淺談超高層辦公樓的電氣設計

劉錦春

摘要：論述了在超高層辦公樓電氣設計中重點考慮的問題，如負荷分級、變電站和柴油發電機房的設置、供配電系統以及火災自動報警系統的聯動控制、防雷接地、機電設備監控和能耗監測系統。

關鍵詞：超高層建筑；變配電系統；火災自動報警及消防聯動；機電設備監控；防雷接地；能耗監測

中圖分類號： TU97 文獻標識碼： A

0 引言

進入21世紀以來，在許多城市都興建了不少超高層建筑。由于超高層建筑樓層多，建筑高度高，對供電可靠性和消防的要求比普通高層要高得多。筆者就參與設計的超高層辦公樓為例，談談自己的一些設計體會。

1工程概況

某超高層綜合樓，其中地上40層、地下3層（人防兼汽車庫），建筑（消防）高度180米?？偨ㄖ娣e為130773.81㎡，其中地上建筑面積為79479.21㎡，地下51294.6㎡。主要功能包括：集中商業，商務會議，商務辦公，公寓式辦公，配套餐飲等功能。建筑為一類高層，設計耐火等級為一級。

2 負荷分級

根據《高層民用建筑設計防火規范》GB50045-95(2005年版)第3.0.1條，本工程屬于一類超高層；消防水泵、消防風機、消防電梯、應急照明、消防電梯、門廳及客梯、生活水泵、排污泵、走道照明、航空障礙燈照明、直升機停機坪照明、安防系統用電、電子信息設備機房為一級負荷，展廳用電等為二級負荷、其它用電負荷如辦公普通照明、空調動力、冷水機組用電等為三級負荷。

3 供電電源及電壓等級

根據負荷估算，由市政變電站10kV側不同母線段接引兩路10kV電源，兩路10kV電源同時供電，每路10kV電源各承擔50%用電負荷。并在地下二層擬設置一臺柴油發電機組作為一級負荷及消防負荷備用電源，發電機容量選取原則按照地上部分所有消防設備的總容量加上地下1~3層各自的消防設備容量最大的一個防火分區及其相鄰兩個防火分區的消防風機、防火卷簾的設備容量計算，發電機容量擬采用1200kW。發生火災時，市電停電后，柴油發電機應能在15s內自起動并向本工程的消防負荷供電；平時停電時應能向保障性負荷供電。

410/0.4kV變配電所設置

4.1 變配電所

在地下二層設置一座1#主變配電所，同時在避難層（15層和29層）分別設置2#和3#分變配電所；主變配電所內設置6臺1000kVA變壓器供地下一層~三層、地上一層~14層及裙樓動力、照明等用電；2#分變配電所內設置4臺800kVA變壓器供地上15層~28層動力機照明等負荷用電；3#分變配電內設置4臺800kVA變壓器供地上29層~40層動力機照明等負荷用電。高低壓開關柜均采用上進線上出線方式。10kV高壓進線電纜由供電部門確定，室內10kV饋線電纜采用NH-YJV-8.7/15kV耐火型銅芯電纜。

4.2 高壓系統

地下二層主變配電所10kV側采用單母線分段結線方式，平時母聯斷開運行，當一路電源故障或檢修時，通過手動操作母聯斷路器，由另一路電源負擔所有一、二級用電負荷。避難層分變配電所10kV側采用兩段母線分別運行方式，分變配電所兩路10kV進線分別由主變配電所不同母線段接引。

10kV斷路器采用真空斷路器，短路分斷能力為35kA，在10kV饋線開關柜內裝設氧化鋅避雷器作為真空斷路器的操作過電壓保護。真空斷路器選用彈簧儲能操作機構，采用直流220V/40AH鉛酸免維護電池柜作為操作、繼電保護及信號的電源。

繼電保護及信號裝置：進、出線均采用過流、速斷、零序保護；聯絡采用過流、速斷保護；變壓器設高溫報警，超溫跳閘。

計量：采用高壓集中計量，在每路10kV電源進線處設置專用計量裝置

4.3 低壓配電系統

（1）變壓器低壓側采用單母線分段方式運行，設置母聯開關，聯絡開關手動投切。各變電所內變壓器兩兩互為備用，平時聯絡開關斷開運行，當任何一臺變壓器故障或者冬季負荷較小停用一臺變壓器時，另外一臺變壓器才投入運行。

主進線開關與聯絡開關設電氣聯鎖，任何情況下只能合其中的2個開關。

（2）功率因數補償

采用低壓集中自動補償方式，在變配電所低壓側設功率因數自動補償裝置，要求補償后的變壓器側功率因數在0.95以上。

5火災自動報警及消防聯動

本工程為一類超高層建筑，采用控制中心報警形式。在綜合樓的一層設置消防控制中心；消防控制控制中心內設置集中報警控制器、手動聯動控制柜、消防電話主機及計算機顯示系統、漏電火災報警系統主機、消防設備電源監控系統主機、建筑設備監控系統主機等設備。

設備的聯動都通過控制模塊來實現，如啟動警鈴，控制氣體滅火系統，非消防電源切斷，點亮應急照明，防火閥的開閉，電梯迫降，啟動消防風機、消防泵、噴淋泵等，對于消防泵、噴淋泵和消防風機還可通過消防控制中心手動控制，所有設備的聯動控制都滿足《火災自動報警設計規范》GB50116-2013第4節的要求。

本工程按《民用建筑電氣設計規范》JGJ 16-2008 和《剩余電流動作保護裝置安裝和運行》GB13955-2005標準原則配置漏電火災報警系統。由于本工程火災自動報警系統保護對象分級為特級，因此該系統采用全范圍二級監控方案，以末端監測為基礎，在正常照明、應急照明、正常電力、消防電力四類配電系統中二、三級配電箱均設置保護監測點，其中二級配電箱為樓層配電箱，三級配電箱為末端配電箱，防火剩余電流動作報警值為別為500mA和100mA。本系統的控制器設于消防控制室內，通過總線與消防報警主機連接。

6建筑設備監控系統

BAS系統對下列子系統進行設備運行和建筑節能的監測與控制：供配電系統；公共照明系統；電梯和自動扶梯系統； 給水與排水系統；通風及空氣調節系統；水源熱泵機組/空調水泵。

控制采用計算機直接數字控制系統(DDC)?？刂葡到y由變頻器、溫濕度傳感器、壓差傳感器、電動風閥及集中顯示屏等組成。

7建筑物防雷接地系統

（1）本工程預計雷擊次數N（次/a）=1.9593。很據《建筑物防雷設計規范》（GB50057-2010）第3..0.3條，本工程按第二類防雷建筑物設防；按《防雷裝置設計技術評價規范》（QXT106-2009）第6.2條，本工程按第一類防雷建筑物設防。綜上所述，本工程按照第一類防雷建筑物設防。建筑物設置防直擊雷的外部防雷裝置，并采取防閃電電涌侵入、防閃電感應以及防雷電磁脈沖的措施，并設置總等電位聯結。

（2）根據GB50057-2010第4.2.4條及QXT106-2009第11.2條的規定，主樓屋面防直擊雷主要措施為沿停機坪屋面、機房屋面、幕墻構架頂部等裝設接閃帶（很據實際需要分別采用明敷設、暗敷設兩種方式相結合），及利用天面幕墻鋼構蓋頂、玻璃幕墻內的鋼構架、金屬底座及金屬連接線（銅絞線）作為接閃器；裙樓屋面防直擊雷主要措施為通過接閃帶（Φ10熱浸鍍鋅圓鋼）貼裙樓天面構架外沿（面）敷設作為接閃器。裙樓上的接閃帶與主樓的玻璃幕墻內鋼構架須可靠焊接。屋面上不同標高段的接閃器應可靠連接。接閃器采用Φ10熱浸鍍鋅圓鋼沿女兒墻、天面構架及其他突出部分明敷設，要求支架0.15m，每隔1m作固定支持卡子。接閃網網格尺寸不大于5m×5m或4m×6m。接閃桿采用Φ12熱浸鍍鋅圓鋼，高0.5m。當建筑物高度超過45m時，首先應沿屋頂周邊敷設接閃帶，接閃帶應設在外墻外表或屋檐邊垂直面外。接閃器之間應相互連接。所有屋面金屬管道、金屬構件、金屬樓梯扶手均應與避雷帶可靠焊接，連接點不小于2處。

（3）防雷引線先利用圖示位置的柱內鋼筋至少2根主筋，通過焊接，引下線柱底層和頂層宜用一個箍筋與所有外圍主筋焊接連通，由基礎接地極沿柱至天面避雷帶均應焊接成閉合的電氣回路，引下線間距不大于12m。在圖示位置引下線的下部在室外在室外地坪下0.8m處焊處一根40x4熱浸鍍鋅扁鋼，引出距外墻皮不小于1m。在圖中所示位置距室外的地坪0.5m處設置測試端子盒。

（4）接地極

利用基礎鋼筋網構成自然接地極，將地梁鋼筋上下各兩根主鋼筋做環狀通長焊接（無地梁鋼筋處的接地裝置采用40x4熱浸鍍鋅扁鋼暗敷設于結構底板下的土壤中），并與樁基礎鋼筋焊接，將整個基礎連成整體。

（5）接地及安全措施

變電所變壓器選用△/Yn-11中性點接地方式；配電系統接地型式采用TN-S接地系統；設置總等電位聯接措施。防雷接地、工作接地、保護接地及總等電位聯接均公共一套接地裝置，接地電阻要求不大于1歐姆。

所有人體能接觸的、在事故情況下可能帶電的一切電氣設備外殼均應可靠接地。由基礎接地極（總等電位端子箱）引出沿電氣豎井通長敷設50x6mm熱浸鍍鋅扁鋼，與各層電氣設備接地端子相連。接地干線在電氣豎井內明敷設，每隔三層應與樓板主筋焊接作等電位連接。

8節能措施

（1）變電站的選址：在《20KV及以下變電所設計規范》GB 50053-2013和《民用建筑電氣設計規范》JGJ 16-2008中都有對變電所設置的要求，其中第一條就是接近負荷中心。這樣做既縮短的了供電半徑，減少了供電電纜的長度，同時也降低了供電線路上的損耗。

（2）選用低損耗干式變壓器，變壓器的負載率選在70%~85%之間，以減少電能損耗。采用低壓柜集中無功補償和分散就地補償以提供供配電系統的功率因素減少電能損耗。

（3）照明電源線路盡量采用三相供電以減少電壓損失，設計時盡量使三相照明負荷平衡；各場所的照明照度值和功率密度嚴格按照國家規范（GB50034-2013）的要求；選用高效熒光燈具及節能燈具，所有熒光燈具均配備電子鎮流器或節能型電感鎮流器、補償電容；燈具控制采用分區、分組、分盞控制方式，地下車庫照明、室外照明采用程序（模塊）控制，樓梯間等人員短暫停留的公共場所采用節能自熄開關等。

（4）電能能耗監測

電能能耗監測是指通過對大型公共建筑安裝分項能耗計量裝置，采用遠程傳輸等手段及時采集能耗數據，實現對建筑電能能耗的在線監測和動態分析。

本工程的電能能耗監測對象主要是本樓的空調、動力（風機、水泵、電梯）、照明和特殊用電等設備，在變電所的低壓側相應出線回路上安裝具有遠傳功能的電能表對此部分設備進行分項能耗數據采集和整理，并上傳至柳州市能耗監測中心進行能耗在線監測和動態分析。

9 結束語

超高層建筑高度高，人員密集，情況復雜，對電氣設計各個方面要求都較高，需要更多實際經驗提高設計水平。

參考文獻

[1] 《民用建筑電氣設計規范》JGJ16-2008

[2] 《建筑物防雷設計規范》GB50057-2010

[3] 《供配電系統設計規范》GB50052-2009

[4]《高層民用建筑設計防火規范》GB50045-95 （2005年版）

[5]《火災自動報警系統設計規范》GB50116-2013

[6]《20kV及以下變電所設計規范》GB50053-2013

[7]《公共建筑節能設計標準》GB50189-2005