某超高层办公楼的供电设计

某超高层办公楼的供电设计

摘要：本文简要介绍了某超高层建筑对电气设计的影响，银行超高层办公楼的负荷等级，负荷计算，高低压供配电方案和变配电室的设置原则。详细的介绍了本工程中为提高供电可靠性采取的几项措施；本工程中柴油发电机房位置的选择，柴油发电机输出电压的选择，柴油发电机安装容量的确定和柴油发电机房储油量的计算确定，并给出了高低压柴油发电机选取的一般原则；银行中电子信息机房的设计要点。由于每个工程的实际情况不尽相同，但作为超高层建筑，其供电方案的合理性和供电的可靠性应该是每个电气设计工作者都应遵循的最基本原则，希望本文能够对电气设计人员起到抛砖引玉的作用。

关键词：超高层建筑供电可靠性柴油发电机B类电子信息机房

作为我国经济高速发展的见证窗口，银行部门的业务量急剧增长。始建于上世纪90年代初期的某省银行总部办公楼，无论从建筑规模还是从设备运行的可靠性，都已不能满足其目前工作的需求。因此，我公司承担了其新建办公楼的设计任务。新建办公楼地下3层，地上27层，地下3层主要为银行金库和设备用房，地下1,2层主要为汽车库和电气设备用房，地上1~3层主要为银行的对外服务窗口，4层为电子信息机房，4层以上为银行各部门的办公室及各种票据、档案的库房，其中14层为避难层。总建筑面积约为7.5万m2，建筑总高度为134 m。本工程无论是从使用方的性质，还是从建筑本身的特征考虑，供电的可靠性都是本次设计的重中之重。

1超高层建筑对电气设计的影响

我国一直没有超高层建筑的定义。业内人士一般认为高度超过100 m的建筑即为超高层建筑，其缘由主要为我国《高层民用建筑设计防火规范》GB50045-95及2001年，2005年修订版中的类似规定,即“建筑高度超过100m的公共建筑，应设置避难层”；建筑高度超过100m，且标准层建筑面积超过1000 m2的公共建筑，宜设置屋顶直升机停机坪或供直升机救助的设施。因此，大部分人认为100m为高层建筑的分水岭。作为高层建筑，其对电气设计有何影响呢？首先,高层建筑人员密度大,一旦发生火灾或其他突发事故，人员的疏散、消防设备的可靠运行尤为重要，而保证这两点的前提条件则是供电的可靠性；其次，超高层建筑由于供电距离长,如供电方案不合理,很容易造成压降过大，某些设备不能正常启动的后果。

2 负荷等级的确定

用电负荷根据供电可靠性及中断供电所造成的损失或影响程度，分为一级负荷、二级负荷和三级负荷。对于各级负荷的详细定义可参见《民用建筑电气设计规范》JGJ16-2008相关章节的说明。根据本建筑的特点，表1为本工程的负荷等级分类。

3 高低压供电方案

1)本工程高压部分采取双路10KV（不同区域开闭站）供电，单母线分段运行，两段母线之间设置母联开关。平时两段母线分列运行，当1路电源发生故障时，通过手/自动操作母联开关，另1路电源承担全部负荷。两路电源的主进开关与母联开关设置机械电气连锁，任何情况下只能闭合其中的两个开关。

2)采用需用系数法对本工程进行负荷计算，各功能分区的用电指标本文不再罗列。经计算，本工程主楼部分的计算负荷为2300KW,地下车库及设备站房的计算负荷为1900KW,裙房部分的计算负荷为1200KW，因此，本工程拟装设1600KVA和2000KVA的变压器各两台，其中两台1600KVA的变压器负责承担主楼部分的用电负荷；两台2000KVA的变压器负责承担地下车库、设备站房和裙房部分用电负荷。

3)本工程低压侧采用单母线分段运行的方式，两段母线之间设置母联开关，母联开关设置自投自复/自投不自复/手动转换三种转换方式。自投时要求自动切断三级负荷。低压侧的主进开关与母联开关设置机械电气连锁，任何情况下只能闭合其中的两个开关。本工程中大容量负荷和重要负荷采用放射式供电，对于比表分散的负荷采取二级配电的方式。本工程的供电方案详见图1。

4 提高供电可靠性采取的措施

《民用建筑电气设计规范》JGJ16-2008第3.2.规定：“一级负荷应有两个电源供电，当一个电源发生故障时，另一个电源不应同时受到损坏”。本工程为提高供电的可靠性，除从不同区域变电站引入两路10KV电源，即满足规范要求外，尚采取了如下几项措施：

1)设置柴油发电机组。当出现两路市电同时发生故障时，本工程的消防负荷和重要负荷可由柴油发电机组供电。

2)设置集中式UPS。当两路市电同时发生故障，柴油发电机组尚未启动时，重要负荷可由UPS进行供电。

3)对于三级负荷，为了较小因变压器故障或母线检修等原因引起的停电范围，以避难层为界，其上下各设一组密集母线槽，且每组母线槽分别引自变配电室的不同低压母线段。母线设置详见图2。

4)为了保证三级负荷中比较重要的负荷(如行长，副行长办公室的用电)的供电，每层的电源总箱由两端母线分别进行供电，当一段母线因故障停电时，可以采取手动的方式投切到另一段母线进行供电。层电源总箱系统图详见图3。

5)对于屋顶的末端设备，为了避免因线路过长导致压降过大产生的影响，采取了适当加大导线截面减小压降的措施。

5 变配电室的设计

因本建筑属于超高层建筑中的“低矮”建筑，且本工程上部的负荷矩约为4万KW*m(避难层负荷200KW，高度约为70m，，主楼屋顶负荷190KW，负荷在屋顶处的高度约为125m),虽然超过了某些资料提出的3万KW*m的概念，但离10万KW*m的极限值尚有相当一段距离。因此，本工程只在主楼的地下1层靠近外墙部位设置1处变配电室，中间层不再设置变配电室，即能够满足供电半径的要求，同时该变配电室的位置比较贴近负荷中心(地下3层的设备站房)。地下一层贴临变配电室处设置10KV高压分界室(开关站，产权属于当地供电局)，面积不小于30 m2。

6 柴油发电机的设计

6.1 柴油发电机房位置的选择

为了保证一级负荷和重要负荷的可靠供电，本工程拟在裙房的地下1层设置柴油发电机。机房选址不应在厕所，浴室或其他经常积水场所的正下方或贴临处，同时，考虑到设备运输的方便，机房顶板设置了6.5m*3.5m的吊装孔。

6.2 柴油发电机输出电压的选择

在超高层建筑中，柴油发电机房一般距离屋顶的用电设备距离较长，因此线路的电压损失较大。由于屋顶用电设备一般为加压风机，排烟风机和消防电梯等，因此可以认为其三相负荷平衡，线路的电压损失可按以下公式进行计算：

ΔU%=0.73IL(RoCOSΦ+XoSINΦ)/Ue

式中，ΔU—线路电压损失，%，一般情况下用电设备处取值为5%；

I—负荷计算电流，A；

L—供电线路距离，Km；

Ro，Xo—线路单位长度的电阻和电抗，单位Ω/ Km;

Ue—额定电压，KV。

在本工程中，屋顶的消防设备为65KW(不包括消防电梯)，计算电流为116A，当采用WDZ-YJFE4*120+1*70电缆进行供电时（ΔU%取值为5%，Ue取值为0.4，

COSΦ取值为0.85）,经计算其最长供电距离为125m。由于柴油发电机输出端的电压比额定电压要高5%，因此，本工程选用0.4KV的低压柴油发电机能够满足电压降等方面的要求。一般情况下，当建筑物高度低于100 m时，宜采用低压柴油发电机；当建筑物高度大于400 m时，宜采用高压柴油发电机；当建筑物高度在100 m~400 m时，应根据具体工程的负荷分布情况进行综合分析，确定柴油发电机的输出电压。

6.3 柴油发电机安装容量的确定

根据本工程的负荷计算，地下及裙房部分的消防负荷和重要负荷为680KW；主楼部分的消防负荷和重要负荷为660KW。考虑到柴油发电机的负荷率一般为常用功率的75%左右，因此，本工程选取了两台常用容量为900KW，备用容量为100KW的柴油发电机。

6.4 柴油发电机房储油池的确定

根据《民用建筑电气设计规范》JGJ 16-2008第6.1.11.2条规定：“机房内应设置储油间，其总储存量不应超过8.0h的燃油量，并应采取相应的防火措施”；同时根据《民用建筑电气设计规范》表13.8.6，火灾时需要继续工作的场所，如消防控制室，消防水泵房，变配电室等区域，其最少持续供电时间不小于3.0h。因此，从消防的角度来考虑，本工程需要的储油量应该为（根据康明斯提供的产品数据手册，常用900KVA，备用100KVA的柴油发电机每小时燃油量为214升）：Q=2*214*3=12(升)。由于本工程4层设有B级电子信息机房（电子信息机房的等级分类详后续说明），根据《电子信息系统机房设计规范》GB50174-2008续表A的要，为B级电子机房供电的柴油发电机，其燃料储存量不应小于24.0h。因此，本工程柴油发电机的储油量还应考虑1台柴油发电机21小时的燃油量，即柴油发电机的实际最小储油量为12+214*12=5748（升）。根据《高层民用建筑设计防火规范》4.1.10规定：“高层建筑使用丙类液体作燃料时，中间罐的容积不应大于1.0m3,并应设在耐火等级不低于二级的单独房间内，该房间的门应采用甲级防火门。”因此，本工程在柴油发电机房储油间内设置了2个0.5 m3的日用油箱，同时在建筑主体12 m外设置了1处6 m3的储油池。

7 电子信息机房的设计

本工程为某省银行总部办公楼，其功能除了自身营业外，同时肩负着汇总本地区业务数据并上传至该银行总部的任务，因此，本工程于主楼4层设置了1处电子信息机房。

7.1 电子信息机房等级的确定

根据《电子信息系统机房设计规范》GB50174-2008第3.1条规定：电子信息系统机房应划分为A、B、C三级。中断运行将造成巨大的经济损失或公共场所秩序严重混乱的电子信息机房为A级机房；中断运行将造成较大的经济损失或公共场所秩序混乱的电子信息机房为B级机房；不属于A级和B级的电子信

息机房为C级机房。这一原则对于民用建筑而言过于笼统，很难区分“巨大经济损失”和“较大经济损失”严格区分开来，好在条文说明中列举了一些A级和B级电子信息机房的例子，通过示例可以看出，国家级部门的机房及重要军事部门、大中城市机场的机房一般为A级电子信息机房；省部级部门的机房及科研、高校、大型企业的机房一般为B级电子信息机房。因本工程中的电子信息机房归属于省级的信息机房，因此，本机房定性为B级电子信息机房。

7.2 电子信息机房的组成

电子信息机房的组成应根据系统运行的特点及设备的具体要求确定。一般由主机房、空调机房、配电间、电池间、监控中心、网络接入间、气瓶间、维修间及备件库房等部分组成。主机房的面积可根据甲方的要求或电子信息设备的规格进行综合确定，当电子信息设备尚未确定规格时，单台设备的面积可按3.5~5.5 m2确定。

7.3 电子信息机房的供电

根据甲方提供的资料，目前在用信息机房的用耗量约为80KW。在本工程的设计中，电子信息机房的主电源取自变配电室内某台1600KVA变压器的专用回路，变压器按1+1冗余进行设计，同时采用1台1000KVA的柴油发电机作为后备电源，柴油发电机的燃料存储量大于24 h；考虑到后期发展的需要，本工程的不间断电源选取了4台200KVA的UPS，每组UPS电源全部按1+1冗余进行设计。图4为UPS冗余设计方案图；图5为本信息机房供电示意图。同时，信息机房内的供电系统采用TN-S系统。

7.4 电子信息机房的等电位联接

为保证电子信息系统的正常运行和工作人员的人身安全，电子信息机房应进行等电位联接，等电位联接方式应根据电子信息设备易受干扰的频率及电子信息机房的等级和规模确定，可采用S型，M型或SM混合型。S型（星型结构，单点接地）等电位联接方式适用于易受干扰的频率在0~30KHZ的电子信息设备的信号接地，对于C级电子机房中规模较小的机房，电子信息设备可采用S型等电位联接方式；M型（网型结构，多点接地）等电位联接方式适用于易受干扰的频率大于300KHZ的电子信息设备的信号接地，电子信息设备除联接PE线作为保护接地外，还采用多条不同长度的导线尽量短直的与设备下方的等电位联接网格连接，目前大多数电子信息设备的保护接地与信号接地采用此种等电位联接方式；SM混合型等电位联接方式是单点接地和多点接地的组合，可以同时满足高频和低频信号接地的要求。本工程中的电子信息机房接地采用了M型等电位联接方式。等电位联接的具体做法可参照图集09DX009,即《电子信息系统机房工程设计与安装》。

8 结语

随着我国的快速发展，各大城市将会涌现出越来越多的超高层建筑，除了保证超高层建筑供电的可靠性，每一个工程在实际设计中可能都会遇到新情况，如何及时准确的解决这些问题，是当代电气设计师义不容辞的责任。由于笔者水平有限，文中不妥之处，望专家予以斧正。

参考文献：

[1] 《民用建筑电气设计规范》,JGJ16-2008.

[2] 《高层民用建筑设计防火规范》,GB50045-95,2005.

[3] 《电子信息系统机房设计规范》,GB50174-2008.

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。