的空气幕用电负荷仅在冬季使用，这类负荷均为季节性负荷，哪些是仅在特定情况下才使用的负荷，如消防设备用电负荷在正常情况下并不使用，仅当发生火灾时才使用的负荷。通过对各种用电负荷的等级、种类及大小进行统计分析和计算，为正确合理地选择电器设备及变配电系统的设计打下基础。

四、变配电系统的设计

1.向当地供电部门收集有关设计资料。配变电所的设计应事先取得当地供电部门的有关设计资料。在方案比较阶段，拟定工程的负荷性质及对供电可靠性的要求，明确供电电压、供电方式及电源线路数量要求以及对变电所的容量、位置有了意向后，应会同筹建部门向供电部门申报用电，联系取得有关资料，主要收集的资料有：（1）向用户供电的地区变电所近期和远期负荷情况。（2）向用户供电的电压、线路长度、线路形式以及回路情况、系统中性点接地方式。（3）供电端系统最小运行方式和最大方式短路数据，或者供电部门对用户要求的断路器分断能力。（4）对断电保护及自动装置要求。（5）对用户功率因数要求，负荷控制要求。（6）计量装设要求。（7）对通讯、调度要求及管理意见。（8）对主要电气设备选用的有关规定。

2.电源的确定。通过上述对各种用电负荷的统计分析和计算，明确该建筑用电负荷的种类。依据国家现行规范要求，一类负荷应采用双电源供电，其中一类负荷中特别重要负荷除应采用双电源外，还需增设第三电源。二类负荷应采用双回路供电，如何实现上述要求？首先，设计人员在现场调研时要确认该建筑所建点是否具备所需电源，这点很重要。因为它直接关系到变配电系统的设计。如你设计的是一类高层建筑，应采用双电源供电，但现场并不具备双电源条件，只有一路电源，那么你在设计变配电系统时就应考虑自备电源，以保证该建筑所需要的双电源。在此需要强调的是具备什么条件的电源才算双电源？一些人认为只有真正完全独立的两路电源才算双电源，但现在真正意义上的完全独立的电源很少，基本都是并网。对此，《民用建筑电气设计规范》条文中也已明确，由两个35 kV 及以上电压等级的区域性变电站引出的电源即可认为是双电源，并不一定非要真正意义上的两个完全独立的电源。到底采取何种方式的电源，根据现场的实际情况而定。

3.高压主接线。大多数高层公共建筑用电负荷很大且集中，低压供电往往不能满足要求，国内通常采用10 kV 供电。常用主接线有如下几种情况：

（1）两路10 kV 进线，单母线分段接线，设母联开关。正常情况下，母联开关断开，两路电源同时供电，互为备用。这种接线有很高的可靠性，但投资也相对较高。适用于高级宾馆、大型商场、大型办公楼等。

（2）两路10 kV 进线，单母线分段接线，不设母联开关。正常情况下，两路电源同时供电。这种接线比较简单，可靠性相对前一种要差些。适用于一般办公楼、住宅楼等。

（3）两路10 kV 进线，单母线不分段接线。正常情况下，两路电源一路工作，一路备用，当工作电源失电时，备用电源自动投入或手动投入，两路都能保证100%的负荷用电。此种接线所用高压设备少，投资相对节省，但当母线清扫或故障时，将造成全部停电，供电可靠性相对较低，该接线方式适用于高层住宅等要求不太高的场所。

（4）一路10 kV 线路供电，并由城市公用变压器或由相邻大厦变电所引来380/220 V低压备用电源，或者由自备柴油发电机来提供备用电源，备用电源主要确保一、二类负荷用电。该接线方式适用于建筑规模相对较小的公共建筑供电。

以上各种高压主接线方式的选用，主要取决于建筑物本身的级别和当地电网的条件。

4.低压配电主接线。低压配电系统的设计是否得当，将直接影响高层建筑的安全、运行和管理。（1）低压配电系统一般要满足下列要求：有较高的供电可靠性和灵活性；接线力求简洁，施工运行维护方便。（2）单母线分段接线方式：正常情况下，母联开关断开，两台变压器同时工作，互为备用。当任一台变压器因故停运时，另一台变压器满足全部一、二级负荷及部分三级负荷，这种接线有很高的可靠性。（3）当一级负荷中有特别重要负荷时，需增设第三电源。

5.变配电室的设置。

（1）设在建筑主体内。在高层建筑中由于其造价昂贵，建筑物内寸土寸金，业主更强调经营效益，常常坚持将配变电用房放在地下室，由于地下室存在电气设备进出不易，通风不良，环境潮湿，都会影响电气设备的安全运行，而且一旦设备出现问题，往往检修不易。因此，变配电室最好设在底层，如因客观条件限制必须放在地下室时，要符合下列要求：设置直接对外的通道或出口；采用不可燃设备。

（2）设在建筑主体旁，采用独立变配电室。在条件许可的情况下，设独立变配电室。采用独立变配电室不仅可以很好地解决设备设在地下室而出现的种种弊端，而且可以很好地兼顾用户现有配电系统及今后发展的需要。

6.低压配电方式。

（1）低压干线设计。低压配出干线指从配电室的低压配电柜出线开关至各大型用电设备或楼层配电箱的线路。其接线方式分为放射式和树干式。

放射式一般用在：①要求供电可靠性高的场所；②单台容量较大的设备；③容量比较集中的场所。如要求供电可靠性较高的大型消防泵、消防电梯等设备，单台容量较大的制冷用冷水机组等一般采用放射式供电。

树干式接线一般用在：①要求供电可靠性不是很高的场所；②单台容量不大的设备。树干式接线有多种多样，常见的有分区树干式接线或母线树干式接线。分区树干式接线一般用在负荷不是很大并且不是很重要的情况，该接线的优点是一旦线路故障其影响面较小；母线树干式接线多用于层数多负荷大的场所，该接线的优点是低压总配电系统不需要很多出线，可节省低压配电盘，但缺点是一旦总开关或线路故障其影响面较大。放射式配电线路故障时互不影响，可靠性高，但投资相对较大。而树干式配电干线故障时影响较大，供电可靠性相对较低，但投资相对较省。

（2）配电干线的敷设。一般可考虑在电缆竖井、吊顶内走电缆桥架、线槽、封闭母线等。尽量少走穿钢管埋地的敷设方式。电缆竖井是配电干线敷设的重要通道，也通常是电专业每层动力及照明总配电箱的设置场所，因此，其大小、具体位置要尽可能合理，尽可能靠近负荷中心，竖井尺寸不要太小，应方便施工人员的设备安装，方便维护人员的操作和检修，应根据具体工程同建筑专业设计师协商而定。在现场中发现有的设计人员将电缆竖井设得太小，很难进行电缆施工，也很难进行正常操作和检修，并且给电气设施的安全运行带来了不应有的安全隐患，因此，设计人员对此引起足够的重视。

（3）楼层低压配电。一般情况下，在高层建筑的每层均设楼层配电箱，楼层建筑面积较大的，每层设若干个配电箱。配电箱内设有进线总开关及若干个出线分开关。配电箱一般设在电气竖井内明装，也有的采用暗装配电箱装在楼道或其他公共场所的墙上。装设的原则是要尽可能接近负荷中心；不影响建筑的结构；进出线方便，安装、操作维护方便，管理方便。为提高供电的可靠性，一般将照明用配电箱与动力用配电箱分开设置，各成独立系统，互不影响。

7.变电站综合自动化技术。变电站综合自动化技术是以计算机技术为基础，将测量、监控、继电保护和通讯功能综合在一起，构成全微机化的综合自动化系统。它是一个分层分布式集散系统，它的最底层是一个多功能的计算机监控单元，是以一个配电回路或间隔为单元，把信号、测量、控制和继电保护集中于一体，然后用一根通讯线把每个单元连接起来，再引到一个主计算机(工作站)。综合自动化技术的出现，简化了变配电系统的二次接线，提高了变配电站的自动化程度和管理水平，提高了变配电站的运行可靠性，减少了占地面积，使变配电系统实现无人值守成为可能。是变配电系统自动化控制方式的发展趋势。现在，该技术已越来越成熟并得到了越来越广泛地应用。

五、高低压变配电设备选择

1.一般要求。变配电站设计采用的设备和器材，应符合国家或地区的有关规定以及行业的产品技术标准。并应优先选用技术先进、经济适用和节能的成套设备和定型产品，不得采用淘汰产品。

2.变压器的选择。变压器台数应根据负荷特点和经济运行条件进行选择。当符合下列条件之一时，宜装设两台及以上变压器。

一是有大量一级或二级负荷。

二是季节性负荷变化较大。

三是集中负荷较大。

装有两台及以上变压器的变电所，当其中任一台变压器断开时，其余变电器的容量应满足一级负荷及二级负荷的用电。

一般情况下，动力与照明宜共用变电器。当属下列情况之一时，可设专用变电器。

一是动力和照明共用变电器严重影响照明质量及灯泡寿命时。

二是季节性负荷（如空调设备等）约占工程总用电负荷的1/3及以上时。

三是冲击性负荷较大，严重影响电能质量时。

变压器的合理选择很重要，有的设计人在进行负荷计算时对各类用电设备负荷分析不够深入，所选系数偏大，结果将变压器的容量选得过大，变压器负荷率过低，造成用户投资增加，运行费用增加很大，给用户带来不应有的资金投入。但变压器负荷率也不能过高，要考虑足够的裕量，否则对将来的发展不利。变压器负荷率控制在65%~75%为宜。这样对变压器的安全、寿命及经济运行均有好处。由于变压器的损耗在配电系统中占的比重较大，因此选择底损耗的节能型变压器是设计中应考虑的问题。当将变压器设在建筑主体内时，出于安全需要，几乎毫无例外地选择干式变压器，干式变压器除具有机械性能好，抗短路能力强，防潮，阻燃自熄的特点外，还具有耐冲击能力强、损耗低等特点，同时它还是低噪声的对周围环境不会造成影响的绿色产品，该产品已很成熟，可优先选用。

3.高低压开关柜的选择。在高层民用建筑中，出于对消防安全考虑，高开关设备常采用带真空断路器手车式开关柜或SF6气体绝缘环网柜为宜，环网柜具有接线简单，操作方便，结构紧凑，造价低等优点，由于其外形尺寸小，可以靠墙安装，占地面积小，可节约土建造价，正因为环网柜优点很多，所以，现在得到了越来越多的广泛应用。具体选择哪种开关柜应根据工程的具体情况及当地供电部门的要求来定。

低压开关柜型以抽屉柜为宜，对于规模较小的高层建筑，也可考虑采用固定柜。

4.自备应急发电机组的选择。自备应急发电机组是高层民用建筑的重要设备，它不但对高层建筑的安全起重要作用，而且对高层建筑的管理也很重要，在选择时要注意以下几点：（1）机组启动与运行一定要可靠，另外机组能在紧急情况下自动启动，并能在15 秒内接带负荷。（2）机组的外形尺寸要小，结构要紧凑，重量要轻，以减少占地面积和层高及基础要求。（3）机组平时的暖机功率要小，以节省运行费用。（4）机组的噪音、震动、耗油要尽可能小。

六、结束语

变配电系统的设计是高层建筑电气设计的关键环节，设计中要充分重视高层建筑用电负荷的特点，通过详尽的分析和计算，设计合理的高低压电气主接线并进行多方案的技术和经济比较，以选择最佳方案，使变配电系统安全可靠、经济合理。

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参考文献

[1]丁明往，汤继东编.高层建筑电气工程[M].北京：水利电力出版社.

[2]北京建筑设计院编.建筑电气专业设计技术措施[M].北京：中国建筑工业出版社.