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超高层建筑电气设计的几点体会
作者：傅勇平 朱亮亮
来源：《中国新技术新产品》2011年第24期
摘 要：通过对超高层建筑的中压供电系统、设备的垂直运输、发电机组供电电压的选择及启动要求、EPS供电时间的确定、谐波及抑制措施、浪涌保护器的设置及弱电消防应该注意的问题等几个方面进行探讨，提出了应急照明转换用EPS电源持续供电时间10分钟的概念，阐明了变压器垂直运输的三种方法、发电机启动条件还应该考虑10kV侧供电情况，同时从弱电消防的角度说明增加电缆温度测量及局部重要场所设置主动抽气式烟雾探测系统的必要性，并从节能的角度说明了能源管理系统。
关键词：中压供电；EPS供电时间；中压发电机组；总线式智能化浪涌保护器；主动抽气式烟雾探测系统；电缆温度；能源管理系统 中图分类号： TU892 文献标识码：B
近年来，全国各地大量涌现超高层建筑，几乎都成为当地城市的重要标志。但是，超高层建筑人员密集，机电设备多，用电负荷大，对电能质量及用电可靠性要求高，对消防用电也有更高的要求，同时由于超高层建筑面积大（一般在20万平米以上），对超高层建筑的使用及管理要求有也更高，这就给超高层建筑的电气设计提出了新的挑战。笔者有幸负责深圳及天津两处建筑高度200米以上的超高层建筑的电气设计，现将设计中出现的一些问题及采取的措施整理出来，与同行分享及探讨。 中压供电方式
中压供电等级由建筑物所在的城市决定，例如深圳中心区采取10KV供电，天津大型建筑采用35kV供电，苏州工业园区采用20kV供电等。不同的电压等级相应每路电源的容量不同，要求进线回路数也可能不同，下面以35kV及10kV供电加以说明。 1．35kV供电：
天津的超高层建筑采用35kV供电时，超高层建筑通常由2路独立的35kV电源，两路电源互为备用，单母线分段带联络开关。笔者设计的项目采用35kV直接降至0.4kV，可以减少35/10kV及10kV/0.4的多级转换带来的设备投资增加及设备房占用面积的增加，35kV供电每个供电回路可带用电负荷容量也加大(例630A的出线开关，35kV供电负荷可达38MVA，10kV供电负荷不到11MVA)，因此两个35kV供电回路基本可满足要求，具体线路如下图： 图1 35kV供电系统图
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2．10kV供电：
深圳中心区由于采用10kV供电方式，考虑到10kV区域变电站每个回路容量及出线情况，采用了图2的方式供电：进线采用3路10kV电源供电。系统有下列四种运行方式：（1）正常运行时，两路主供电源(1DL、2DL))同时供电，负荷均衡分配，联络开关断开，备用电源(3DL)热备用；（2）当其中1路主供电源失电时，该路电源与备用电源间的联络开关自动投入，当失压电源回路恢复电压时，手动断开联络开关，手动合上已恢复供电回路的电源开关，转换成正常情况下的供电方式；（3）当两路主供电源均停电，10DL联络开关自动投入，备用电源供电；（4）当其中1路主供电源失压，同时备供电源失压，另1路主供电源供电，该侧联络开关保持断开。 图2 10kV供电系统图
二、变电所的设置及设备的垂直运输
超高层建筑变电所设置需要考虑到以下三个方面：
1．超高层建筑地下室层数一般都会超过1层以上，考虑到首层面积的商业价值，变配电房考虑在地下一层设置，既可以解决洪水时浸水的问题，同时不占用首层价值商业面积。 2.建筑高度超过150米的超高层建筑，应考虑在上部的避难层设变配电房。可以有效解决电能质量的问题（根据甲级写字楼的标准，稳态电源偏差不大于±2％），同时避免大量的电缆及母线从地下一层穿过电井到顶层，从而减少管井面积，节约电缆投资，同时也可以减少电缆使用中电能的损耗。
3.要考虑避难层变配电房变压器的运输问题，包括首次吊装运输及日后更换运输： （1）尽量利用现有的电梯（消防电梯/货梯）运输。笔者设计的深圳超高层项目，货梯（兼消防梯）运输重量2.5吨，避难层变压器选择SGB-R-10/0.4-1000kVA的变压器，铁芯材料为卷铁芯（R型），线圈绝缘为H级绝缘（SGB型），不带保护罩重量小于2.4吨，用货梯可以很好的解决运输问题，当然用SCB-10/0.4-1000kVA(线圈为树脂C级绝缘、铁芯为叠加片式)型变压器重量近3吨，直接用货梯运输就有问题。
（2）利用电梯井道运输。本人设计的天津超高层项目，货梯（兼消防梯）运输重量2.5吨，由于采用35kV供电，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35/0.4-800kVA的变压器，不带保护罩重量大于3.5吨，变压器的更换考虑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。这种方法要临时安装吊装设备，施工工序比较麻烦。 （3）把变压器拆分后到避难层安装。对于铁芯为叠片式的变压器，按国家标准要求在车间安装测试后，把叠片铁芯拆开，线圈及铁芯分别用电梯运输至避难层变配电房，把安装工具及变压器检测设备运至避难层配电房内，将干式变压器重新组装。按照变压器运行前规定的要
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求, 作验收试验, 内容包括.1. 直流电阻； 2.绝缘电阻；3. 变比；4.工频耐压； 5.空载试验。此方法比用电梯井运输方便。据资料珠海的华力通在广州及深圳的多个大的楼盘使用此方法安装运输。当然此方法不适合铁芯不能拆开的卷铁芯变压器。 三、自备发电机的电压选择及设置 1．电压选择：
建筑高度超过250米高的建筑，当低压（0.4kV）发电机组在地下一层设置时，顶层用电设备的电压需要作电压降校验及短路电流校验，当超过电压要求时，这时高区的应急电源要考虑用中压(10kV)的柴油发动机组。由于中压发电机需设在地下层，10kV电缆通过电井敷设到高区的配电房内，通过变压器转换为低压（0.4kV）电源。接入高区配电房的应急母线段。低压(0.4kV)应急电缆或母线改为中压（10kV）供电,可以节省大量到高区配电房的低压电缆或母线，缺点就是在高区增设相应的变压器。当然对于低区变配电房的应急电源还是采用低压（0.4kV）发电机组供电。 2．柴油发电机的启动条件：
一般的设计都是要求给一级负荷供电的两台变压器母线均停电时，柴油发电机启动，这种要求没有把柴油发电机组充分利用。对于3路10kV供电的情形(图2)，当2路电源同时失电时，应要求发电机启动，由发电机组带一级负荷，同时通过电力监控系统减少部分空调、通风、采暖负荷，两两联络的变压器联络开关合上，由另外1路电源带所有的低压配电柜的所有负荷。这种方法充分利用了发电机的电力，减少了一般电力的停电范围，具体见图3。 图3 发电机启动条件图(当其中1路10kV失电时发电机启动) 四、EPS供电时间(用于应急照明)的确定
关于超高层建筑应急照明的供电持续时间，很多同行根据整个建筑的高度重新计算，疏散时间可能要1小时或2小时，以此推导出EPS的持续供电时间。笔者对这个观点有不同的看法，超高层建筑在设应急柴油发电机的情况下，第二路电源为柴油发电机组(暂且把2路35KV或10KV电源当成第一电源)，但柴油发电机作为应急照明的供电转换时间不能满足规范要求的5秒要求(见《民用建筑电气设计规范 JGJ16-2008》13.8.5条)，增加EPS电源，在应急柴油发电机启动并稳定供电后，EPS电源退出供电。理论上说EPS电源的持续供电时间满足发电机启动前的转换时间就可以。同时EPS电源为消耗品，即使一直处于备用的情况下，也是有一定的使用寿命(一般铅酸免维护电池使用寿命5～10年)，对新电池的生产及旧电池的处理都会对环境造成很大的污染，不时可以从媒体上看到电池厂发生铅中毒或铅污染的事件就可说明污染的问题。