高层建筑实例工程中的电气设计探讨

摘要：现代建筑已不再局限于单一功能,在电气设计中应考虑到不同的用电要求及建成后管理上的特点.同时高层建筑的电气设计合理、全面与否,直接关系到整个建筑的使用寿命与安全.本文结合某高层建筑中的电气设计实例,对高层建筑电气设计进行探讨,以供参考借鉴。

关键词：高层建筑；工程实例；电气设计

Abstract: the modern building is no longer limited to a single function, in the electrical design should take into account the different electricity requirement and after the completion of the management features. At the same time of high-rise building electrical design is reasonable, comprehensive or not, relates directly to the whole building service life and security. Combined with the electrical design of a high-rise building examples, the electrical design of high-rise building are discussed, in order to offer reference for reference.

Keywords: high building; Engineering example; Electrical design

中图分类号：TU97文献标识码：A 文章编号：

一、 电气设计的负荷估算和计算

高层建筑电气设计的特点是工程规模大、技术复杂、设计周期短。一个 2.6 万m2的“高建”方案定了之后,扩大初步设计和施工图设计的时间也就七八个月甚至不足半年。由于开始设计时许多条件未成熟,因而扩大初步设计阶段的负荷只能估算。施工图设计阶段则采用需要系数法进行负荷计算。下面以工程实例说明负荷计算方法。

本工程属综合性大楼,内有办公、宾馆、公寓等。在扩大初步设计的估算中采用负荷密度法和单位指标法,施工图设计时采用需要系数法计算,最后以估算中的两法进行评价。

1.1 负荷估算

把全楼的负荷分为动力和照明两大部分。动力负荷包括冷冻机组全系统和各类水泵、电梯衍、锅护的配套动力设备及送排风机等。照明负荷包括裙楼各层、办公、客房、公寓的照明、插座, 以及风机盘管和窗式、分体式空调器等。经多个“高建”扩大初步设计估算的综合取动力总平均系数 K 动=0.5, 照明总平均系数 K动=0.44。动力总设备容量是根据各工种提供的动力用电量的总和, 照明总设备容量是按负荷密度法和单位指标法计算的。

大堂、商场等场所的照明计算负荷按负荷密度法估算, 负荷密度列于下表。

宾馆客房按单位指标法估算, 单位用电指标客房按 1.0-1.5kW/间, 公寓( 兼办公) 按 12.5-17kW/ 套( 468 套, 约 130-170m2, 内设电热水器 4-6kW, 3-4 台分体式空调器, 照明、插座按 40W/m2 计) 。

根据以上指标估算结果, 全楼总照明设备容量Pe照=9101kW,加上总动力设备容量Pe 动 = 5499kW, 则全楼总设备容量Pe总=5499+9101=14600kW。动力总平均系数K动=0.5, 照明总平均系数K照=0.44, 则计(估) 算负荷 Pjs 动 =2749.5kW,Pjs照=4004kW。全楼总动、照明的计(估)算负荷ΣPjs=2749.5+4004=6754kW。

平均需要系数ΣK=0.462, 功率因数补偿至cosφ= 0.9,ΣPjs=7504.4kV•A。选 4×1250+4×1000+2×800=10600kV•A, 共 10台电力变压器。平均变压器的负荷率 70.8%, 留有余量。

1.2 施工图设计用需要系数法计算。

按每台变压器的负荷逐台计算, 全楼总设备容量( 较扩初时有所增加) ΣPe= 18523.9kW。全楼总计算容量(取同期系数0.9)ΣPjs =7898kW。功率因数补偿至0.928, 则ΣSjs=8511kV•A。

仍选用10台变压器总装机容量10600kV•A, 故平均变压器的负荷率 80.3%,(按逐台变压器计, 个别负荷率达 90% 左右)。全楼约19万m2, 平均单位面积变压器的装机容量55.8V•A/m2( 因本工程地下室车库占两层, 用电量较小, 而面积较大)。

70 年代各国“高建”的单位面积装机容量都很大, 但近十年来国外和国内北京、上海、广州、深圳等地的“高建”采用楼宇自动化系统(BAS),节能达 15-25%, 设计中选用高效新光源和变频调速等高效率、低损耗的用电设备之后,使全楼的设备容量有所下降。据笔者了解日本目前已降到平均 60-80V•A/m2,一些设计单位调查结果,认为以往的负荷密度偏大,平均 70V•A/m2为宜。

二、 变压器的选择

确定一台变压器的容量时, 应先确定变压器的负荷率 p 值。变压器的效率一般可用下式表示:

ηp= ×100%(1)

式中:ηp―――――变压器的效率,

Pz―――――变压器的输出功卒(kW);

Po―――――变压器的宣载损耗(kW);

Pk―――――变压器在额定电流时的负载损耗(kW);

β――――变压器的负荷率。

从公式( 1) 可知, 变压器的效率ηp 是负荷率β的函数。欲求最大效率ηmax, 可对公式(1) 求导数, 并令 dηp/β=0,

则 ηp=ηmax的条件是 Po=β2Pk, 即当空载损耗等于负荷率平方乘以负载损耗时效率最高, 则在效率最高点变压器的负荷率

β= 令Pk / Po= （变压器损失比），则β= （2）

α值与变压器的规格有关,据公式(2)计算不同变压器

(500-1600kV•A)在运行效率最高点的负荷率,所对应的负荷率约在63-67%之间。有关资料提出变压器的最佳负荷率并不一致,多数推荐 65-75%,个别推荐 70-85%,但这些数字都是基于变压器在最高效率状态下运行为前提的。

三、 变配电所

3.1 变配电所内线路敷设

低压开关柜的进出电缆有从柜顶进出的,有在柜下做电缆沟的,也有在柜下方做电缆夹层的,究竟采用何种形式要区别对待。当变配电所设在主楼中间层或设备层时,因为做地沟有困难,所以采用柜顶进出线(用电缆托架明装)较合适。当变压器台数为4台及以上时,由于电缆数量很多,宜采用电缆夹层敷设电缆。我们的做法是,因变配电所设在地下最底层,可取消结构底盘上面的0.6m 厚的填土层,再在距底1.80m处做0.1m 厚的混凝土板作为承重板,这样夹层就有1.80m高的空间,人可以进入操作, 电缆夹层做法如下图所示。

图 1电缆夹层示意

当变压器台数为 3 台及以下时,宜采用柜下方做电缆沟,但需注意,如果变配电所设置在地下最底层时,应注意防止排水沟的水灌入电缆沟,造成施工困难和电缆被浸泡。为此,目前很多地方对冷冻机房、水泵房(一般设在地下底层)配电的电缆均为柜顶出线,采用托架明敷。当采用柜顶出线时,应有足够的空间。

3.2 变配电设备的垂直运输

当“高建”超过45 层时宜在大楼避难层（或设备层）加设变配电所,那么变配电设备的垂直运输如何解决呢?如一台 800kV•A 的变压器重 2.5t,电梯是无能为力的。解决的办法有两个:①利用电梯井道,即将电梯轿厢提升至顶层,在轿厢下方的井道壁上架设一根工字钢,用电动葫芦将变压器提升到变配电所所在层。但要注意两点:变电所所在层的电梯门要加宽;留好电梯门通往变电所的通道,并考虑通道楼板的荷载。②厂家到现场组装变压器并测试。

3.3 变配电所的接地

变配电所设在地下底层时,我们利用高低压配电室、变电所和发电机房内的接地干线通过柱内两根主筋与作为接地体的基础桩基、底盘相连接,做法如图 2 所示。

图 2地下层变配电所接地平面图 3闭式环网结线示意

四、 高压 10kV 供配电系统

“高建”多数属一类建筑,其中一级负荷要求两路来自不同降压站或同站的不同母线的10kV电源供电。中等用电户(负荷约7000-8000kV•A)采用手车式真空断路器柜,单母线或单母线分段运行(变压器台数8台及以上宜采用后者)。ABB 公司生产的ZS- 1 型手车式真空断路器柜由于采用梅花状触头及工艺制作考究等优点而受到青睐。国产的KYN- l0(F)型金属恺装手车式真空断路器柜和引进西门子技术国产化的JYNC- 10型也有采用。小用电户(负荷约3000-4000kV•A) 大多采用闭式环网结线配电: 正常时由降压站馈出一路电源送电,当中间某段线路故障, 经人工操作, 隔离故障段后,由另一路电源送电,如图3所示。环网开关柜电源进出线间隔内设负荷开关,用户出线间隔设负荷开关加高琢熔断器: 这种柜具有体积小、价格低、运行维护量少、防火等特点。进口的有ABB公司的 RGC 型和法国梅兰日兰公司生产的 VM6、SM6 型等环网柜。国产的有浙江省象山高压电器厂等生产的HXCNI一10型环网柜。

当变压器台数多,且每台容量都较大时,为了节约投资,可采用手车式柜和环网柜相结合的方案,如图4所示。

图 4用户内部闭式环网结线示意

五、低压供配电系统

变压器低压侧出线采用电缆联接在以往主管的“高建”工程设计中,配电变压器低压侧出线几乎都是采用电缆的(最大的变压器容量1600kV•A),经过多年运行未发现什么问题,其优点是:

(1)变压器的位置安排自由度大,有利于变配电所平面的合理布置,有的工程几台变压器分上下两层安装,采用电缆联络就更为合理。

(2)经济,如一台1000kV•A 变压器,每相用三根单芯240mm2电缆共12根(平均单价70.87元/m),每米电缆需850元,而采用封闭式母线则每米需1600元。

六、结束语

高层建筑的多功能化、技术方面的复杂性,给搞好电气设计带来一定的难度, 随着科学技术的进步和人民生活水平的提高,必然对电气设计有许多新的要求,只有不断总结经验、深入研究,才能不断提高设计的技术水平。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。