超高层建筑变电所选址方案的探讨

陈宇

（中元国际(上海)工程设计研究院有限公司）

1 引言

随着中国经济的快速发展，近年来国内的超高层建筑越来越多。变电所作为建筑的电力能源中心，是整个建筑电力系统运转的心脏，所以超高层建筑的变电所设置是供配电设计中尤为重要的环节。设置合理的变电所，对整个供配电系统的安全运行、提高供电质量和节约能源等方面有重要作用。超高层建筑的垂直高度大、功能复杂，设计初期应结合建筑性质和特点，充分考虑供配电线路的电压降、业主投资运营成本和用电负荷分布等方面，合理选择变电所的位置。本文以笔者参与设计的某超高层项目为例，对超高层建筑变电所的选址方案进行探讨。

2 变电所设置的基本原则

供配电系统设计应该进行合理的负荷计算，按电源条件、负荷特点合理确定变电所的位置、电压等级和系统的结线方式等，合理选择节能型电气设备。其中，合理确定变电所的位置尤为重要。

变电所的所址选择应符合下列基本要求[1]：

①深入或靠近负荷中心；

②进出线方便；

③设备吊装、运输方便；

④不应设在对防电磁辐射干扰有较高要求的场所；

⑤不宜设在多尘、水雾或有腐蚀性气体的场所，当无法远离时，不应设在污染源的下风侧；

⑥不应设在厕所、浴室、厨房或其他经常积水场所的正下方处，也不宜设在与上述场所相贴邻的地方，当贴邻时，相邻的隔墙应做无渗漏、无结露的防水处理；

⑦变电所为独立建筑物时，不应设置在地势低洼和可能积水的场所；

⑧变电所可设置在建筑物的地下层，但不宜设置在最底层。超高层建筑的变电所宜分设在地下室、裙房、避难层、设备层及屋顶层等处。

3 工程概况

对于超高层建筑，一般考虑在各个设备层（避难层）设置一个分配变电所，变电所深入负荷中心[2]，同时考虑到超高层建筑高区分配变电所内变压器的运输、电磁干扰和噪音等问题，可采取仅在地下层设置主配变电所的设计方案[3]。

本文以某超高层项目为例，分析该项目变电所的选址方案。

本项目为公寓、商业、地下车库及配套用房等组成的超高层建筑群，总建筑面积240000㎡，地下室共3层，地上4层为商业裙房，5层～53层为两栋建筑高度为188m的超高层塔楼，塔楼12层、26层和40层为避难层。

本项目的变压器总装机容量为16000kVA，仅在地下一层设置两个变电所（1#变电所和2#变电所），两个变电所分别设置4台2000kVA干式变压器。本项目两个变电所位置靠近超高层塔楼核心筒，本项目地下一层变电所及避难层的位置如图1所示。

图1 某超高层项目剖面示意图

4 变电所选址分析

超高层变电所的设置应综合考虑以下几个方面：变压器供电半径，变压器吊装和运输路线、供配电线路的电压降、业主投资成本、变压器运行对周围环境的影响等。

本项目将变电所设置于地下一层，而未在避难层分设变电所，现通过几方面对本项目的变电所选址方案进行分析。

1）供电半径分析

变电所的位置应接近负荷中心，减少变压级数，缩短供电半径，以减少电能损耗。根据《全国民用建筑工程设计技术措施电气（2009版）》[4]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（计算容量）、供电距离超过250m时，宜考虑增设变电所。

本项目的1#变电所和2#变电所分别设置于两栋超高层塔楼地下一层核心筒附近，供电母线及电缆从变电所出线后即可以最短路径进入塔楼核心筒强电井，经过核心筒强电井垂直向上供电。假设供电电缆由变电所低压出线柜出线后在变电所内部的敷设距离为L1，供电电缆在地下一层（变电所至核心筒强电井）的敷设距离为L2，供电电缆经核心筒强电井至末端设备的敷设距离为L3，则该供电电缆的总敷设距离L=L1+L2+L3。

以供电距离最远的高区电梯为例，考虑供电电缆变电所及在地下室的敷设距离，至塔楼顶层高区电梯配电箱供电电缆的长度（即该变电所最大供电半径）约230m，在合理的供电半径范围内。

2）变压器吊装和运输路线分析

在考虑变电所选址时，变压器吊装和运输的路线及施工的难易程度是必须要考虑的一个因素。

本项目8台变压器均设置于地下一层变电所，在机动车坡道净高满足要求的条件下，可直接利用机动车坡道将变压器运输至变电所内。施工图设计阶段只需要将变压器运输所需的净高、运输路线及运输荷载提供给建筑和结构专业，相关专业在设计时考虑相关要求即可。所以变压器运输至地下一层变电所，对土建设计与施工影响较小，且变压器运输方便，设备安装阶段的人工成本较低。

若将变电所分设于避难层，一般考虑利用消防电梯井道运输变压器，运输难度相对较大。分设于避难层变电所内变压器单台一般不超过1250kVA，利用电梯井道对变压器垂直运输时，需将变压器保护外壳拆除。利用电梯井道运输变压器的缺点是速度慢，运输过程复杂，需要结构提前做好预埋件，需要电梯厂家、施工单位和结构专业密切配合，吊装和运输成本较高。

3）供配电线路的电压降分析

根据GB50054-2011《低压配电设计规范》[5]第3.2.2条的规定，选择导线截面时，线路电压损失应满足用电设备正常工作及启动时端电压的要求。

电压降（电压损失）通常用系统标称电压的百分数表示。对于三相平衡负荷，线路的电压降可由下式计算：

式中：Δu为电压降百分数，%；Un为系统标称电压，kV；I为负荷电流，A；φcos为负荷功率因数；P为负荷的有功功率，kW；l为线路长度，km；R’、X’为三相线路单位长度的电阻和电抗，Ω/km。

利用上述公式，对本项目供配电线路进行电压降分析，以供电半径最远的高区电梯为例，进行电压降计算，计算结果如表1所示。

表1 电压损失计算表

在配电设计中，应按照用电设备端子电压偏差允许值的要求和地区电网电压偏差的具体情况，确定电压降允许值。线路电压降允许值参考表2[6]。

表2 线路电压降允许值

由计算结果可以得出，本项目最长配电线路的电压损失为2.711%＜5%，满足配电线路的电压降要求。

4）业主投资成本分析

在确定变电所选址方案时，节省项目投资成本是必须要考虑的因素，投资成本不仅包含机电设备成本，同时也包括土建成本。

本项目地下一层层高4.9m，梁下净高4m，满足变电所配电上进线上出线的要求。

若将变电所分设于超高层塔楼避难层，避难层变电所采用上进上出线方式，避难层层高为3.6m，梁下净高仅2.9m，不满足设置变电所的土建条件要求。如果在避难层增设变电所，那么就需要增加避难层的层高，这样就会大大增加业主的土建投资。

在选址变电所时，既要考虑供配电系统投资最小，又要考虑土建投资成本，以不额外增加土建投资为原则确定最优方案。

5）变压器运行对周围环境的影响分析

变压器在运行中会产生振动、噪声及电磁辐射等。变电所设计和电气设备的安装应采取抗震措施，并应选用低损耗、低噪声的节能型变压器。

本项目超高层塔楼的建筑性质为公寓，建成后会有住户长期居住，若将变电所分设于超高层塔楼避难层，由于避难层的上层和下层都是公寓，变压器长期运行对变电所上下层的住户有潜在的振动、噪声及电磁辐射的影响。

变电所设置于地下一层，变电所下方地下二层为机动车库，变电所上方一层为商业，机动车库与商业对变电所的振动、噪声及电磁辐射等影响不敏感。所以从变压器运行的角度来说，变电所设置于地下一层对周围环境的影响更小。

随着经济社会的发展，人们对居住环境的要求越来越高，所以在变电所选址时，变压器所带来的振动、噪声及电磁辐射等影响不可忽视。

5 结语

对于高度在200m以下的超高层建筑，在满足规范要求的前提下，变电所是否设置于避难层应该综合考虑建筑性质和特点、变压器供电半径、变压器吊装和运输路线、供配电线路的电压降、业主投资成本和变压器运行对周围环境的影响等因素，进行方案对比评估，最终确立最优的变电所设置方案。