本站原创摘 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135kV供电系统图
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210kV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.
考虑到EPS电源的衰减及其他不确定因素,EPS电源按10分钟设置.EPS电源作为发电机启动前的转换电源,10分钟完全可以满足要求.
对于一般的高层建筑,竖向配电尽量用母线供电,来满足不同楼层用户用电可能的负荷变化.特别对于裙房的商业,由于功能很不确定,利用母线可以很好的解决二装的功能变化问题,母线的载流量要考虑低压柜开关出线连接的方便,以不超过1600A为宜.
对于超高层建筑来说,会有新的问题出现,超高层建筑遇到强风时,会出现左右晃动,而且幅度会比一般楼大,只是这种晃动一般人用肉眼很难发现,例如深圳的标志性建筑地王大厦地面和建筑物顶部水平振幅可以达到0.8米,这时在设计上要考虑采用电缆连接铜母线槽配电的方式,以减低超高层建筑物在摇摆时对铜母线槽接驳组件位置的拉扯压力,减少发生故障及维修的机会,也相对地增加了主干系统的寿命.
六、谐波治理及电抗器的选择
谐波源及谐波抑制措施与一般的办公楼没有原则的区别,用电设备以单相设备为主,使用2脉冲装置,如电脑、显示器、单相的UPS、带电子整流器的节能灯,此类设备会产生3、5、7等(3次及以上谐波),并以3次谐波为主.此外还会有一些三相整流设备如弱电机房(中心计算机房、电信机房等)的UPS电源、电梯变频器、变频空调、变频水泵等,此类会产生5、7、9等(5次及以上谐波),并以5次谐波为主.
在尽量控制谐波源的情况下,首先在低压配电柜设置调谐滤波电容器组,要求XL等于14％XC,抑制3次及以上的谐波.同时在谐波污染严重的中心计算机房、电信机房(UPS为在线式工作)等弱电机房设置有源滤波器,实现对谐波的动态补偿.
七、浪涌保护器设置时应注意的问题
超高层建筑一般为总部办公楼、证券中心等,雷电防护等级应在B级及以上,除在变压器出线、各层总配电箱设置电源线路浪涌保护器（SPD）外,在各楼层交换机房(综合布线设备间)、计算机房、通讯机房等弱电机房需设置电源线路浪涌保护器及信号线路浪涌保护器.
上述电源线路及信号线路浪涌保护器（SPD）数量繁多,经过长时间的使用雷击后,仅在设备现场显示劣化及劣化程度显然不能满足管理的要求,靠人力进行设备巡检、评估和维护耗时费力,也带来了安全隐患.对于上述问题,笔者在超高层建筑设置总线式智能化的浪涌保护器,可以对SPD的使用情况进行在线跟踪,并对劣化情况进行分析、报警,以便及时更换.
八、弱电消防设计中应注意的问题
从规范上讲,超高层建筑的火灾联动报警系统,跟普通建筑的报警系统没有根本的区别.但由于超高层建筑火灾时的特点,在投资增加不多的情况下,应该考虑完善下面的功能：
1．主动抽气式烟雾探测系统的设置：
火灾的发生,从酝酿到产生高热大火,一般经历4个阶段：闷燃、可见烟、闪燃和高热大火阶段,传统的火灾探测器在第2个阶段才能探测到火灾情况.抽气式烟雾探测系统,在极早期就能对空气进行采样,对粒子进行分析,其探测灵敏度高（0.005%～20%obs/m）,探测范围宽,可以帮助我们在火灾的第1阶段（闷燃阶段）发现火灾并采取行动.由于超高层建筑特殊性,发生火灾时只有靠大楼本身自救,而现有大楼的自救设备中几乎都离不开电力,如果供电系出线中断,以电力为动力能源的消防设备几乎不能运行,所以变配电房要考虑设置主动抽气式烟雾探测系统.主动抽气式烟雾探测系统还适合设置于网络通信机房等其他重要机房、档案室等处.把抽气式烟雾探测器上的4级报警信号接入传统火灾报警的输入模块中,不设专门的主动抽气式烟雾探测主机,在达到要求的前提下减少投资.
2．增加电缆温度的测量：
超高层建筑电气竖井内竖向配电容量大,干线电缆多.由于长期过载或电缆接头质量问题,电缆容易长期处于高温状态,是火灾的重要隐患.此部位温度检查可以采用下列的方法:a.缆式感温探测器,把感温电缆在电缆桥架上安装,根据检查温度报警.b.利用剩余电流动作报警系统,增加电缆温度传感器（图4）,把一级及二级所有配电箱的漏电电流及电缆温度同时传送到剩余电流动作报警系统中.第二种方法检测点数多,检测温度范围大,一般产品都能达到25～150OC,可根据不同的电缆类别设置报警温度,同一电缆也可进行多温度报警,对长期处于临界温度运行的电缆进行分析,找出原因.同时利用了剩余电流动作报警系统,投资更加节省.
节能设计问题
1．照明灯具选择：
设计采用了高效能的T5节能荧光管,它的特点是把电能转化为光能的效果比较好,比起以前那些T8、T10的荧光管,T5荧光管将在日后使用过程当中发挥更好的节能效应.
2．照明控制：
超高层建筑公共照明区域大,灯具繁多,靠人工管理是不现实的.公共区域如大会议厅、室外泛光照明、室外LED显示屏、公共走道、大堂等的灯具采用总线(BUS总线)控制技术控制,可根据时间及管理的不同要求对相应的灯具开关进行自动控制（也可现场控制）避免长明灯及节约能源.
3．能源管理系统：
超高层建筑同时也是能耗大户,传统的水、电、气、热量是分别进行计量计数,这种方法不能满足超高层建筑节能的要求.超高层建筑设置能源管理系统,是对抄表数据进行后期管理和服务,对数据进行分析,分析建筑设备的运行状态.实际上,能源管理系统不仅是数据收集,而是应该经提升到判断、评估这样的能耗智能识别的功能.并提供各种类型的报表,为节约节能提供决策依据.
结语
超高层建筑的机电设计是各个专业协调配合的过程,例如变压器容量的选择就要考虑电梯的载重,机房的位置要考虑层高等.同时在设计中还要考虑投资成本等,只有这样设计成果才能获得认同.