超高层建筑中地上变压器的设置.docx

超 高 层 建 筑 中 地 上 变 压 器 的 设 置吴斌 （湖南省建筑设计院， 长沙市410011）configuration of ground transformer in extra - high buildingwu bin （hunan provincial architectural design institute， changsha410011， china）高层建筑， 近半数在 150 m 以下。 但最近几年， 长沙市超高层建筑的发展速度越来越快 ， 在建以及 规划中 的超高层建筑已有 40 多处 （不包括住宅 ）， 最高的建 筑在 400 m 以上， 超过 250 m 的也不在少数。在笔者目前所接触到的许多超高层项目 设 计 中 ，关于变压器的设置有各种做法 ， 单台变 压器容量有大 至 2 000 kva 的 ， 也 有 小 到 400 kva 的 ； 地 上 变 配 电 所有在每个避难层都设的 ， 也有隔多个避 难 层才设 的。 每种设计方法固然都有其自身的 优缺点 ， 但超高 层建筑与普通高层建筑相比 有它的独特性 ， 在此笔者 提出一些个人的看法供各位同行参考。abstractby comparing and analyzing variousconfiguration schemes of transformer substation for extra-high buildings and relevant technical economy in certain project cases， and in full consideration of length of main distribution circuit， electric energy loss of main distribution circuit within the life cycle of the project shall also be considered. in addition， after the discussion on unit capacity selection and transportation of transformer for extra-high buildings， it is recommended that， the unit capacity of ground transformer shall not exceed 1 000 kva .key wordsextra-high buildingposition oftransformer substationpower supply radiusvoltagedrop electric energy loss transportation of transformerrefuge storeycapacity of elevator1地上变配电所位置选择gb 50052 - 2009 供 配 电 系 统 设 计 规 范 4. 0. 6 条 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 高压供配电系统一般采 用 主 变 配 电 所 分 变配电所的结构 ， 按 两 级 设 置 。 通 常 做 法是 在 地 下 室 设置中心变配电所 ， 按 业 态布局 设置分变配电所 ， 由 中 心配电所引出高压电 缆至分变配电所 。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 ， 同时还应该结合建 筑本身 的 定 位 和 特 点 ， 考 虑 其 运 行 的 灵 活 性 ， 以 及 业 主 投 资 、 运 营 的 经 济 性 。 分 变 配 电 所 数 量 、 位 置 的 不 同 ， 将会对安装、 运营成本带来比 较大的影响 ， 这一点需 要设计师充分引起重视。 在设计阶段应与业主充分沟 通， 经过严谨的技术经济比较后再确定各分变配电所 的位置以及其供电范围， 而不应简单地仅仅以 低压供 电半径等单一指标作为设置变配电所的依据 。摘要结合工程案例， 比较、 分析超高层建筑变配电所的不同设置方案， 及其技术经济性， 在充分 考虑配电干线长度等因素的同时， 应考虑项目全寿命 周期内配电干线上的电能损耗； 并对单台变压器的容量选择、 超高层建筑中的变压器运输进行探讨， 建议地上部分变压器单台容量不超过 1 000 kva 为宜。关 键 词超 高 层 建 筑变 配 电 所 位 置供 电 半径电 压 降电 能 损 耗梯载重量中 图 分 类 号 ： tu976变 压 器 运 输避 难 层电文 献 标 识 码 ： a0引言目前各大城市中心区域的超高 层 建 筑 越 来 越 多 ，以中部城市长沙市为例 ，在 2010 年 前 只 有 十 来 栋 超作者信息吴 斌 ， 男 ， 湖南省建筑设计院 ， 高 级 工 程 师 ， 副 主 任 工 程 师 。40sep. 2013 vol. 32 no. 9下面以一个实例来说明， 此项目裙房为商业 ， 塔楼为写字楼， 业态简单且裙房面积较小， 总 建筑面积 为 22. 8 万 m2， 其中地下室为 4 层共 4. 8 万 m2， 地上共75 层 ， 建 筑 高 度 为 350 m， 标 准 层 面 积 约 2 300 m2。 在设置塔楼写字楼区域变配电所的位置时考虑了 3 种 方案， 见图 1。 图中地下室设置的 1# 变配电所为中心 变配电所， 2# 4# 为分变配电所 （1# 变配电所设计为 专供地下室及裙房用电）。进行方案比较时， 主要比较了主干线的投资 、 电压损失、 变配电所的设备投资、 变配电所占地 面积等 指标。由于方案阶段供配电系统还未进行设计 ， 为了 得a.仅对给塔楼部分供电的分变配电所进行经济 比 较 ， 给 裙 房 、 地下车库供电的主变配电 所 不 参 与 比 较 。b. 假 设 所 有的变配电所都靠近核心筒 ， 在 计 算供 电半径及供电干线长度 时暂不考虑水平段 距 离 。c.塔楼标准层面积为 2 300 m2， 核 心 筒 面 积 为440 m2， 扣 除 核 心 筒 后 办 公 面 积 为 1 860 m2， 进 行 变 压 器负荷估算时按 标 准层面积 2 300 m2、 80 va / m2 计算。d.仅计算给办公区域供电的 竖向密集式母线 ，其余供电干线暂不进行比较。e.办 公 区 域 的供电干线考虑采用密集式母线 ，按照 双母线奇偶层交错供电方式 （ 如 6 21 层 配 出到比较结果， 必须对计算模型进行适当的 简化 ，先对计算背景说明如下：在此（a） 方 案 （18 876 kva）（a） scheme （18 876 kva）（b） 方 案 （18 876 kva）（b） scheme （18 876 kva）图 1 塔楼写字楼区域变配电所设置方案 （c） 方 案 （18 890 kva）（c） scheme （18 890 kva）fig. 1proposed configuration of transformer substation for office tower注 ： 1） 6 75f 均 为 写 字 楼 ， 每 层 2 300 m2， 核 心 筒 占 440 m2， 办 公 面 积 为 1 860 m2；2） 按 80 va / m2 估 算 ；3） 每 8 层 设 一 根 1 600 a 母 线 ， 或 每 4 层 设 一 根 800 a 母 线 ；4） 图 中 红 色 实 线 为 1 600 a 母 线 ， 红 色 虚 线 为 800 a 母 线 。41超 高 层 建 筑 中 地 上 变 压 器 的 设 置 （吴 斌 ）http: / www. jzdq. net. cn601供电与配电誖building electricity两 根 母 线 ， 其中一根供应奇数层用电 ， 另 外 一 根 供应 偶 数 层 用 电 ， 当某层租户需要双电 源 供电 时 ， 双 母线方式可以满足其需求 ） 。 经 过 估 算 ， 按 每 8 层 配 出 一 个 回 路 ， 设 置 1 250 a 断 路 器 ， 配 套 1 600 a、 使 用的变压器台数均为 10 台 ， 只 是 分 布 的 位置不同而已。如根据本文后面第二章的分析， 实际设计时 会对 地上部分变压器的单台容量加以控制 ， 即若将变压器 容 量 限 制 在 1 000 kva， 则 方 案、 在 地 上 部 分 的 变压 器 数 量 会 达 到 14 台 ， 变 配 电 所 占 地 面 积 会 加 大40 % 左 右 ， 变配电所的一 次 设 备 投 资 亦 会 加 大 ， 但 是竖向干线并不会受到影响 。 而方案由于中低区供 电是由地下室的变配电所负责的， 预计会增加 2 台变 压器。3 种方案各有其优缺 点 ， 通 过 综 合 比 较 ， 最 终 选 择了方案。 虽然方案所占用的建筑面积 并不是最 少的， 但是综合考虑到一次投资和 50 年的运营成本， 其综合成本是最低的 。 因 此 ， 在 变配电所的布局上 ， 需要特别考虑配电干线的一次性投资及在后期运营上的 母 线 ； 对 于供 电范围较短的楼层段 ，按 每 4 层配 出 一 个 回 路 ，母 线 。设 置 630 a 断 路 器 ， 配 套 800 a 的f.单台变压器的 容量暂时按最大 1 600 kva考 虑 。根据图 1 的 3 种变配电所设置方案 ，各变配电所地上部分变压器的设置见表 1， 各 方 案 技 术 经 济 比 较见表 2。方案变配电所设置较分散， 故变压器总安 装容 量较其它两个方案偏大。 在本节经济比较中 ， 是暂按 单台变压器容量不大于 1 600 kva 来 考 虑 ， 方 案、表 1 地上部分变压器的设置方案 tab. 1 proposed configuration of ground transformer substation表 2 3 种方案技术经济比较 tab. 2 comparison of technical economy for three schemes注 ： 1） 表 中 所 计 算 的 干 线 仅 包 括 了 垂 直 段 密 集 式 母 线 ， 考 虑 到 还 有 其 它 大 量 竖 向 电 缆 干 线 未 参 与 比 较 ， 实 际 上 造 价及 损 耗 差 价 应 比 表 格 中 数 据 大 。2） 计 算 有 功 电 能 损 耗 时 ， 按 照 每 年 250 个 工 作 日 ， 每 个 工 作 日 10 h 计 算 。42sep. 2013 vol. 32 no. 9602http: / ww w. jzdq. net. cn变 配 电 所 设 置低 压 供 电 半 径1 600 a 母 线 垂 直 长 度/ m800 a 母 线 垂 直 长 度/ m电 压 损 失（母 线 垂 直 段 ）母 线 干 线 造 价/ 万 元设 备 造 价/ 万 元50 年有 功 电 能 损 耗 费 用/ 万 元造 价 、 能 耗 总 计/ 万 元地 上变 配 电 所 占 地 面 积/ m2方 案最 大790190最 大 ： 2. 2 %最 小 ： 0. 65 %2411 0402841 5651 000方 案合 理540190最 大 ： 1. 6 %最 小 ： 0. 65 %1731 0401621 3751 000方 案最 小54050最 大 ： 0. 65 %最 小 ： 0. 35 %1531 0401211 3141 000方 案方 案方 案2# 变 配 电 所 ：2 1 600 + 2 1 250 kva2# 变 配 电 所 ：2 1 600 + 2 1 250 kva2# 变 配 电 所 ：2 1 600 + 2 1 250 kva3# 变 配 电 所 ：4 1 600 kva3# 变 配 电 所 ：4 1 000 + 2 1 600 kva3# 变 配 电 所 ：4 1 000 + 2 1 600 kva4# 变 配 电 所 ：2 800 kva共 10 台 变 压 器装 机 容 量 12 900 kva共 10 台 变 压 器装 机 容 量 12 900 kva共 10 台 变 压 器装 机 容 量 13 700 kva2 0 1 3 年 第 9 期产生的损耗。另 外 方 案 还 有 一 个 优 势 ， 由于变配电所 较 分 散， 在每个供电区域内竖向密集式母线仅 为两条 （其 它竖向电缆干线也较其 它 两 个 方 案 少 ）， 电 气 管 井 需 求面积较小， 相比较其它两个方案可节约一定的管井 面积， 对于业主的投资起到一定的节约作用。建 筑 来 看 ， 设置一台载重量 1 800 kg 的 货 梯 对 于 大多 数开发商来说是完全可 以 接 受 的 。 在 笔 者 参 与 的 长沙开福万达广场项目中 ， 万 达 总 部 就 明 确 要 求 上 楼的变压器不能大于 400 kva ， 采 用 货 梯 直 接 运 输 。此方案的优点是变压器可以采用普通电梯 直接运 输， 便于更换。 缺点是变压器容量过小 ， 配电干线无 法 做 大 ， 无法充分利用 负荷之间 的负荷高峰时间差 ， 导致变压器整体安装容量增加； 另外如果建筑上部有 较大负荷容量的设备， 也将由于变压器容量过小而很 难进行设计。此种方案一般仅适用于高度在 200 m 以下功能简 单的超高层建筑， 例如写字楼等。2地上变压器的运输超高层建筑的一个特点是大多会在地面以上 楼层设置变配电所， 一般设在避难层或机电层 。 由于变压器的使用寿命不可能大于建筑使用寿命 ，品也无法保证在正常寿命期间不会损坏 ，一个如何维修或更换变压器的问题。而且电气产这就带来了采用大载重量的货梯，比如 3 t / 4 t 货梯。各种常见规格变压器 （参考顺特电气有限公司 资b.gb 7588 - 2003 电梯制造与安 装 安 全 规 范 料 ） 、 电 梯 参 数 （ 以 笔 者参与的项目为例 ）表 4。见 表 3、中 ， 要 求 电 梯 的 载重 量与其轿厢尺寸有关联 （ 见表 5）， 载 重 量 越 大 轿 厢 尺 寸 越 大 ， 故 占 据 核 心 筒由表 3、 表 4 可 以 看 出 ， 变压器质量一般远大于 电梯的负载能力， 但尺寸一般小于电梯轿厢尺寸 。目前在超高层建筑中一般采取以下几种方式 来解 决竣工后变压器的垂直运输问题。2. 1采用货梯直接运输这种方式要求设置一台货梯且在每个变配电 所所 在楼层停靠， 超高层建筑一般均会在核心筒内设置单 独的服务电梯， 电气专业可在方案阶段与建筑专业协 商， 选择合适的货梯以满足载重量与尺寸 。 在这个前 提下， 可又分为两种做法：a. 在地上变配电所 内 仅 设 置 400 kva 以 下 的 变 压 器 ， 由 于 变 压 器 体 积 小 ， 重 量 轻 ， 可 以 由 载 重 量 1 800 kg 的 货 梯 直 接 运 输 。 从目前已有的超高层 表 3 常见规格变压器质量与尺寸 tab. 3 quality and dimension of typical transformers表 4电 梯 参 数tab. 4 parameters of elevator项 目43超 高 层 建 筑 中 地 上 变 压 器 的 设 置 （吴 斌 ）http: / www. jzdq. net. cn603电 梯参 数型 号载 重 量 / kg速 度 / （m / s）功 率 / kw轿 厢 尺 寸 / mm万 达 广 场上 海 三 菱 lehy - m1 6002. 524. 52 000 1 500三 菱 gpm - 31 6003. 5502 000 1 500hope - bii1 8002. 5502 150 1 650运 达 中 央 广 场三 菱 gpm - 31 6003. 5502 000 1 500nexway1 6004652 000 1 500gpm - 3h1 6006902 000 1 500型 号质 量/ kg尺 寸 （长 宽 高 ）/ mmsc10 - 315 / 101 3151 240 850 1 275sc10 - 400 / 101 8001 270 850 1 400sc10 - 500 / 102 0601 450 850 1 400sc10 - 630 / 102 2101 570 850 1 460sc10 - 800 / 102 5701 540 1 070 1 570sc10 - 1 000 / 103 1401 650 1 070 1 630sc10 - 1 250 / 103 5801 650 1 070 1 780sc10 - 1 600 / 104 6101 770 1 070 1 965供电与配电誖building electricity表 5 电梯额定载重量和轿厢最大有效面积之间的关系 tab. 5 correlation between rated capacity of elevatorand the maximum effective area of the cage在本文第一章所谈到的案例中， 采用了通过 电梯井道运输的方案。结语3超 高 层 建 筑 供配电系统复杂 ， 维 护 困 难 ， 在 进行 设 计 工 作 时 ， 应 反 复 论 证 ， 比 较 多 个 方 案 ， 做 到 安 全 、 经 济 、 可 靠 。 通过上述的分析 ， 可 以 得 出 以 下 结 论 ：a.单台变压器容量大 ， 可有效减少变压 器 总安 装 容 量 ， 但变压器的运输是个很大的难题 ， 设 计者必须在项目方案阶段就充分 考 虑 到 这 个 问 题 ，不应一味加大变压器的容量 。b. 变压器的设置 位 置 ， 应充分考虑到配电干线 的长度， 不应将电压降作为布置变配电所的唯 一考量 依据。 由于超高层建筑变配电所数量多， 配电干线长 度很可观， 要充分考虑项目全寿命周期内消耗在配电 干线上的电能损耗 。c. 结合变压器的运输以及配电干线的长度 ， 建 议地上部分变压器单台容量不超过 1 000 kva 为 宜 ； 变压器相对集中设置， 考虑变配电所分别往上下 段配 电 （不跨越另一个避难层为宜）。注 ： 额 定 载 重 量 超 过 2 500 kg 时 ， 每 增 加 100 kg， 面 积 增 加0. 16 m2。 对 中 间 的 载 重 量 ， 其 面 积 由 线 性 插 入 法 确 定 。的面积也就越大 ， 对于开发商的经济效益 会 有较大 影 响 。从另一方面看， 我们的目的是运输变压器 ， 而 变 压器平面尺寸并不大， 一般的轿厢尺寸都 可满足 ， 只 是单位面积重量较大， 所以我们真正需要的是一种具 有常规轿厢尺寸但载重量较大的电梯， 这种电梯一般 来说需要向电梯厂商特别定制。 且由于货梯垂直提升 距离大， 速度要求也会较高。载 重 量 大 且 速 度 较 高 ， 电梯的选择面就会 较 窄 ， 而开发商一般在方案阶段还没有进行设备招标 ， 不可 能对电梯的要求如此深化， 所以在很多情况下无法在 前期就确定采用这种方案。 但如果业主接受设置一台 大载重量货梯的方案， 可以考虑将上楼的变压器容量 放 宽 到 1 000 kva， 如此在供配电系统的设计上会灵 活很多， 也避免了方案 a 的缺点。2. 2采用电梯井道运输这种运输方式需要在更换变压器前， 将电梯 轿厢 下降到底， 拆除原有的电梯曳引绳等， 在 井道内安装 一套提升设备及滑