前言
随着我国经济20年的高速发展, 城市化的不断进展, 高层建筑越来越多, 在一线、二线城市高层已逐渐成为主流, 由于我国城市用地紧张, 未来10年在三线城市高层也将占有一定比例。由于高层建筑人员、所占资源集中, 其电气设计的安全、可靠、经济性将成为社会关注的发展重点之一。下面本人将近年设计中的一些问题的解决与思考及收集的观点提出已供大家参考、讨论:
由于电力负荷是供电设计的依据参数, 就以计算准确与否, 对合理选择变压器、配电箱、线路等电气设备, 安全可靠与经济运行, 均起决定性作用。高层建筑的电力负荷计算, 基本上采用负荷密度法和需要系数法, 但是在实际的设计中, 特别是设计初期较精确的计算往往因建筑功能未完全确定、设备专业的用电也不能准确提供, 加之今后使用功能的改变等不确定性, 估算法将起重要作用, 结合经验及已建工程统计数据的估算结果往往更可靠, 如综合商业及办公全空调建筑, 空调用电负荷约占总用电负荷的45%, 可根据总空调用电负荷来估算总用电负荷, 也可用统计数据来验算空调用电负荷的合理性。在多项工程设计中都发现设备专业空调负荷过大或过小, 在设计中协调设备专业调整, 用另一面来看, 一个好的电气工程师应成为半个工艺师。
为了保证供电可靠性, 现代高层建筑至少应有两个独立电源, 具体数量应视负荷大小及当地电网条件而定。两路独立电源运行方式, 原则上是两路同时供电, 互为备用。另外, 还须装设应急备用柴油发电机组, 要求在15s内自动恢复供电, 保证事故照明、电脑设备、消防设备、电梯等设备的事故用电。
国内高层建筑的供电电压, 都采用10k V标准电压等级。
(1) 高压配电系统:现代高层建筑均是采用两路独立的10k V电源同时供电。一般高压采用单母线分段, 自动切换, 互为备用。母线分段数目, 与电源进线回路数相适应。只有当供电电源为一主一备时, 才考虑采用单母线不分段的结线。电源进线几乎全部采用电缆进线。
(2) 计费方式:供电局一般采用高供高计。但在低压侧, 仍装设计费电度表, 采用将照明与动力分开的两部电价法。有些地方供电部门又把空调设备的用电, 全部划入照明计价系统, 一般做法是安装总表及动力表, 由总表减去动力表以后, 全部为照明电费。
(3) 为减少变压器台数, 单台变压器的容量选择一般都大于1000k VA。为限制低压侧的短路电流, 正常时变压器解列运行, 中间设联络开关。照明和动力分开设变压器, 当动力用电容量太小时, 动力变压器可不分开装设, 而在低压侧应对动力负荷分类计费。
(4) 高压系统及低压干线的配电方式基本上都采用放射式系统。楼层配电则多为混合式系统。配电设备中的主要部分是干线。现代高层建筑的竖井多采用插接式母线槽。水平干线因走线困难, 多采用全塑电缆与竖井母干线联接。每层楼竖井设层间配电小间, 配电小间一般在2~4m2。层间配电箱经插接自动空气开关从竖井母干线取得电源。当层数较多负荷数较大时, 一般按层数分区供电, 或将变压器分散设在地下层、中间层或最顶层。
(5) 低压配电系统各级开关均采用自动空气开关 (断路器) , 设置瞬时、短延时、长延时三级过流保护装置。各级自动空气开关的保护整定, 应注意选择性配合, 防止越级跳闸。
(6) 所有电梯均要求采用两路不同变压器引出的专用电缆进线。在电梯机房的末端配电箱, 设两路电源的自动切换装置, 互为备用。
(7) 功率因数按规定应补偿到0.9~0.95。无功补偿都采用集中补偿方式。为降低变压器容量, 多集中装设在低压侧, 与配电屏放在一起, 但必须采用干式移相电容器。
(1) 高压开关柜。现代高层建筑的变配电室设在主楼地下层, 按规定不宜采用油开关。用于高层建筑的开关有三种类型可供选用:高压空气断路器, SF6开关和真空断路器。其中高压空气断路器因技术陈旧, SF6开关尺寸数大, 气体具有毒性, 故目前10k V真空断路器应用的较为普遍。因此, 应根高层建筑地下室的标准, 选用具有“五防”功能的真空开关手车式高压开关柜。
(2) 电力变压器。根据防火要求, 民用高层建筑主楼内是不允许装设大容量的油浸电力变压器的。目前有干式变压器、SFe变压器和硅油变压器等三种产品可供选用。其中国内广东顺德特种变压器厂、沈阳第二变压器厂、北京变压器厂等厂生产的干式变压器, 主要技术指标已达到国际先进水平。
(3) 低压配电屏。国外低压配电屏的结构, 几乎都做成抽屉式, 特别是大容量的出线, 则做成手车式。国内许多生产厂家的低压配电屏也有引进技术做成抽屉式结构的, 其中有的 (如多米诺组合式开关柜等) 主要技术指标已达国际先进水平。
低压配电屏多采用自动空气开关出线。当配电变压器的容量为1600k VA时, 低压母线上的短路容量已超过40k A, 目前国内已能提供这样大容量的产品。
(4) 应急备用发电机组。过去大多是采用柴油发电机组做应急备用电源的。应急备用发电机组一般设置在地下一层靠外墙侧、设备转换层。本人建议也可设在屋顶。近年国外高层建筑已开始采用燃汽轮发电机。这种发电机具有体积小、重量轻、反应速度快, 故障率低等优点。
应急备用发电机组必须是快速自起动的。按规范规定, 一般应能在15s内恢复供电。从可靠性出发最好选用两台, 自动并车。容量较小时也可选用一台。超高层建筑中常采用多台发电机组分段分散布置 (如深圳地王大厦等) 。
(5) 母线槽和电缆。插接式绝缘母线槽, 具有容量大、结构紧凑、可靠性高、使用维护方便等优点。绝缘母线槽有铜的和铝的两种。
国、内外的现代高层建筑, 插接式绝缘母线槽已基本取代了电缆。
现代高层建筑的用电量相当大, 在确定变电所位置时, 应尽可能使高压深入负荷中心。这对节约电能, 提高供电质量都有重要意义。
高层建筑的变电所一般都设在主楼内。建筑高度在30层左右的, 大都集中在底层;60层左右的, 则分散在地下层、中间层和顶层。也有仅在中间层或仅在地下层、顶层设变电所的。变电所的数量及其位置的分布, 应通过技术经济比较决定。
现代高层建筑规模很大, 所以其变电所的规模也较大。如鸿昌广场 (高218m、智能甲级写字楼) 的设计, 中心变电所设在地下二层, 内设手车式高压开关柜22台, 抽屉式低压配电屏近40台, 电容补偿柜12台, 40Ah镐镍电池柜一套及中央信号屏, 1600k VA变压器2台, 1250k VA变压器二台, 其建筑面积130000m2左右;在第7、39、54层 (主楼) 分设有变电所一个。在地下一层, 设1000k W自起动柴油发电机组二台。整个供电系统很复杂, 对这样一个供电系统, 要求供电可靠, 各种供电参数及开关状态、变压器运行状态和各机房运行状态, 若用人工值班, 通过电话联系或人工巡视, 工作量大, 速度也很慢。在设计中预留控制室内使用微电脑进行监测、管理, 能迅速发现故障, 使设备作最佳工况运行, 实现遥控遥测, 达到节约能源, 减少人力, 安全、合理运行。
电气照明设计, 包括光源选择、照度计算、灯具造型, 灯具布置, 眩光控制和调光控制和照明配电线路敷设等。照明设计与建筑装饰有着非常密切的关系, 应该相互配合, 在使用功能及艺术意境方面求得统一。选用高光效电光源, 可以取得节能的明显效果。
(1) 混合照明:它是由一般照明和局部照明共同组成的照明方式。混合照明中一般照明的照度应不低于混合照明总照度的5~10%, 并且其最低照度不低于201x。否则, 过低的一般照明和过高的局部照明所形成的照度对比度过大, 亮度分布不适当而产生不应有的眩光。
(2) 事故照明:当工作照明因故障全部熄灭后, 供暂时继续工作或供人员疏散用的照明称为事故照明。
(1) 在下列场所应设置事故照明:
a.在正常工作照明熄灭后, 由于工作中断或误操作, 将引起爆炸、火灾等严重危险的厂房或场所;
b.在无照明的情况下, 由于设备继续运转或人员的通行, 将造成设各、人身事故的场所;
c.高层建筑中的疏散楼梯间 (包括防烟楼梯前室) 、疏散走道、消防电梯室、消防控制中心、消防水泵间;公共建筑中的旅游旅馆、礼堂、影剧院、展览厅、百货商店、体育馆等人员出入的走廊、楼梯、太平门等处。
(2) 事故照明应采用能瞬时点燃的照明光源, 一般采用白炽灯或卤钨灯。当事故照明作为工作照明的一部分而经常点燃时, 又在发生故障不得切换电源的条件下, 也可采用其它照明光源。
(3) 事故照明的灯具应布置在可能引起事故的设备、材料周围和主要通道、危险地段、出入口等处, 还应在事故照明灯具上明显位置涂以红色标记, 以资区别。
疏散指示标志可设在疏散走道距地面高度1m以内的墙面上, 以及楼梯口和太平门的顶部, 并要安装在非燃烧结构或装修上。
(4) 事故照明的照度要求。用于暂时继续工作的事故照明其工作面上的照度不应低于工作照明总照度的10%。但标准较高的旅游宾馆等建筑, 其事故照明所占工作照明的比例应当为:出口指示灯为100%;楼梯照明为50%;公共场所照明为20%;客房走道照明为50%;一般走道照明为20%;总服务台、收款出纳、外币兑换等照明为100%。用于人员疏散的事故照明, 其照度不应低于0.51x。
(3) 警卫值班照明:在重要的车间和场所或有重要关键设备的厂房、重要的仓库等处设置作为值班时一般观察用的照明称为值班照明。值班照明宜利用工作照明中能单独控制的一部分, 或者利用事故照明中的一部分或全部。
警卫照明是用于警卫地区周界附近的照明。是否设置警卫照明, 应根据单位的重要性和当地保卫部门的要求来决定。警卫照明应尽量与室内或厂区的照明结合。
(4) 障碍照明:装设在高层建筑物尖顶上作为飞行障碍标志用的或者有船舶通行的两侧建筑物上作为障碍标志的照明称为障碍照明。障碍照明应按民航和交通部门有关规定装设。障碍照明应采用能透雾的红光灯具。
装设障碍灯时, 应符合下列要求:
(1) 一般高层建筑物只在顶端装设。水平面较大的高层建筑物或群集高层建筑物, 除在其最高顶端装设障碍灯外, 还应在其外侧转角的顶端装设障碍灯。
(2) 烟囱的高度在100m以上者, 除在顶端装设障碍灯外还应在其三分之一和二分之一的高度处装设障碍灯。
(3) 为了减少烟囱顶端的障碍灯污染程度, 可在低于烟囱口4~5m处装设。为了保证障碍灯有一盏损坏时仍能从前进方向看到灯光, 应装设排成等边三角形的三盏障碍灯。
现代高层建筑的防雷设计, 除采用避雷针和避雷带的传统做法外, 近年还出现有消雷器和放射性避雷针。这两种防雷技术虽然在工程上得到不少实际应用, 但在理论上一直是有争议的。广州花园酒店、南京金陵饭店都装设了放射性避雷针。但是个人认为, 从国外引进的这种放射性避雷针, 维护复杂, 价格又不便宜, 还是采用传统的避雷方法简单可靠, 更加经济合算。只要保证各层楼面钢筋、金属管道与该层用作引下线的柱筋有可靠的连接, 形成等电位层。现代高层建筑都是采用钢筋混凝土剪力墙, 与楼板的连接是十分可靠的。关键是做好金属管线的接地。
现代高层建筑的防雷接地、电气设备的保护接地和工作接地, 都是合在一起的, 组成混合接地系统。接地电阻按最小的要求而定, 通常是在4Ω以下。利用建筑物的钢筋混凝土基础作接地板。尽管基础钢筋等自然接地体已能满足接地电阻的要求, 仍需要装设水平的人工接地体, 将主要的建筑物基础连接成接地网, 这对均衡电位, 提高安全性都有好处, 实际在利用结构桩、底板钢筋作为接地极只要设计施工合理接地电阻常在1Ω以下, 深圳鸿昌广场、北京燕莎中心实测均在0.18Ω左右。
电梯按使用功能分, 有高级客梯、普通客梯、观景梯、服务梯、消防梯、货梯、自动扶梯等许多种;按速度又分为低速梯、快速梯、高速梯和超高速梯等;按电流分则有交流和直流两大类。设计人员的任务是要确定电梯台数和决定电梯功能。电梯的配置和造型, 不是电气设计人员单方面所能决定的, 必须与总建筑师或总体交通设计人员共同研究才能确定。
现代高层建筑的电梯, 为了提高输送能力和缩短候梯时间, 一般都采用高速或超高速电梯, 分组实行电脑群控。为提高运行的稳定性和舒适感, 客梯都是选用直流电动机驱动。
节省能源是我国经济建设中的一项重大政策, 节约用电又是节省能源工作中的一个重要方面, 它直接关系到企业的经济效益和人们的日常生活。在高层建筑的电气设计中, 要把电能消耗指标作为全面技术经济分析的重要组成部分。节电的设计方案, 应根据技术先进、安全适用、经济合理、节约能源和保护环境的原则确定。采用合理的配电方式, 采用高效率变压器、电动机和照明光源、无功功率补偿装置和设备监控电脑系统等措施, 减少电能损耗, 节约用电。采用壁灯时需将容量提高一级或增加盏数。
现代高层建筑的火灾自动报警灭火系统, 包括:火灾探测器、分区消防报警控制器、消防中心和气体自动喷射灭火及自动喷射灭火及自动洒水灭火系统等四个部分, 实现报警灭火自动化。
探测器探测到火灾信号后转换成电信号, 进入分区报警器和消防中心, 发出声光报警信号。消防中心负责整座大楼火灾的监控和消防指挥。一些高档旅馆的消防系统设计, 是与设备监控电脑系统相连接的、借助。设备监控电脑, 实现消防监控自动化。
关于高层建筑中消防用电的设计问题, 涉及到其他许多学科, 而且规模越大, 功能越多, 控制内容越广泛, 设计内容也就越复杂, 消防用电设备有如下诸多方面:
(1) 报警方面:火灾自动报警系统、火灾紧急广播、警铃、井笛、火警电话。
(2) 自动灭火方面:喷水系统、干粉灭火系统 (1211、1301) 。
(3) 手动灭火方面:室内消火栓系统。
(4) 防、排烟方面:正压送风系统, 负压排烟系统, 排烟口的排烟阀, 正压送风口的送烟阀, 切断空调器电源防火调节阀系统。
(5) 通讯设备:一般程控电话、对讲电话、火警专用电话。
(6) 避难方面:包括应急照明、诱导灯、太平门、楼梯间等出入口的显示标志灯、疏散用电梯、防火卷帘门等。
(7) 相关设备:消火栓泵、喷淋泵、汽压罐、消防电梯、双电源互投等。
关于消防用电设备的供电电源, 要求在火灾时, 能保持继续供电。在设计过程中, 必须注意以下几点:
(1) 供电电源可靠:在电源供给上, 一般都是采用双电源一用一备, 以放射式、末端自动互投方式向消防设备供电。高层若为一类建筑, 则消防供电电源必须严格按一级负荷供电;若为二类建筑, 也不应采用低于二级负荷供电。
(2) 备用电源:可采用自备发电机组, 照明电讯方面还可采用蓄电池来解决, 但必须处于常年战备状态, 与主电源切换时间不应超过15s, 备用电源的设计容量, 应根据消防工艺来决定, 满足消防需要。
(3) 消防用电配线:应采用阻燃或防火导线, 至少应采用铜芯耐热绝缘线穿钢管或难燃管在混凝土层内敷设, 其讯号和控制管线不宜与强电管线共用竖井, 以免火灾发生以后, 其配电线路管热损伤, 造成停电, 使消防设备控制、运转不灵, 引起不应有的事故。
在消防用电设计中, 消防控制中心的设置核心, 一般消防中心设置在一层的居多, 也可设在地下一层, 设在地下一层需有直通室外的楼梯。在消防中心内设置火灾自动报警装置及消防联动控制装置, 且有反应被保护对象的模拟图, 当火灾时, 及时了解火情及其扑救情况。在消防中心, 它可以让所有电梯迫降到一层, 切断灾区电源, 联动及显示消防水泵和防、排烟风机的启、停及运行状态, 开通火警广播, 且与消防救火队联系救火, 显示各消防设备的运行情况并打印、记忆。
一个好的电气设计, 必须着眼宏观系统, 即要考虑现有功能电气的安全、可靠、经济、便捷, 又要考虑到动态发展中的安全、可靠、经济、便捷;既要注意系统问题, 又要把握好各个微小细节;既要可靠又要环保节能。
摘要：由于高层建筑人员、所占资源集中, 其电气设计的安全、可靠、经济性将成为社会关注的发展重点之一。
关键词：电气设计,安全,可靠,经济性
[1] 《民用建筑电气设计规范》.
[2] 《高层民用建筑设计防火规范》.
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