方 淦 林
(浙江崇德建设有限公司，浙江 桐乡 314500)
高层建筑电气设计探析
方 淦 林
(浙江崇德建设有限公司，浙江 桐乡 314500)
就高层建筑的负荷分级以及高、低压配电系统的框架设计进行分析，讨论了自发电以及应急电源的设计思路，重点论述了消防和照明的实施，并对新能源接入、防过电压侵袭等进行了探析，以提升高层建筑电气设计水平。
高层建筑，电气设计，供电系统，防雷设计
0 引言
高层建筑的特点是楼层多、面积广、功能复杂、人员密集，因此其在用电方面的需求必然是大负荷、高供电可靠性、“苛刻”的用电安全性。鉴于此，一定要从各个方面来规范高层建筑的电气设计。笔者结合多年工作实践，就该课题进行全方位探析，以期为提升高层建筑的电气设计水平而抛砖引玉。
1 负荷分级及配电系统设计
1.1 负荷分级
将高层建筑的用电负荷按不同重要性进行分级，既是经济设计的需要，也是出于安全管理的考量。负荷分级主要要确定一级负荷。虽然不同的高层建筑用途不一，但其一级负荷的范围大致一致：即指消防用电、大楼管理中心计算机系统、安防及智能控制系统、应急照明、生活给水系统、客梯、排污泵、航空障碍照明等。一级负荷级要求有两个独立电源供电，且每个电源能承担全部负荷。这样就能确定高层建筑的中低压配电系统的大致框架。
1.2 中压供电方式的确立
主要指供电电压等级的选择、主接线形式的选择等。一般来说，高层建筑的电源构建应遵循以下原则：
1)进线至少两路，且相互独立，最好是来自不同区域(如不同220 kV变电所下辖的110 kV变电所)。
2)电源电压等级宜选择10 kV，周围有20 kV电源点也可考虑20 kV，但前提是两个20 kV电源分属不同变电所。进线最好为专线。
3)需要配设柴油发电机作为应急电源，柴油发电机的类型与建筑高度相匹配。
4)两路进线电源应同时使用，并互为备用。当其中一路故障或检修，另一路应能保证所有二级及以上负荷的用电。
5)供配电系统总体结构宜采用主配电所—分配电所结构，保护设在主站，分站进线配负荷开关。主配电所的主接线用单母线分段，并以放射式引至各分配电所。配电级数不能多于两级。
6)主配电所可设在地下1层或首层，分配电所应靠近负荷中心，可设在避难层、顶层等处。所有配电所不应设在有伸缩缝、沉降缝以及漏水危险的地方。分配电所变压器容量不宜超1 000 kVA。
7)条件允许，应当设电缆夹层(高度在1.8 m～3.2 m)。低压无功补偿要求功率因数达到0.90。
8)除了配置常规的电流保护之外，还应根据变电所侧中性点接地方式情况考虑是否需要零序保护。如浙江某地全境推进20 kV改造，其电网接地采用经小电阻接地，这样，该境内的高层建筑主配电所应设置零序速断保护，信号接入事故信号回路。
9)高压部分(即10 kV部分)宜采用集中控制方式并集中监视，主配电所采用直流操作电源。
1.3 低压供电方式框架
1)低压配电系统结构一般为三级配电方式，即总配电、区域配电和终端配电。三级之间的动作次序通过保护选择性来保证。
2)对于水泵、电梯等单台容量较大的负载，应采用放射式配电；对于办公、商业等负载，采用树干式配电；对于消防负载，应采用双回路末级自动切换或双电源供电。
3)低压配电系统主接线可选两类，如表1所示。
表1 低压系统主接线及适用范围
4)关于布线系统：a.宜设置独立竖井；b.尽量不用穿刺线夹接线方式；c.分设应急桥架与普通桥架。
2 自发电和应急电源设计
公用电网不可避免会有故障或检修，因此高层建筑的自发电及应急电源建设非常重要。
从安全角度出发，高层建筑的自发电和应急电源应采用柴油作动力。柴油发电机的额定输出电压(分400 V和10 kV)根据供电半径、负荷大小、单台电动机最大启动容量等因素综合考虑。柴油发电机可设置在地下1层或首层，不能设置在避难层和顶层，其单台最大容量不得大于1 600 kW，机组负荷率宜为75%。
市电与发电机转换用的ATSE要求：4极、PC级、三位式，ATSE与其之前的短路保护器有可靠配合。应急电源容量按维持10 min考虑。
3 谐波治理
高层建筑的谐波主要为3次谐波和5次谐波。其中，3次谐波源是那些2脉冲装置，如显示器、UPS、节能灯等；5次谐波是带变频设备的电器(如电水泵、空调等)。关于谐波的抑制：a.按XL=14%XC的要求在低压配电柜设置调谐滤波电容器组；b.在中心机房、电信机房等处设置专用源滤波器，以实现对谐波的动态补偿。
4 照明设计
1)照明设计应遵循节能原则。为此要做到：a.结合建筑物结构进行灯光布置，要求尽量使用自然光；b.电线排布合理，导线截面选择科学；c.公共部位的照明采用高效光源；d.景观照明、楼梯间等场所采用时间开关通自动控制；e.夜间定时降低照度；f.按工况合理选择水泵及风机容量，并通过变频、BA等手段实现节能运行。
2)关于航空障碍灯。a.应在建筑物最高端和外侧转角的顶端分别装设；b.障碍标志灯负荷应按主一级负荷中最重要负荷来考虑；c.障碍标志灯应采用自动通断电源的控制装置，并设变化光强的措施。
5 消防设计
1)消防系统应选择控制中心报警系统。火灾探测器设置部位符合现行国家标准《高层民用建筑设计防火规范》的有关规定。
2)针对高大空间感烟感温探测器保护有死角的问题，可辅以配置红外光束感烟探测器。
3)为了提升火灾早期探测能力，有条件可采用吸气式烟雾探测火灾报警系统。
4)大量统计数据表明，高层建筑中因电气短路引发的火灾趋于上升趋势。因此有必要在电气竖井、配电箱等处安装缆式感温探测器或电缆温度传感器，利用剩余电流动作报警系统来监控电缆温度。
6 防过电压设计
高层建筑的过电压一般为两类，一类为强电性质的雷击；一类为弱电性质的浪涌。两者互为联系。
1)防雷击。a.在用等效面积算法对高层建筑年雷击次数进行预计时，应注意每边扩大宽度按建筑物高度计算，同时考虑其周边两倍本建筑物高度范围内的其他建筑物的影响；b.当屋顶设有直升机停机坪，应避免避雷针对直升机的影响；c.燃气放散管的管顶或其附近应设避雷针，其针尖高出管顶大于3 m；d.使用钢筋混凝土中的钢筋作为防雷引下线，若钢筋直径大于16，则一组引下线使用两根钢筋；若钢筋直径小于12，则引下线需包含四根钢筋。联合接地的接地电阻要求1 Ω以下。
2)防浪涌。对于雷电防护等级B级以上的高层建筑，应在变压器出线、各层总配电箱、交换机房、通信机房、计算机房等处设置浪涌保护器，并且布置为总线式智能化，以利于进行在线跟踪和及时更换。
7 新能源接入
随着传统一次化石能源的日益紧张和环境状况的逐步恶化，使用清洁新能源成为必然趋势。高层建筑面积大、楼层高，是使用太阳能的理想场所。
1)应用方式。因为经光伏电池转化的太阳能是直流形式，为减少逆变消耗和成本投入，可采用LED为应用终端。相关应用原理如图1所示。
2)注意点。a.应结合高层建筑的用电规律选择光伏组件的最大功率点跟踪算法和光伏电池的总装机容量等等；b.注意光伏系统双模式(即与市电并网运行和单独运行两种模式)切换的无缝进行。
8 结语
高层建筑的电气设计可谓点多面广，其包含供电系统设计、配电系统设计、消防设计、防过电压设计、节能设计、照明设计等众多专业，特别随着新能源的加入，高层建筑电气设计更是增添了许多想象空间。限于篇幅，文章未能就各个方面均做详细阐述。
总而言之，要保证高层建筑的良性运转，在电气设计上一定要做到：节能、科学、安全、经济。
[1] 傅永平.超高层建筑电气设计[J].上海:现代建筑电气，2012，22(8)：221-222.
[2] 程祖本.对当前我国高层民用建筑防火系统电气设计的研讨[J].消防科学与技术,2009，11(2)：31-32.
[3] 曹金龙.对高层建筑电气设计分析[J].民营科技,2013，11(6)：248-249.
The electrical design of high-rise building
Fang Ganlin
(ZhejiangChongdeConstructionCo.,Ltd,Tongxiang314500,China)
This paper firstly analyzes the load grade of high-rise buildings and the high and low voltage power distribution system design framework, and then discuss the design thought of self power and emergency power supply, and then focuses on the implementation of fire and lighting, the last of the new energy access, protection of overvoltage invasion. The purpose of this article is to hope to enhance the level of electrical design of high-rise buildings.
high-rise building, electrical design, power supply system, lightning protection design
2015-02-03
方淦林(1979- )，男，硕士，工程师
1009-6825(2015)12-0117-02
TU972.8
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