高层建筑供配电系统设计实例

摘要：通过工程设计实例,介绍了超高层建筑的配电系统设计(负荷估算和计算、变压器的选择、高低压配电系统)、变配电所设置等设计，阐述了超高层建筑配电系统设计要点及注意事项。

关键词：电气设计；配电系统；设计

一、工程概况

某工程总建筑面积56561.88M2，地下一层，主要位车库，地面1～3层为裙楼，主要位公寓与商业，4至23层伟塔楼，建筑物总高75.6米，为综合楼，属一类高层建筑。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。

二、高层建筑电气的负荷估算和计算

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、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。

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。全楼总动力、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。

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。

三、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:

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 （变压器损失比），则 （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。

四、变配电所

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,对施工安装电缆十分有利,深受工人欢迎。

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。

2 变配电设备的垂直运输

当“高建” 超过 45 层时宜在大楼中间层(或设备层)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 变配电所面积和低压柜台数的估计

经过对多个“高建” 变配电所的综合分析,得出以下一些参考数据:①高压采用手车式真空断路器柜,低压采用抽屉柜,设一台柴油发电机组时,则每台变压器(1000kV•A,下同)约需 90m2的面积;②高压采用环网开关柜又不设柴油发电机组,则每台变压器约需 70m2。总之一台变压器需占70-90m2的面积。③每台变压器所配备的抽屉式开关柜数(含电容补偿柜)大约8台。低压馈线回路的各用效约为总回路数的1/4-1/3。

4 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1所示。

图1 地下层变配电所接地平面

图2 闭式环网结线示图

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 2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(变压器的容量不宜超过1000kV•A): 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 3所示。

图3 用户内部闭式环网结线示图

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。

(3)美观,变配电所内没有架空物。当然采用电绷联接有个驳接母线问题要处理好,可在变压器低压侧出线端搭接一块过渡铜排,用螺栓连接,使接触电阻减小且均匀。

六、结束语

鉴于篇幅有限，对本工程的保安监控、电话系统、电视系统、火灾自动报警及消防控制系统预留有关的强电电源，具体做法不再讨论。通过以上对本工程供配电系统的设计情况的介绍，我认为建筑电气设计的合理性应从总体考虑其经济指标，才能取得最佳的技术及经济效果，真正做到高效、节能、舒适。

注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看