包含住宅的超高层建筑供电方案探索及实例分析_超高层住宅供电
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包含住宅的超高层建筑供电服务探索及实例分析
包含住宅的超高层建筑供电方案探索及实例分析
摘要
超高层建筑是指40层以上，高度100米以上的建筑物。超高层住宅是指建筑高度超过100米的居住类建筑。超高层建筑一般有以下特点，占地面积小，建筑体量大，建成后人员密集，用电负荷大，其对内部电力供应及运行维护有不同于常规建筑的要求。本文对建筑高度超过150米的包含住宅的超高层建筑供电方案和后期维护方案进行了分析，对方案设计和运维工作提出了对策和建议。关键词：超高层、住宅、电压降、供电方式
引言
随着社会快速发展和经济结构的转型升级，各大城市中心区域的超高层建筑如雨后春笋般拔地而起，苏州地区更是将出现了建筑高度达750米以上的超高层建筑项目。这些超高层建筑一般有以下特点，占地面积小，建筑体量大，建成后人员密集，用电负荷大，其对内部电力供应及运行维护有不同于常规建筑的要求，尤其是此类超高层一般为包含商业、办公和住宅等多种业态的综合体项目，而居民住宅用户有装表到户的低压供电需求，采用常规建筑的底层安置变压器方式的供电方案，难以满足150米以上建筑高度的低压供电半径的要求等问题，故此亟待研究制定超高层建筑的供电方案和后续运行维护方案以解决超高层综合体建筑的供电难题。
1.周边城市超高层建筑供电情况调研
因苏州地区以前并无超高层建筑，没有超高层项目供电方案相关经验，所以在制定苏州地区超高层建筑供电方案之前展开了周边城市超高层建筑供电情况的调研。南京ZF大厦位于南京鼓楼广场北侧，东至中央路，西至北京西路。设计总高度共有89层，建筑总高度达到450米，是江苏第一、中国第三、世界第七的标杆性建筑。该建筑是近年来典型的超高层建筑项目，考察该项目具有极大的参考意义。
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据了解，南京ZF大厦总装机容量达50MVA,由于项目业态还没有全部进驻运作，目前项目最大负荷约为25MW。ZF大厦内变电所全部为用户专变形式，变电所运行维护由物业负责。1.1.南京ZF大厦的供电情况
作为超高层建筑，电力供应的稳定性和可靠性极为重要。ZF大厦采用的是外部10kV电压引入供电，共有8回10kV线路电源分别来自两个不同的110kV公用变电站。在大厦负1楼设有4处10kV配电所，每处2路10kV进线，装有高压母联。整个大厦供电范围分成四个独立区，每个区高压都为双电源同供互为备用，且在低压侧也设有低压母线开关。其中高压A区，B区10kV变压器及低压配电部分都设在负一楼，A区供电范围1-8层商业部分，B区供电范围为9-34层；高压C区10kV变压器及低压配电部分分别设在35楼和60楼，供电范围为35-60层酒店业部分；高压D区10kV变压器及低压配电部分设在辅楼，供电范围为60层以上辅楼部分。
1.2.南京ZF大厦高压供电模式
南京ZF大厦10kV配电系统采用了主-分变电站结构。主-分变电站结构是最普遍使用的10kV配电结构，它采用了一级配电加分变电站的方式。整个大厦的供电结构见图1。
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图1 ZF大厦10kV供电结构示意图
1.3.南京ZF大厦的自备电源配置情况
南京ZF大厦自备应急电源系统由自备高压发电机和应急变压器组成。在负1楼设有自备发电机房，共装有4台高压发电机，每台容量2000kVA，发电机出口电压为11kV。高压发电机出口引出高压桥架送至5处配电间，分别接有6台应急变压器，低压部分通过双电源切换装置接入市电供电低压侧。1.4.南京ZF大厦的应急照明、消防电梯等重要负荷供电情况
作为超高层建筑，ZF大厦对其电梯、应急照明等重要负荷均采用了双电源供电，供电电源分别引自同一低压配电间内不同段低压母线，负荷末端采用双电源自切换装置。另外，在全所失电的状况下，自备应急发电系统可自启动，并通过切换装置自动接入低压母排（该段母排仅接消防电梯、应急照明灯重要负荷），保障重要负荷的电力供应。
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1.5.南京ZF大厦高区配电站的站址选择
ZF大厦的高区配电站设置在与避难层相结合的设备层中，针对配电站的不同位置，供电方式采用了向上供电、上下供电和向下供电三种供电模式。1.6.南京ZF大厦高区配电站设备的运输解决方法
高区配电站的主要问题是变电设备的运输问题，主要是变压器的运输。该项目在建筑内安装了大吨位货运电梯，可将变压器直接运输到相应楼层。1.7.南京ZF大厦高区配电站的防振降噪解决方法
高区配电站中变压器在运行过程中产生的振动和噪音对周围的环境是有一定影响的。ZF大厦在建设初期即委托设计单位进行了声学和防振的专业设计，在易发生振动电气设备下方土建施工中采用了“浮筑地平”技术，并在设备层墙面和顶部均采用了吸音板覆盖。设备投入运行后该技术的实际使用效果很好。该项目电气设备层上方就是五星级套房，下方为高档办公楼层，项目投运至今并无出现客户反映有振动和噪音方面的问题。1.8.南京ZF大厦电缆通道布置
因该项目采用了10kV电缆直接敷设至高区配电站，而且电缆数量较多，所以该项目在建设初期预留了专用10kV高压电缆通道,且在大厦每个楼层都有电缆通道口，这种方式可以方便日后电缆的运行和维护管理，10kV电缆全部采用了阻燃电缆并采用了垂直蛇形敷设法。
2.苏州超高层建筑供电方案的探讨
根据《供配电系统设计规范》（GB 555052-2009）规定，同一电压等级的高压配电级数不宜多于两级，故超高层建筑的高压供配电级数一般采用主变配电所—分变配电所的结构，按两级设置。
超高层建筑内业态丰富，有商场、酒店、办公，甚至住宅，不同的业态对供电模式有不同的规定及要求，且不同的供电模式又衍生出一系列建设和运维方面的问题。因此超高层建筑中变配电所的设计，除了要以安全性、可靠性为基本要求外，还应该结合建筑本身的定位和特点，考虑其运行的灵活性，以及业主投资、第4页，共11页 包含住宅的超高层建筑供电服务探索及实例分析
运营的经济性。超高层建筑从经营和安全的角度，基本都有较为强大的后期物业管理。商场、酒店主要是整体销售或托管，面积较大，对应所需的用电负荷也较大，一般采用分区专变供电，所涉及的供电设施的运行维护管理责任由业主自行承担；办公用房主要也以租赁为主，一般也以专变形式供电及运行维护；部分超高层建筑开发商取得规划许可，在超高层建筑内开发住宅项目，按照《居住区供配电设施建设标准》规定，居民住宅用电应采用供电到户方式。而分变配电所数量、位置的不同，将会对安装、维护、运营成本等带来较大变化，不应简单得仅仅以低压供电半径等单一指标作为这支变配电所的依据。以下主要针对超高层内的住宅所需提供的供电模式进行探讨并提出建议。2.1.在高层设置公共变压器存在难题
超高层住宅供电主要应考虑负荷性质、容量统计、供电半径等问题，其中为满足《居住区供配电设施建设标准》“新建居住区低压供电半径不宜超过150m”的规定，需要在建筑高层设置公共配电所。目前，国内在高层设置公共配电所的案例很少，主要原因如下。一.高层配电所建设要求高
变压器质量一般远大于普通电梯的负载能力，考虑到竣工后变压器的垂直运输问题，大楼内应设置设备运输的专用通道，配备所内设备吊装要求的大型载重电梯，并应满足最大电气设备体积的运输要求，配电所空间需满足所内设备重组、安装及试验，须建专门的供电电缆竖井，由于占用空间大、投资高，对开发商的经济效益会有较大影响。
二.敏感房间（办公室、卧室等）对变压器振动和噪声控制要求高
若变压器设置在高层，则设备周边及上下临近层的用户将受较大影响，在早期开发的小区配电所中，布置在小高层楼层中的配电变压器由于刚性连接产生的振动噪声多次引发居民投诉，矛盾日益突出，尽管采取了加防振垫圈、隔音降噪门等措施，效果甚微。而目前超高层建筑的住宅，由于高低压电缆井道空间大，结构传声的噪音问题更为严重。目前，采用浮筑构造解决高层配电所隔声问题已经在试点运用，一般建筑内的浮筑地面根据弹性垫层材料配置方式的不同有现浇
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和预制架空两种构造，前者是在承重楼板上满铺弹性材料，然后在其上现浇钢筋混凝土地面；后者则是在承重楼板上先设置隔振垫块，在垫块上铺预制混凝土板，随即做地面层。这类构造可有效地降低楼板直接下方和毗邻房间内的结构性传声，但能否运用在公共配电所内，能否荷载变压器和高低压设备的重量以及有效隔声的年限等问题还需要技术论证后方可推广使用，这不失为今后超高层变压器设置方案的发展方向。三.运行维护难度大
由于变压器的使用寿命不可能大于建筑使用寿命，配电变压器等设备需定期检修与更换，专用检修通道和为大型设备预留的大型载重电梯需后期物业公司维护，且具备起吊装卸等条件，这些对超高层建筑的物业管理提出了较高的要求。2.2.公共变压器设置方案探讨
针对以上问题的逐条分析并参考南京ZF大厦的建设运行经验，我们提出以下几种供电方案作为苏州超高层住宅供电模式的备选方案。一.公共配电所设置在高层，10（20）kV电缆直供至高层负荷中心
这种供电模式的优点是10（20）kV电缆线路直接深入超高层负荷中心，公用变压器设置在高层避难层（或设备层），低压侧供电能有效控制在合理范围内，满足超高层用户用电末端对电压降的要求。
根据《电力用户业扩工程技术规范》、《江苏省电力公司配电网技术导则实施细则》等规定，应要求开发商在建筑设计中考虑预留公用配电设备的安装位置及高低压公用电缆通道，设置大型重载货梯以便设备运输。在防振和降噪方面，应要求开发商委托有资质的设计单位进行声学和防振的专业设计，在易发生振动的电气设备下方土建施工中采用类似于“浮筑地面”的技术，并在设备层墙面和顶部均采用吸音板覆盖；变压器要选用节能环保、噪音低的型号，变压器安装方式考虑整体直接落地安装，避免槽钢与地面接触产生的振动加剧。
二.公共配电所设置在建筑底层（非最底层），通过0.4kV电缆供电至负荷中心
这种供电模式10（20）kV变压器、低压配电柜等设备都设置在建筑底层（非最底层），这对配电系统的施工和日后设备运行维护都带来方便，而且变压器易
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振动设备设置在地面或地下对建筑内部住户的影响也比较小。但同时需要解决末端电压偏低，长距离低压电缆吊装等问题。
末端电压偏低问题可以通过以下2种方式缓解。一是再高层用电末端才用分区方式供电，不同的分区由不同的变压器供电，通过调整变压器分接头适当提高出口电压，可以缓解末端电压偏低的问题。不同分区可以根据实测数据确认分接头档位。二是可以通过在配电变压器出口处装设电压监测装置，并采用动态无功补偿，在用电高峰提供容性无功提高电压，在用电低谷提供感性无功降低电压从而缓解电压偏差问题。此外，由于低压供电半径长，供电范围大，需要为低压供电设施预留足够的安装空间，安装工艺也需要考虑承重、维护等问题。
3.苏州超高层建筑“DF” 项目供电方案的制定
苏州“DF”项目是集五星级白金酒店、高档酒店式公寓、高级办公、超大型商场、大型地下车库于一体的综合性超高层建筑，地上65层，其中塔楼5层、裙楼6层，地下5层，建筑总高278米，建筑总面积约45万平方米。建筑效果图见图2。用户申请底层裙房商业采用专变供电，容量为双路16960kVA，每路8480kVA，北楼酒店及办公用电采用专变供电，申请容量为双路28500kVA，每路14250kVA，南楼公寓用电6400kVA采用公变供电，申请供电总容量为45760kVA。
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图2 DF项目效果图
3.1.外部电源方案
本项目在20千伏配电网供电区域内，故采用20千伏接入系统方案。项目新建两座开关站，分别位于南北两侧群房内，采用5回20千伏线路接入开关站，分别为：110千伏A变电站出3回电缆，220千伏B变电站出2回电缆，为保证DF项目的供电可靠性，采用20千伏合环运行方式，2回来自A变电站20千伏电源及2回来自B变电站20千伏电源分别合环运行；第5回20千伏电源来自A变电站不同主变，且分别与南北两个环网（南北开关站）形成备供，作为DF项目重要负荷的备用电源。3.2.供配电系统设置方案
项目在南北2座塔楼底层分别设中心开关站，在南塔楼底层设8*800kVA公变，供南楼公寓部分住宅用电。专变由用户根据就近负荷中心的原则分别设置在底层及设备层。楼宇内变压器室均考虑减震、降噪、静电屏蔽的措施减低对周边人群的影响。
公共配电所设置方案采用第二章中的第二种供电方式，也就是公共配电所设置在建筑底层（非最底层），通过0.4kV电缆供电至负荷中心。如此一来，工程
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施工和设备运行维护都较为简便，避免了大型设备的起重、运输和更换问题，也解决了设备振动对居民住宅的影响。但还存在上述章节中分析的技术难点，下面就逐一进行阐述。一.末端电压降
由于变压器设置在底层，而最高的居民住宅位于63层，垂直高度达两百多米，超过了150米的低压供电半径，末端电压降有可能超过《供电营业规则》规定的低压三相供电不超过额定值的±7%、220伏不超过额定值的+7%、-10%。为了保证电压降在允许范围内，首先变压器低压出线拟采用240平方毫米的铜芯电缆供各层居民集中表箱。由于铜较铝的电阻率低，电缆截面较大，因而电压损耗较小，同时考虑电缆的电容效应，可对末端电压进行补偿。其次，变压器拟根据楼层高低分区供电，每台变压器供电范围的垂直高度相对接近，根据平均供电距离设置变压器档位，在运行后也可以根据实测情况调整。此外，拟在变压器低压出口端安装电压监测仪和动态无功调节装置，根据输出电压高低自动补偿或吸收无功功率，调节末端电压偏差。二.电缆敷设方式
低压供电半径长、居民户数多导致低压电缆数量大、截面粗、线路长，这对施工造成了很大困难。需要为低压电缆设置足够空间的专用竖井通道，容纳所有低压电缆。为了解决垂直敷设面临的电缆自重问题，一是采用垂直蛇形敷设方法，缓解自重压力；二是按高度分段设置电缆转接箱，在设备层通过电缆转接箱对长电缆进行分段，在控制单根电缆长度的同时也便于后期电缆的维护和抢修。三.后期维护
与普通高层住宅相比，超高层住宅的供配电设施维护难点突出在大型电缆竖井和庞大的低压电缆，不利于日常维护和故障排查，若发生设备故障难以快速恢复供电。按前期方案，变压器按楼层分区供电，可为不同变压器的低压出线分别设置独立的电缆竖井进行地理区隔，便于日常管理和后期故障的查找。而不同母线段的变压器可互为备用，以解决单台变压器故障抢修期间临时供电的困难。
方案一：不同母线段的两台变压器分奇偶数楼层隔层供电，1号主变供1、3、第9页，共11页 包含住宅的超高层建筑供电服务探索及实例分析
5层„„，2号主变供2、4、6层„„，各台变压器供电范围仍旧相对集中，但当某台变压器发生故障时，相邻层的另一台变压器低压出线可提供临时电源。
方案二：由于每层内的居民表箱都不止一个，设计时每层表箱可均匀分配由不同母线段的变压器分别供电，当单台变压器故障时，同层另一变压器低压出线可提供临时电源解决抢修期间的供电问题。
本项目采用何种方案还需根据现场土建条件和经济技术比较后方可确定。因超高层项目建设周期长，目前DF项目电气工程还在图纸设计阶段，以上初步供电方案还需要在建设过程中根据实际情况调整，实际运行采取的维护措施也需要在今后的施工及使用过程中不断优化。
4.结论
为了实现在2020年基本建成现代化示范区的目标，苏州地区将建设一批地标性质的超高层建筑，整体提升苏州经济建设的形象。目前已有多个超高层项目获得政府的立项，苏州的超高层建筑高速发展时代即将到来。
图3 苏州超高层建筑群效果图
苏州超高层供电方案的及时出台，初步解决了苏州地区超高层建筑供电的难题，但是超高层建筑供电作为一个全新的业务种类还有很多问题需要探索解决，接下来将在项目正式实施阶段接受检验。
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参考文献
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