上海环球金融中心电气设计

上海环球金融中心电气设计金大算（华东建筑设计研究院有限公司，上海200002摘要本文提出了超限高层电气设计主要解决好的三大难题和一个优化，并结合上海环球金融中心的电气设计进行了详细论述。关键词超限高层电气设计供电系统配电系统防雷接地消防设计AbstractThepaperputsforwardthreedificultproblemsandoneoptimizingthatneedtobesolvedintheelectricaldesignforsuperhigh-risebuildings,andincombinationwiththeprojectofShanghaiWorldFinancialCenter,introducestheelectricaldesignindetail.Keywordssuperhigh-risebuilding,electricaldesign,powersupplysystem,powerdistributionsystem,lightningprotectionandearthing,ireightingdesig项目简介

环球金融中心位于上海陆家嘴金融贸易中心区2Z4-1街区；总建筑面积有381610m，其中地上面积22316186m、地下面积65424m；地上共101层、地下3层；总高度达492m；并与金茂大厦以及规划中的上海中心呈三足鼎立之势。大厦分为塔楼和裙房两部分：塔楼部分由入口进2厅、美术馆、7~77层办公（20.2万m），79~88层酒店（2.822万m）及90~101层观光设施（1.4万m）组成；裙房由1层交通枢纽、防灾中心及其他辅助用房；2~3层商业22（2.6万m）用房及3~5层的美术馆（0.8万m）组成。地下室有下沉式花园和食街、多功能厅和商店；地下部分由停车库（2.8万m）和商业（1.3万m）组成。本工程由华东建筑设计研究院有限公司设计，并获2009年度全国工程勘察设计行业优秀工程勘察设计行业奖——建筑工程（中外合作项目）一等奖。引言目前，国内超限高层建筑大量的涌现，给设计带来前所未的挑战；而对于这些超限高层，电气设计主要需解决好三大难题和一个优化：（1）如何解决超限高层供配电系统的设计问题以及应急发电机电源与市电切换的联网问题。（2）在建筑高度超过250m、超越《高层民用建筑设计防火规范》的限制后，如何解决建筑的防灾设计问题。（3）如何解决超限高层建筑防雷、接地的设计问题。（4）如何对现代办公楼电气系统进行优化设计，如何应对未来的小型租户的特殊要求等提出自己的设想与实施方案。下面结合上海环球金融中心的电气设计，对这几个问题进行详细论述。2供电系统

2.1市电电源电源引自上级二座独立的110kV降压站，给项目提供3路35kV环网电源；能满足供电系统的N-1原则即当3路35kV电源中的任何一路断电时，通过10kV侧联络开关的逻辑切换后，其他二路仍可保障全楼的所有负荷用电。此外大楼内还设有10kV的应急柴油发电机组，作为应急电源，与市电联网运行。在主变电所内设置三台主变压器，将35kV降压至10kV后，分别以放射式配电方式，至相关层内的中压10kV副变电所；为满足供配电平衡性原则，中压10kV按H1、H2系电源，H2、H3系电源，H3、H1系电源分别配至各副变电所。主变电所的简易接线系统见1图(楼层各副变电所接线系统省略)。2.2应急电源应急发电机的电压等级采用10kV，以满足应急电源的供电半径及压降的要求，此外还应满足酒店高压冷冻机的使用要求。当任一路市电中断供电时，应急柴油发电机处于准备启动状态；当其中任意二路市电中断时，应急柴油发电机应自动启动，处于待送电状态；当三路市电全部中断时，应急油机电源能在15~30s内向特别重要负荷供电【注：在极端三路35kV同时断电的情况下，油机电源供电时间T=ΔT1（油机快速启动时间）+ΔT2（油机并网调整时间）+ΔT3（多级中低压开关的分合闸时间）≈15~30s】；油机电源不得与市电并列运行，当市电恢复时，机组应自动退出。高压应急柴油发电机组的容量为4x2500kVA/10kV（另外还备用1台），实施并机供电；在主变低压侧的主开关处，油机电源的主开关与市电电源的主开关进行联锁切换后供电，联锁的方法采用机械联锁加电气联锁。除通常的应急发电机外，在地下室预留小业主的自备应急发电机的空间，以满足小业主对供电的特殊要求，特别是满足银行金融类小业主的入住要求。大楼配置有EPS应急电源，并与油机电源配合使用；停电初期使用EPS应急电源，作为与自动启动的应急发电机配合使用时的EPS的工作时间保证不少于10min，待油机电源进入稳态后，使用应急发电机电源。2.3变配电所分布35kV主变电所设在裙房地下室1层，主变压器总容量为12.5MVA×3=37.5MVA；为了解决变电所深入负荷中心以及节能节材等问题，同时也能解决楼内低压供电半径问题，在环球金融中心的项目中，采用主副变电所分别设置的原则，主变电所设在地下室，副变电所设在相关的楼层内即相关的设备层内，上楼变压器单台容量一般不超过1250kVA。10kV副变电所基本上按建筑的几大功能分区分别设置，即分为地下室至6层的公共区域、7~77层的办公楼、79~93层的宾馆、94~100层的观光层；具体的位置分别在B2F、6F、18F、30F、42F、54F、66F、89F、90F；副变电所的变压器台数共计62台，总设计容量10kV为1600kVA14+1250kVA×48=86400kVA。见图2。2.4电能管理高压35kV/10kV系统采用微机综合保护置，配有标准RS232、RS485的以太网通讯端口，开放式标准规约ModbusRTU，达到了最佳化的集成，并具有灵活性和兼容性。能对0.4kV侧的低压总开关、联络开关以及配出回路的参数进行测量，同时可采样断路器分合状态和故障报警信号、变压器温控器数据、直流屏、EPS的运行状态，以及柴油发电机等外接第三方系统设备的预留MODBUS通讯接口，同时能将信号上传。2.5电网管理对楼内电网实施自动化管理，最终确定选用计算机PLC程序进行逻辑控制管理；这是因为中压系统的开关分别设置在大楼不同的设备层内有关，如采用人工进行断路器ON-OFF切换操作，需要花很长时间才能完成，且容易误操作，这也是其与一般的超高层有较大的差异之处。3.1低压系统10kV变电所为南北设置，中压设联络开关并设电网自动化管理，低压不设联络开关，10kV变压器的负荷率在60%?70%。变压器按照明电力分别设置的原则，设专用照明变压器，避免大型电动机启动对照明产生的影响，同时也避免对其他电子设备的影响。3.2特殊做法对负荷进行分类供电，保证不同条件下不同负荷的供电；当市电正常中断而改由应急油机提供电源时，为保证大楼内所有重要负荷的持续供电，此时仅切断一般的AC负荷；在此时如发生火灾的情况下，通过消防联动控制，进一步切除变电所0.4kV低压所带的其他非消防负荷，从而确保消防负荷的正常电。切换关系见图3。3配电系统3.3配配电电方方式式配电电间间设设置置按按防防火火分分区区为为原原则则，，每每个个防防火火分分区区至至少少设设一一个个配配电电间间；；考考虑虑到到租租户户单单元元的的因因素素，，在在标标准准层层内内基基本本上上按按租租户户分分区区设设置置若若干干个个配配电电间间，，配配电电不不跨跨防防火火分分区区。。至至重重要要设设或或大大型型用用电电设设备备的的低低压压配配电电线线路路采采用用放放射射式式供供电电；；至至一一般般设设备备的的配配电电方方式式采采用用放放射射与与树树干干相相结结合合方方式式配配电电。。至至消消防防电电力力设设备备采采用用二二路路电电源源供供电电末末端端自自切切，，应应急急发发电电机机电电源源作作为为后后备备电电源源。。3.4配电电线路路配电线线路设设计严严格遵遵循上上海市市地方方法规规《民民用建建筑电电线电电缆防防火设设计规规程》》；当当配电电干线线采用用分支支电缆缆，分分支线线长度度设计计借用用国外外的设设计规规程，，并加加以短短路保保护验验算手手段等等。考考虑到到风力力或地地震对对超高高层的的摆动动影响响，电电气设设备安安装用用螺栓栓固定定并做做到牢牢固可可靠；；线线路连连接处处适当当地留留有余余量，，避免免电气气线路路在震震动时时拉断断或接接头脱脱线；；垂垂直线线路尽尽量减减少使使用母母线槽槽，而而优先先采用用电缆缆沿桥桥架敷敷设。。在超高高层建建筑内内，在在大楼楼发生生火灾灾的情情形下下，根根本无无法由由外部部力量量进行行全面面的消消防补补救，，消防防只能能靠自自身解解决。。在火火灾的的初期期阶段段就必必须做做到及及早发发现，，及时时扑救救，因因此对对火灾灾自动动报警警系统统的设设计提提出了了高的的要求求。电电气设设计除除严格格遵守守消防防法规规外，，还要要对穿穿梭电电梯井井道，，电气气设备备竖井井等特特的场场所加加以特特别的的保护护。4防防灾设设计4.1防灾灾中心心引入设设置防防灾控控制中中心（（含应应急指指挥中中心、、消防防控制制中心心）的的新理理念，，解决决大楼楼的消消防、、安保保、监监控、、漏电电火灾灾报警警、漏漏水检检测系系统、、超高高层的的震动动测量量装置置、电电能管管理系系统等等设备备的集集中设设置及及管理理问题题；；防灾灾中心心设置置在1层层裙房房内，，门口口有明明显的的标志志，对对外有有直接接出口口。防防灾控控制中中心能能对大大楼内内的所所有防防灾设设备进进行24h监监控；；在在火灾灾的情情况下下，能能迅速速接收收火灾灾自动动报警警信号号，并并能自自动启启动大大楼内内的消消防设设施。。根据据超高高层的的功能能分区区特点点，可可设酒酒店分分控中中心，，其主主要功功能是是能够够在自自己报报警监监控区区域内内实施施火灾灾探测测及启启动紧紧急广广播进进行诱诱导疏疏散，，保证证人员员安全全。4.2消防防设计计1)防防灾灾中心心、变变配电电所、、消防防电梯梯等应应采用用专用用的供供配电电电源源，并并采用用二路路电源源供电电末端端自切切，二二路电电源中中至少少有一一路电电源应应含应应急油油机电电源；；其其他消消防设设备供供配电电及线线路敷敷设按按现有有规范范要求求执行行。2)事事故故照明明供电电电源源采用用蓄电电池与与油机机电源源有机机组合合方式式，蓄蓄电池池作为为停电电时瞬瞬间放放电开开灯，，而应应急油油机电电源能能维持持较长长供电电时间间，保保证持持续供供电2h以以上。。3)探探测测器器的的设设置置不不能能有有盲盲区区，，包包括括大大于于5m的的卫卫生生间间在在内内的的各各个个场场所所均均设设置置火火灾灾探探测测器器；；在在厨厨房房部部分分还还设设有有可可燃燃气气体体探探测测器器；；在在每每个个防防火火分分区区内内至至少少设设一一个个手手动动报报警警按按钮钮，，其其他他按按规规范范要要求求执执行行。。4)消消防防控控制制中中心心能能对对大大楼楼内内的的所所有有消消防防设设施施实实现现联联动动控控制制，，切切断断相相关关区区域域的的非非消消防防电电源源，，并并能能接接收收消消防防联联动动的的动动作作信信号号，，以以及及消消防防电电源源的的工工作作状状态态，，能能与与分分控控中中心心一一起起完完成成应应急急广广播播，，进进行行诱诱导导疏疏散散。。5)在在消消防防控控制制中中心心设设置置独独立立的的专专用用电电话话总总机机，，并并设设有有外外线线直直通通电电话话，，可可以以直直接接接接通通119报报警警；；在在分分控控中中心心也也设设置置消消防防专专用用固固定定电电话话，，能能与与消消防防控控制制中中心心进进行行单单独独对对话话。。此此外外，，在在消消防防水水泵泵房房、、备备用用发发电电机机房房、、变变电电所所、、排排烟烟机机房房、、消消防防电电梯梯机机房房、、气气体体灭灭火火机机房房等等各各处处设设置置专专用用电电话话分分机机。。6)系系统统采采用用共共用用接接地地，，接接地地电电阻阻不不大大于于1ΩΩ；；在在消消防防控控制制中中心心、、分分控控中中心心设设专专用用接接地地端端子子箱箱，，控控制制中中心心内内的的各各种种消消防防电电子子设设备备的的接接地地均均由由专专用用接接地地端端子子箱引引来来。。4.3特特殊殊做做法法1)《《高高层层民民用用建建筑筑设设计计防防火火规规范范》》尚尚不不能能完完全全覆覆盖盖高高度度超超过过250m的的超超限限高高层层建建筑筑，，但但对对现现有有的的条条款款不不是是不不要要执执行行，，而而是是必必须须更更严严格格执执行行。。2)有有些些部部位位或或场场所所的的消消防防设设计计不不能能套套用用现现有有的的规规范范时时，，请请有有关关的的专专家家进进行行论论证证或或做做必必要要的的消消防防性性能能化化分分析析。。3)至至少少应应提提出出消消防防报报警警系系统统的的概概念念图图或或方方框框图图、、大大楼楼的的消消防防泵泵、、喷喷淋淋泵泵联联动动控控制制原原理理图图，，以以供供消消防防部部门门认认定定。。4)如如穿穿梭梭电电梯梯井井道道内内的的报报警警探探测测器器的的设设置置，，目目前前尚尚无无最最好好的的办办法法解解决决；；在在设设计计时时考考虑虑在在数数百百米米的的穿穿梭梭电电梯梯井井道道内内每每隔隔若若干干米米设设置置管管状状报报警警装装置置，，顶顶部部再再加加烟烟感感探探测测器器。。5)规规定定可可不不安安装装火火灾灾探探测测器器或或不不便便安安装装火火灾灾探探测测器器的的场场所所，，如如卫卫生生间间、、温温水水泳泳池池等等区区域域可可增增设设手手动动报报警警按按钮钮，，避避免免存存在在报报警警的的盲盲区区。。6)对对客客房房内内的的报报警警，，不不再再单单一一考考虑虑客客房房的的面面积积关关系系，，而而是是主主要要考考虑虑客客房房的的长长度度、、宽宽度度与与面面积积之之间间的的关关系系，，保保证证第第一一时时间间能能报报警警，，即即必必要要时时在在客客房房的的内内走走道道按按需需要要设设置置探探测测器器。。7)可可以以利利用用CCTV作作为为消消防防事事故故监监测测系系统统使使用用，，巡巡更更系系统统作作为为火火灾灾自自动动报报警警的的补补充充。。8)在在楼楼层层配配电电间间内内可可设设置置干干式式灭灭火火装装置置，，避避免免采采用用水水喷喷淋淋而而增增加加对对电电气气设设备备的的IP等等级级要要求求。。9)鉴鉴于于大大楼楼内内需需要要的的联联动动控控制制设设备备极极多多，，控控制制中中心心手手动动强强制制联联动动控控制制线线路路非非常常多多、、距距离离很很长长和和压压降降较较大大的的特特点点，，建建议议考考虑虑通通过过光光缆缆来来实实施施信信号号传传输输，，这这样样可可以以减减少少铜铜揽揽线线路路，，减减小小线线槽槽的的截截面面，，并并解解决决线线路路的的压降等一系系列问题（（此举尚未未有先例，，有待消防防部门认可可或有关专专家论证））。5.1防雷雷保护按二类防雷雷建筑设计计，用45m的滚滚球半径法法进行验算算，采用法法拉第笼式式建筑结合合弗兰克林林避雷法实实施。具体体实施如下下：在整整个屋面组组成不大于于10m××10m或或12m××8m的的金属避雷雷网格，并并在屋顶四四周置避雷雷针作为避避雷接闪器器；而在在空中廊桥桥部则利用用钢结构““Γ型””栏杆作为为避雷接闪闪器并在每每层设置均均压环。见见图4。5防雷雷接地5.2接地地措施共用接地，，利用大楼楼基础桩基基及承台内内的钢结件件作为接地地极，接地地电阻不大大于1Ω项项目竣工后后，经现场场实测结果果也在0.1Ω左左右。等电电位连接，，所有进出出大楼的各各种设备金金属管道均均与此基础础联合接地地体可靠连连接。将每每层外墙上上的金属栏栏杆，金属属门窗等较较大的金属属物体与均均压环连通通，实施等等电位连接接。在每层层低压配电电间、电梯梯机房、弱弱电机房内内，设置等等电位连接接排，各类类电气设备备、电子设设备的金属属外壳需做做好与等电电位连接排排的可靠相相连。在竖竖井内敷设设的金属管管道的顶端端与底端需做好好与防雷接接地装置的的连接。在在供信息系系统的配电电箱及照明明配电箱内内设置浪涌涌保护装置置；此外外还考虑做做好电磁屏屏蔽的设计计。5.3特殊殊做法大楼内的各各设备机房房需要接地地，其机房房分别设置置在各避难难层内。例例如在90层处还还设置10kV变变电所，它它距基础板板约有400多m，而距室室外地坪也也有380多m，，如接地线线路直接从从基础引上上时，线路路明显过长长，阻抗也也会过大。。为解决上上述矛盾，，楼层变电电所的接地地采用芯筒筒内的同一一的两根钢钢结构体，，顶部闭环环；每根根截面约为为0.13m（如如采2用扁扁钢大约0.016m2）），可以以大大地降降低接地线线路的阻抗抗；同样样，电梯控控制系统的的工作接地地，计算机机工作接地地，及其他他电子设备备的工作接接地也同样样考虑合用用同一接地地引上线，，与强电的的接地线分分开设置，，这样可以以有效地避避免信号干干扰。接地地的具体实实施方案如如下：在在靠近变电电所的芯筒筒内确定两两根钢结构构作为变电电所专用接接地引上线线，并在各各变电所内内