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【干货来袭】超高层建筑电气设计要点!

2023-05-10 14:56:27

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在多年的超高层设计实践中,笔者总结了超高层建筑电气设计要点,将点滴体会和心得与读者分享,也希望读者提出宝贵建议,以提高我国的超高层建筑电气设计水平。

1、设计要点

1.1 术语

超高层建筑:建筑高度大于100m的民用建筑。

民用建筑:供人们居住和进行公共活动的建筑的总称。

居住建筑:供人们居住使用的建筑。

公共建筑:供人们进行各种公共活动的建筑。


1.2 供电电源

1.2.1 负荷分级

超高层建筑用电负荷见表2-1

表1 超高层建筑负荷分级表


超高层民用建筑的消防控制室、火灾自动报警及联动控制装置、火灾应急照明及疏散指示标志、防烟及排烟设施、自动灭火系统、消防水泵、消防电梯及其排水泵、电动的防火卷帘及门窗以及阀门等消防用电为一级负荷中的特别重要负荷。

1.2.2 负荷密度

超高层建筑负荷密度与建筑功能、建筑面积、建筑高度、附属功能等因素有关。一般在80~120W/m2

1.3 供配电系统设计

1.3.1 供电要求

超高层建筑应进行整体供配电系统设计,至少需要两路独立市电电源,还需要另设应急电源或备用电源。

1.3.2 电源

1) 超高层建筑的正常电源数量不应少于两个,各路电源应为不同路由的线路,宜采用专线由上级变电站或开关站放射式供电。电源电压等级可以为10kV、20kV、35kV或110kV。

当一路电源断电时,剩余电源应能保证二级及以上负荷的供电。

2)超高层建筑应设柴油发电机作为应急电源或备用电源。设置在超高层建筑内的柴油发电机,应根据负荷大小、单台电动机最大启动容量、供电半径等因素确定柴油发电机的额定输出电压:

(1) 当建筑物高度低于200m时,宜采用低压柴油发电机;

(2) 当建筑物高度大于400m时,应选用高压柴油发电机;

(3) 当建筑物高度在100m~400m时,应进行技术分析、比较,确定柴油发电机的额定电压。

3)超高层建筑中的应急电源不得使用汽油、煤油、天然气等作为动力源,可使用柴油发电机组。

4)柴油发电机组在超高层建筑中既可作为应急电源使用,也可以作为备用电源使用。当备用电源满足应急电源条件时,备用电源可以兼作为应急电源。

5)低压柴油发电机组(400V)最大单台并机容量不得大于1600kW。如要进行并机运行,可采用高压柴油发电机组。

6)柴油发电机组输出功率有常用功率和备用功率,应在图中表明。

7)柴油发电机组的负荷率宜为75%,以实现经济运行。

8)市电与发电机转换用的ATSE建议采用PC级、4极、三位式的ATSEATSE与其之前的短路保护电器应有可靠的配合。

1.3.3 电源工作方式

电源的数量及工作方式建议按表2执行。

表2 建议的电源数量及其工作方式

电源数量

运行方式

建议适用范围

两路电源

一用一备

规模不大的超高层建筑,不推荐使用

同时工作、互为备用

8MVA以下(一路10kV);

16MVA以下(一路20kV);

40MVA以下(一路35kV);

100MVA以下(一路110kV)(此处是否应与左栏一一对应?)

三路电源

两用一备

同时工作

四路电源

两两工作、不设站联

两两工作、设站联

分别工作、相邻电源设联络

三用一备

1.3.4 高压供配电系统

1)超高层建筑的高压供配电系统宜采用主配变电所——分配变电所结构,主配变电所应采用单母线分段的主接线形式采用放射式引至分配变电所。

2) 高压系统的配电级数不宜多于两级。

3) 应根据当地供电部门的规定,35kV电压等级可直降到0.4kV;也可先将35kV降压到10kV,再将10kV降到0.4kV

4)如当地供电部门没有特别要求,20kV电压等级可直降到0.4kV

1.3.5 配变电所

1)所址选择应满足《10kV及以下变电所设计规范》GB50053、《民用建筑电气设计规范》JGJ 16、《35110kV变电所设计规范》GB50059中的有关规定,主要配变电所(室)严禁设置于大量人员能达到的场所。变电所、主要的配电间不应设在伸缩缝、沉降缝及存在漏水危险的地方。

备用发电机、变压器不宜靠近主出入口。

2)配变电所应设置在负荷中心,主配变电所宜设在地下一层、地下二层(非最底层)和首层,也可设置独立的变电站。分配变电所应根据负荷情况设在避难层、顶层,其变压器容量不宜超过1000kVA。

3)配电变压器的长期工作负载率不宜超过60%

4)超高层建筑至少在主配变电所设值班室,值班室宜单独设置,也可与控制室合用。值班室应能直通或经过走道与高压配电装置室和相应的配电装置室相通,并应有门直接通向室外或走道。

5)配变电所内应设置低压集中自动电容补偿装置。补偿要求按当地供电部门的规定执行,当没有明确规定时,补偿后低压侧进线处的功率因数应达到0.90以上。

6)继电保护按《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》GB50062、《电力装置的电测量仪表装置设计规范》GB/T 50063、《民用建筑电气设计规范》JGJ 16的要求执行。并符合下列规定:

(1) 高压系统采用中性点经小电阻接地方式时,应设置零序速断保护,零序保护装置动作于跳闸,其信号接入事故信号回路。

(2) 当分变电所离总配变电所距离较远且上级保护不能满足分变电所进线处保护灵敏度要求时,分变电所进线处应设一级保护。如果必要,分变电所的变压器可设差动保护。

(3) 超高层建筑宜采用综合继保单元,分散布置在高压配电装置上;低压系统宜采用多功能仪表。高压、低压、柴油发电机组成统一的电气控制系统并接入BMS系统。

7) 控制方式、所用电源及操作电源

超高层建筑高压宜采用集中控制方式,对变压器主断路器、分段断路器、主要馈出回路断路器宜采用集中监视方式。

主配变电所应采用直流操作电源,分配变电所视具体情况采用直流操作电源或交流操作电源。

所用电源宜引自配电变压器。

8) 备用、应急电源

(1) 应急电源的设置要求按相关规范执行。

(2) 备用电源应采用独立于正常电源的发电机组,不应采用蓄电池。酒店部分的备用电源应按酒店管理公司的要求设置,用于出租的写字楼宜预留柴油发电机组房的位置及进排风、供油等条件。

(3) 柴油发电机房宜设在地下一层、地下二层、首层,也可设置独立的柴油发电机房,不宜在避难层和顶层设置柴油发电机组。

1.3.6 低压配电系统

1) 配电方式

低压配电系统宜采用三级配电方式,即总配电(配变电室)、区域配电(配电间)和终端配电。三级配电系统相互之间要求保护开关动作具有选择性。

2) 系统类型

表3 低压配电系统及其适用范围

类型

系统类型

系统说明

1

单母线分段+二段应急母线

两路市电为分段的单母线供电,中间设联络断路器;应急母线段由市电/备用(应急)发电机供电,市电与发电机之间采用机械、电气连锁。宜设置两段应急母线,一段用于应急负荷供电,一段用于备用负荷供电。

2

单母线分段+一段应急母线

两路市电为分段的单母线供电,中间设联络断路器;宜设置一段应急母线段,为应急负荷和备用负荷供电。市电与发电机之间采用机械、电气连锁。

3)超高层建筑中消防设备供电干线及分支干线应采用矿物绝缘电缆,尽量减少矿物绝缘电缆的长度,减少偏移量。电缆端部应防止芯线溅水,连接矿物绝缘电缆的配电柜(箱)和用电设备接线盒的防护等级不宜低于IP55。

4) 配电线路布线系统应注意以下几点:

(1) 超高层建筑高压宜设置独立的竖井。

(2) 由于需要末端双电源切换的负荷较多,电缆数量随之增多,可分设普通桥架与应急桥架,应急桥架内设隔板,使双电源的两根电缆分设两侧。

(3) 超高层建筑不宜采用穿刺线夹接线方式。


1.4 照明设计要点

1.4.1超高层建筑应设置航空障碍灯,并应符合下列规定:

(1)障碍标志灯应装设在建筑物或构筑物的最高部位。当制高点平面面积较大或为建筑群时,除在最高端装设障碍标志灯外,还应在其外侧转角的顶端分别设置。

(2) 障碍标志灯的水平、垂直距离不宜大于45m。

(3) 障碍标志灯宜采用自动通断电源的控制装置,并宜设有变化光强的措施。

(4) 航空障碍标志灯技术标准应符合表4的规定。

表4 航空障碍灯技术标准

障碍标志灯类型

低光强

中 光 强

高光强

灯光颜色

航空红色

航空红色

航空白色

航空白色

控光方式及数据

(次/min)

恒定光

闪光

20~60

闪光

20~60

闪光

20~60

有效光强

32.5cd用于夜间

2000cd±25%用于夜间

·2000cd±25%用于夜间

·2万cd±25%用于白昼、黎明或黄昏

·2000cd±25%用于夜间

·2万cd±25%用于黄昏与黎明

·27万cd / 14万cd±25%用于白昼

可视范围

·水平光束扩散角360°

·垂直光束扩散角≥10°

·水平光束扩散角360°

·垂直光束扩散角≥3°

·水平光束扩散角360°

·垂直光束扩散角≥3°

·水平光束扩散角90≥3°或120°

·垂直光束扩散角3°~7°

最大光强位于水平仰角

4°~20°之间

最大光强位于水平仰角0°

适用高度

·高出地面45m以下全部使用

·高出地面45m以上部分与中光强结合使用

高出地面45m时

高出地面90m时

高出地面153m(500英尺)时

5)障碍标志灯的设置应便于更换光源。

6)障碍标志灯电源应按主体建筑中最高负荷等级要求供电。

1.4.2屋顶直升机停机坪的照明应符合《民用直升机场飞行场地技术标准》MH5013-2008的要求,照明的要求可参考表5

屋顶直升机停机坪照明要求

灯具类型

安装部位

要求

应用实例

瞄准灯

安装在瞄准区三角边上

嵌入式安装,不少于6盏,通常6盏或8盏,同步频闪,Ip67

埋深不小于120mm,直径约200~300mm,单相AC220V,单灯功率一般50~100W,白光,有效光强不小于100cd/m2

周界灯

直接装于停机坪接地离地区周界

此灯是强制性的,必须安装。

一般14盏等分布置,相邻灯具不大于3m,串联,同步频闪,黄光。

AC220V50Hz,单灯功率不小于50W,有效光强不小于250cd/m2IP67

泛光灯

装于安全区边界,用于夜间直升机起降

泛光灯不得对飞行中的飞行员产生眩目,降落场区不应有阴影,停机坪表面的平均水平照度不低于10lx,均匀性比率(平均值与最小值之比)不得大于81

AC220V50Hz,单灯功率不小于150W,不低于IP65

风向标灯

装于安全区以外

供夜间使用的直升机场,必须设置风向标灯。

风向标灯主要有照明单元,装于风向标顶部,与风向指示袋、风标杆组成风向标系统

顶部照明单元设四只100W卤钨灯、一盏红色航空障碍灯


1.4.3超高层建筑应设置消防应急照明和疏散指示系统。


1.5 防雷与接地

1.5.1根据《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010,超高层建筑防雷等级应按二类防雷建筑设计。

1.5.2超高层建筑电子信息系统防雷击电磁脉冲防护等级宜按A级设计,各级SPD设置宜按表6选择。

表6 浪涌保护器的设置、保护及配线

1.5.3超高层建筑多为钢结构或砼与金属框架结构,接闪器可采用避雷带和避雷针,当屋顶设有直升机停机坪时,应避免避雷针对直升机的影响。


1.6 消防报警系统

1.6.1根据《火灾自动报警系统设计规范》GB50116-98,超高层建筑高度超过100M应定为特级保护对象。

1.6.2火灾探测器设置部位应符合现行国家标准《高层民用建筑设计防火规范》GB50045的有关规定。

1.6.3高大空间感烟感温探测器无法保护时,可在不同高度分别设置红外光束感烟探测器,满足设置规范要求。

1.6.4在需要进行火灾早期探测的关键场所,宜采用吸气时烟雾探测火灾报警系统,设计见《吸气式烟雾探测火灾报警系统设计、施工、验收规范》DB501-622-2005

1.6.5 消防系统应选择控制中心报警系统。根据超高层建筑的使用功能不同,设置分控中心。报警信号或联动信号在控制中心和分控中心显示。


1.7 建筑设备管理系统

1.7.1建筑设备管理系统应满足相关管理需求,对相应的消防报警系统、公共安全系统进行监视及联动控制。

1.7.2建筑设备管理系统宜考虑对不同功能区域的管理和供能计量。


1.8 安全技术防范系统

1.8.1根据超高层建筑的使用功能、规模、性质、安全管理要求及建设标准,构成安全可靠、技术先进、经济适用、灵活有效的系统。

1.8.2入侵报警系统,超高层中重要部位,重要办公用房,财务出纳,贵重物品库设置,要考虑报警位置、信号传输方式。网络传输或专用有线传输、信号线、电缆线,要考虑机械强度、电压降和信号衰减。

1.8.3视频安防监控系统,超高层建筑规模大,宜采用专用有线传输方式,传输介质选用同轴电缆控制线,电源线采用铜芯导线,传输距离超过200m时,要考虑信号衰减和电压降。当采用全数字式安防监控系统时,宜采用综合布线对绞电缆,要满足综合布线相关规定。


1.9 综合布线系统

1.9.1设计遵照《综合布线系统工程设计规范》GB50311-2007进行。

1.9.2 超高层建筑面积大,建筑内有多家公司、部门办公营业,进线空间应能提供给多家电信业务经营者使用,要留有引入室外电、光缆的通路。进线间内宜设置单独的分区。

1.9.3超高层建筑属于特级建筑,要满足消防要求,电缆、光缆选用阻燃等级,低烟无卤级别产品。


1.10 有线电视和卫星接收系统

1.10.1电视信号来自市政电视网。

1.10.2市政电视信号和卫星电视信号,在设置的电视前端机房混合后,传输到用户终端,前端机房位置可选接近卫星无线的顶屋或地下室层。

1.10.3信号在建筑内传输,采用同轴电缆,传输系统构成有放大器、分支分配器。

2、 条文说明

2.1 术语

超高层建筑的术语取自《民用建筑设计通则》GB50352-2005,即建筑高度大于100m的民用建筑被定义成超高层建筑。国际上也基本持相同或相似观点,例如1972年,在美国宾夕法尼亚州伯利恒市的国际高层建筑会议上,认定40层以上、建筑高度在100m以上的建筑定为超高层建筑。


2.2 供电要求

由于超高层建筑的业态多样性和长距离供电特点,在供配电系统设计时应进行整体考虑,同时还要考虑到不同业态的管理和维护问题。从表2-2可知,超高层建筑的电源至少需要两路独立市电电源,最多达9路10kV市电电源。

超高层建筑还存在大量的一级负荷中特别重要负荷,因此,需要应急电源。而高等级的酒店、办公等业态有大量的备用负荷,即在市电停电时酒店、办公能满足基本运营,因此酒店和办公需要备用电源。

2.2.1 电源

1) 有表7可知,超高层建筑的正常市电电源数量不少于两个,电源电压等级也各不相同,表中为10kV、35kV或110kV,近年来20kV也逐渐被采用。

电源数量与负荷等级有关,由于存在大量的一级负荷和二级负荷,至少需要两个电源,且当一路电源断电时,剩余电源应能保证二级及以上负荷的供电。

电源数量还与一路电源所带负荷容量有关。如表8所示,一路10kV电源所带负荷不宜超过8000kVA,最大不得超过12000kVA,如果大于此限值,应考虑提高电源的电压等级或增加电源路数。

表8 一路电源所带负荷限值[4]

供电电压等级

kV

变压器总容量

kVA

备注

10

100~8000

每路10kV电源最大不宜大于1.2kVA

20

200~1.6

每路20kV电源最大不宜大于2.4kVA

35

5000~4


110

2~10



2.2.2高压供配电系统

1)~4)主配变电所——分配变电所结构形式简称主分结构,即超高层建筑中设一个总配变电所(简称主站),由总配变电所向各分配变电所(简称分站)的变压器直接供电,参见图2。与此对应的是二级配电结构,如图3所示,总配变电所向分变电所供电,分变电所经过二级配电向变压器供电。两者特点参见表9。

图2 主分结构示意图



图3 二级配电结构示意图


结构形式

主分结构

二级配电

电源

至少两路10kV、20kV、35kV、110kV独立电源。

至少两路10kV、20kV、35kV、110kV独立电源。

系统

主站直接配电给各主站和分站中的变压器。

主站一级配电,分站二级配电,各主分站向变压器供电

保护

保护设在主站,分站进线设负荷开关起隔离作用。当主站出线保护不能满足要求时,分站进线应设保护。

主分站均设保护。当主站出线回路保护能满足灵敏度要求,分站进线可不设保护。

特点

中压电缆数量较多,主站中压开关柜数量多

中压电缆数量较少,主站中压开关柜数量少,而分站中压开关柜数量多

可靠性

简单、可靠

多一级,可靠性略有降低

投资

较高

维护成本

较高

适用范围

单一业态,或不需独立管理

多业态需独立管理的综合性建筑

结论

推荐


表9主分结构与二级配电结构比较

2.2.3 配变电所

1)分配变电所应根据负荷情况设在避难层、顶层,其变压器容量不宜超过1000kVA。由表10可知,常用的三款1000kVA变压器的主要参数,SGB10-1000kVA10kV的变压器重量不足3t,其重量只有SCB10同规格的80%。宽度只有1.35m,因此,采用3t的货梯即可解决垂直运输问题。而1000kVA变压器基本上可以满足楼上大型设备的需求。


表10 变压器的体积和重量

2) 关于继电保护可归纳到表11中,供读者参考。


表11 继电保护列表

配变电所

部位

小电阻接地系统

中性点不接地或经消弧线圈接地

总配变电所

高压进线

过流和速断保护

过流和速断保护

零序接地故障保护

 单相接地报警

失压保护

失压保护

高压母联

过流和速断保护

过流和速断保护

高压馈线

 过流和速断保护

过流和速断保护

 零序接地故障保护

分配变电所

高压进线

不设保护*

不设保护*

变压器

 过流和速断保护

过流和速断保护;

 零序接地故障保护

温度保护

温度保护

必要时设变压器差动保护

必要时设变压器差动保护


*当上级保护不满足保护灵敏度要求时,分配变电所进线处应设保护。

变压器的温度保护通常设二级保护,第一级作用于超温报警,并连锁风机强迫启动风机对变压器进行冷却;第二级作用于超温动作跳闸,切除故障变压器回路。

而母联断路器电流速断保护仅在合闸瞬间投入,并在合闸后自动解除。这样可以减少保护配合的级数,提高可靠性。

2.2.4 低压配电系统

1) 超高层建筑中消防设备供电干线及分支干线应采用矿物绝缘电缆,这是《民用建筑电气设计规范》JGJ 16-2008中的规定。众所周知,矿物绝缘电缆的绝缘材料氧化镁极易受潮,受潮后绝缘快速降低。因此,尽量减少矿物绝缘电缆的长度,减少偏移量。本条同时对矿物绝缘电缆中间接头、端头的防水防潮提出要求,详见文献6。

2超高层建筑不宜采用穿刺线夹接线方式,此要求可以推广到整个民用建筑电气设计中。因为穿刺线夹尚没有产品的国家标准,各生产企业按其企业标准进行生产,产品质量良莠不齐。这几年的工程实践也证明了这一点。

2.3 照明设计要点

2.3.1本条是对超高层建筑设置航空障碍标志灯的要求,图4所示障碍标志灯应装设的部位,即装在建筑物或构筑物的最高部位、外侧转角的顶端,障碍标志灯的水平、垂直距离不宜大于45m。图中蓝色圆点所示。


航空障碍标志灯设置示意

2.3.2本条是对屋顶直升机停机坪的照明要求,以满足直升机全天候起降,包括发生灾害时的救援。编制依据为《民用直升机场飞行场地技术标准》MH5013—2008

2.4 防雷与接地

根据《民用建筑电气设计规范》JGJ 16-2008第11.9.1条第6款的规定,五星级宾馆的电子信息系统防雷击电磁脉冲防护等级划分为A级,而宾馆、酒店是超高层建筑的主要功能之一。且建筑物高度高、建筑体量大,雷击风险大于普通建筑。故将超高层建筑电子信息系统防雷击电磁脉冲防护等级推荐为A级。

2.5 消防报警系统

超高层建筑若有若干不同的使用功能时,各使用功能宜设置各自的分消防报警和控制系统,便于管理和维护。而整栋建筑应统一设计,且设置总的消防控制中心,报警信号或联动信号在总控制中心和分控中心显示。

 

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