某超高层项目-塔楼变配电所设置方案比选分析

某超高层项目-塔楼变配电所设置方案比选分析

叶顺文

深圳前海微众银行股份有限公司

摘要：结合工程实例，分析比选某超高层项目-塔楼变电所不同设置方案，主要从变电所面积数量、供电半径、电压降、初投资、有功电能损耗费用等方案影响考虑，并对单台变压器的容量选择、超高层建筑中的变压器运输等问题进行探讨。

关键词：超高层建筑  变电所设置  供电半径  避难层  设备投资  安装运输 

引言：当前，国内各大城市中心区域超高层建筑越来越多，变配电所做为大楼正常运转的电力系统心脏所在，合理设计供配电系统，确定变配电所的位置及数量，对提高供电质量、安全经济运行及节能降耗具有重大作用。下面以我参与的一个项目实例来展开讨论，对超高层项目变配电所选址及供电配电系统进行分析。

1、工程概况

本项目地面高度 356m，办公限高310米，办公面积暂定为 122600 ㎡；地下设备用房 6808 ㎡。塔楼共有66 层，1-3 层是挑高大堂，4-5 层部分办公、部分商业，6-20 层是办公一区，22-30 层是办公二区，33-47 层是办公三区，48-63是办公四区，10 层、21 层、31 层（设备层）、32 层、43 层、54 层、64 层是避难层和设备层， 65 层、66 层是塔冠的屋顶花园，功能分区详见下图示意。

2、变电所位置选择

变配电所的设计，除了考虑安全、可靠性等基本原则外，应深入负荷中心以缩短低压供电半径，降低电能损耗、靠近电源侧、便于高低压两侧进出线、便于设备运输、装卸和搬运，综合技术经济指标等因素综合分析比较后确定。同时，超高层变配电所位置及占用容积率也要引起重视。在设计阶段与业主方充分沟通，在满足技术指标前提下符合业主的需求，根据租售（整租整售、零租零售）情况，各业态计费方式的差异（高供高计、高供低计、计费到户）及物业管理分区不同等几个维度对变配电所的个数进行设计。

超高层项目供电半径、用电负荷较大，用电设备多种多样。依据《供配电系统设计规范》GB 50052-2009第4.0.6条，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系统一般采用主变配电所-分变配电所的结构，按两级设置。一般在地下室设主变配电所，在避难层、设备层设分变配电所。另外，从低压配电方面分析，变配电所的设置应考虑用电负荷的容量及供电半径。根据《全国民用建筑工程设计技术措施 电气（2009版）》第3.1.3条第2款：低压线路的供电半径应根据具体供电条件，干线一般不超过250m，当供电容量超过500kW，供电距离超过250m时，宜考虑增设变电所。

根据当地电网条件，本项目电源进线采用 10kV，环网节点拆分原则供电，商业办公建筑单节点容量上限是4500kVA。鉴于项目目前处于方案设计阶段，可灵活按照面积指标法及需求系数法估算项目整体用电负荷。首先按设计手册及业主提供依据确定用电指标及需要系数，结合本项目的建筑面积指标，可估算出本项目总装机容量。鉴于本项目考虑季节性负荷且容量较大为制冷系统采用专用变压器供电，制冷机房的变电所靠近制冷机房设置。因此，制冷机房的变电所的设置位置不在本次方案比选的重点分析之列，本文仅对塔楼办公部分（商业由整个地块商业变压器供电）的变配电所设置进行三个方案（具体详表1）的介绍和分析。

3、各方案分析比较

3.1简述技术经济分析计算过程：

（1）变配电所设备造价：包括高压柜（进线、计量、隔离、出线）、变压器、低压柜（进线、补偿、出线、双切、联络），造价采用市场中各厂家经验报价数据。

（2）线缆造价：根据负荷估算值按照明小动力、空调、电梯等用电性质划分供电回路，并按此计算干线电缆、插接母线的长度、根数。线缆单价参照当年度线缆报价。

（3）能耗计算：计算主要依据《工业与民用配电设计手册（第四版）》第1.10节进行。1）为计算年有功电能损耗，需要先确定年最大负荷损耗小时数。根据《工业与民用配电设计手册（第四版）》，结合本建筑功能使用特点，本项目年最大负荷利用小时数考虑功率因素年最大负荷损耗小时数2）变压器电能损耗：变压器损耗主要包含负载损耗（铜耗）及空载损耗（铁耗），根据《干式电力变压器技术参数和要求》GB/T 10228-2015，按B级绝缘耐热等级考虑，本次不考虑无功电能损耗计算。3）50年运行有功电能损耗费用：参考本项目所在城市电价计取原则，考虑峰谷因素，为方便计算，取1元/kWh。

（4）电压降校核：计算主要依据《工业与民用配电设计手册（第四版）》第9.4节进行。本工程11-20F办公照明插座小动力配电干线，分两段母线槽树干式奇偶楼层交替插接箱供电，并分别在未接用电负荷奇偶交替楼层预留插接母线槽接口，采用密集式铜母线槽。其中一段母线槽供电计算负荷为620kW，计算电流为1045A。断路器整定值1250A。本工程B3层变配电所在地下三层办公核心筒南侧地下车库区域，母线槽水平敷设至竖向电井距离约80米，母线槽供电负荷为11层至20层办公照明插座小动力配电，而且这些楼层为标准办公楼层，等效集中负荷布置于负荷分布线段的中点，电压损失计算用竖向计算等效长度为87米，母线槽干线总供电半径约167米。采用上述终端负荷用电流矩电压降计算工式，并按《工业与民用配电设计手册（第四版）》

查询计算结果线路电压损失4.65%。

竖井内每层设插接箱用于接入照明配电箱，每层照明配电箱接至末端配电箱采用WDZR-YJY电缆沿桥架敷设，末端配电箱接至照明小动力插座负荷采用WDZR-BYJ导线，穿JDG管材敷设。根据建筑平面图初步预估离电井最远处末端箱负荷10kW，供电距离约35m，末端配电箱接至最远照明插座回路按1kW,20m计算。按本文3.2电压降计算公式得出结果分别为0.54%，0.7%。

将上述三个数值相加得出总的线路电压损失5.88%（忽略插接箱、配电箱母排等处电压损失），不符合规范的要求。从这里可以看出末端两级的调整余地不大，主要矛盾点在于母线槽干线的压降。故选择将母线槽截面放大一级，选用1600A密集式铜母线槽时，其线路电压损失为3.34%，总压降损失为4.57%，符合规范的电能质量要求。考虑同样对其它若干回路进行校核，此处不再赘述。对供电距离及负荷都比上述条件好的回路，不再进行校核计算。

3.2 三种方案技术经济指标对比

表1  三种方案技术指标对比

表2  三种方案经济指标对比

（1）方案一优点：1）变配电所集中，占用建筑面积小，占用塔楼建筑面积更小，对容积率影响小。2）由于塔楼变配电所数量少，对相邻楼层的噪音和电磁干扰区域少。3）变压器相对其它方案容量较大，带载能力较高，使用同时系数亦较小。4）总装机容量及台数最小，基本电费和维护成本较小。缺点：1）供电半径大，低压电缆母线槽一次投资费用大。2）由于低压电缆母线槽供电距离长，年有功电能损耗费用高，同时，线路电压降大，需要校核；3）电井面积相对其它两个方案较大，不过区别较小。

（2）方案二相比方案一，同样在31F、54F设置变配电所，另一处变配电所方案一在B3层设置，方案二设置在10F，而且21F避难层的负荷由方案一31F供电调整至方案二10F供电。对比可知，方案二初投资和年有功电能损耗费用都显得有优势。就此原因是方案二变配电所设置深入负荷中心。

（3）方案三相比方案一，同样在B3F设置变配电所，不同之处是方案三比方案一在塔楼多设置了一处变配电所，两者综合费用对比相差不大。初投资方案三比方案一略高，由于多了一处变配电所，高低压配电柜及变压器造价较高，需要的高压线缆亦较高，相比方案一，方案三更深入负荷中心，低压线缆造价较低。可见，适当采用大容量变压器，合并变配电所，有其可取之处，但是当供电半径过大，线缆费用成为主要矛盾时，就需要综合评判分析。

（4）塔楼变配电所设备运输：结合项目特点，高压柜、低压柜等吨位较小的设备采用货梯直接运输。三个方案塔楼变配电所最大容量变压器容量1000kVA，尺寸约2000x1400mm，重约3.5t，已经超出了本项目货梯的运力，拟利用建筑内电梯井道垂直运输，需电梯厂家配合施工。三个方案仅是变压器数量上的差异，运输难度持平。

4、结论与建议

通过技术经济分析比较上述方案，宜选用方案一或方案二。方案一与方案二初投资基本持平，从长期运营看，方案二比较节约能耗，相应节省费用。但是业主方从运营角度看，

1）本项目业主规划为出租型办公物业,尽量减少一次投资，方案一和方案二基本持平；2）方案一减少塔楼变配电所数量和面积，变配电所较少占用项目容积率。3）减少相邻楼层的办公租户存在噪声、电磁干扰的影响。4）总装机容量及台数最小，基本电费和维护成本较小（上述经济分析未考虑基本电费，与实际供电局供电电费收取原则有关，方案一较方案二装机容量小，长期看优势不小）。故在技术实施上均可行的情况下最终选取了方案一：分别于B3层、31层、54层设置变配电所。

5、结语

以上是笔者对参与本项目超高层建筑电气设计方案中变电所设置位置及数量、变压器设置的一点思考，除了须符合国家规范要求外，更从可靠性、安全性及经济性等角度给出了最终方案，特别是需要考虑全生命周期运营费用，以求更合理。欢迎同行给出指正。

参考文献：

【1】中国建筑东北设计研究院有限公司. GB 51348-2019 民用建筑电气设计标准【S】.北京：中国建筑工业出版社.2019.

【2】中国联合工程公司. GB 50052-2009 供配电系统设计规范【S】.北京：中国计划出版社.2010.

【3】中机中电设计研究院有限公司. GB 50054-2011 低压配电设计规范【S】.北京：中国计划出版社.2012.

【4】中国航空规划设计研究总院有限公司. 工业与民用供配电设计手册【M】.北京：中国电力出版社.2016.

【5】公安部天津消防研究所. GB 50016-2014（2018版） 建筑设计防火规范【S】.北京：中国计划出版社.2018.

【6】干式电力变压器技术参数和要求. GB/T 10228-2015【S】.