超高层建筑中地上变压器的设置

1超高层建筑中地上变压器的设置吴斌（湖南省建筑设计院410011）摘要提出超高层建筑中地上变压器设置的问题，对单台变压器的容量选择、地上变配电所的设置位置进行了探讨。关键词超高层建筑变压器避难层电梯载重量前言国内正处于城市化进程之中，城市面积不断增长，城镇人口不断增加，城市中心位置的土地价值越来越高。要充分利用土地，建筑势必往高度发展，超高层建筑的出现为提高土地利用率提供了解决之道。目前各大城市中心区域的超高层建筑越来越多，以中部城市长沙为例，在2010年前只有十来栋超高层建筑，近半数在150m以下。但最近几年，超高层建筑的发展速度越来越快，在建以及规划中的已有40多处（不包括住宅），最高的建筑已在400m以上，超过250m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图纸中，关于地上变压器的设置有各种做法，单台变压器容量有大至2000kVA的，也有小到400kVA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。每种设计手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。1地上变配电所位置选择由于规范规定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变化，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，经过严谨的经济技术比较后再确定各分变配电所的位置以及其供电范围，而不应简单的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。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。在设置塔楼写字楼区域变配电所的位置时考虑了三种方案，见图1.1。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2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，为了得到比较结果，必须对计算模型进行适当的简化，在此先对计算背景说明如下：A、仅进行给塔楼部分供电的变配电所的经济比较，给裙房、地库供电的变配电所不参与。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2300m2，核心筒面积为440m2，扣除核心筒后办公面积实为1860m2，进行负荷估算时按80VA/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、给办公区域的供电干线考虑采用密集式母线，按照单双层交替供电方式。经过估算，按每8层配出一个回路，设置1250A断路器，配套1600A的母线；对于楼层少的楼层段，按每4层配出一个回路，设置630A断路器，配套800A的母线。F、单台变压器的容量暂时按最大1600kVA考虑。每层2300m69-75F均为写字楼2供电范围69-75F4#变配电所，1290kVA供电半径25m供电范围：裙房、地库1#变配电所，6000kVA50m共550m1600A母线：共50m800A母线：母线6F21F37F53F69F75F130m母线150m母线130m母线140m母线每层2300m37-68F均为写字楼2供电范围37-68F3#变配电所，5900kVA供电半径65m/75m每层2300m6-36F均为写字楼2供电范围6-36F2#变配电所，5700kVA供电半径65m/70m餐饮6F21F37F53F69F每层2300m37-75F均为写字楼2供电范围37-75F3#变配电所，7176kVA供电半径95m/70m每层2300m6-36F均为写字楼2供电范围6-36F2#变配电所，5700kVA供电半径160m供电范围：裙房、地库1#变配电所，6000kVA餐饮每层2300m37-75F均为写字楼2供电范围37-75F3#变配电所，7176kVA供电半径95m/70m每层2300m6-36F均为写字楼2供电范围6-36F2#变配电所，5700kVA供电半径65m/70m供电范围：裙房、地库1#变配电所，6000kVA方案一18876kVA方案二18876kVA方案三18890kVA75F每层2300m，核心筒占440m办公面积为1860m每平米按80VA估算每8层设一根1600A母线222140m共790m或每4层设一根800A母线1600A母线：共190m800A母线：共540m1600A母线：共190m800A母线：母线520m母线130m母线190m母线140m母线130m母线190m母线130m母线140m母线6F21F37F53F69F75F餐饮图1.1由图看出，地上部分变压器的设置可参照表1.1表1.1方案一方案二方案三2#变配电所：2*1600+2*1250kVA2#变配电所：2*1600+2*1250kVA2#变配电所：2*1600+2*1250kVA33#变配电所：4*1600kVA3#变配电所：4*1000+2*1600kVA3#变配电所：4*1000+2*1600kVA4#变配电所：2*800kVA总共10台变压器地上装机容量12900kVA总共10台变压器地上装机容量12900kVA总共10台变压器地上装机容量13700kVA表1.2经济比较变配电所位置低压供电半径1600A母线垂直长度（m）800A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）方案一最大790190最大：2.2%最小：0.65%241104028415651000方案二合理540190最大：1.6%最小：0.65%173104016213751000方案三最小55050最大：0.65%最小：0.35%156104012113171000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偏大计算有功电能损耗时，按照每年250个工作日，每个工作日10小时计算。方案三变配电所较分散，故变压器总安装容量较其它两个方案偏大。根据本文后面第二节的分析，实际设计时地上部分变压器单台容量会加以控制，所以方案二、三使用的变压器台数会差不多，只是分布的位置不同而已。但在本节经济比较中，是暂按单台变压器容量不大于1600kVA来考虑。如果考虑到变压器容量限制在1000kVA，则方案二、三在地上部分变压器数量会达到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。三种方案各有其优缺点，通过综合比较，确定了第三方案。从方案三可以看出，一次投资并不是最低的，所占用的建筑面积也不是最少的，但是综合考虑到50年的运营成本，综合成本是最低的。由此看出，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4在后期运营上产生的损耗。另外方案三还有一个优势，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。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，而且电气产品也无法保证在正常寿命期间不会损坏，这就带来了一个如何维修或更换变压器的问题。各种常见规格变压器、电梯参数见下表。表2.1变压器本体重量与尺寸（参考顺特电气有限公司资料）型号重量KG尺寸（长*宽*高）mmSC10-315/1013151240*850*1275SC10-400/1018001270*850*1400SC10-500/1020601450*850*1400SC10-630/1022101570*850*1460SC10-800/1025701540*1070*1570SC10-1000/1031401650*1070*1630SC10-1250/1035801650*1070*1780SC10-1600/1046101770*1070*1965表2.2电梯参数（以本人参与的项目为例）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-M16002.524.52000*1500三菱GPM-316003.5502000*1500HOPE-BII18002.5502150*1650运达中央广场三菱GPM-316003.5502000*1500NEXWAY16004652000*1500GPM-3H16006902000*1500由表中可以看出，变压器重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：A.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就与建筑专业协商，选择合适的货梯以满足载重量与尺寸即可。在这个前提下，可又分为两种做法：①在地上变配电所内仅设置400kVA以下的变压器，由于变压器体积小，重量轻，可以5由1800KG载重量的货梯直接运输。从目前已有的超高层建筑来看，设置一台1800KG载重量的货梯对于大多数开发商来说是完全可以接受的。在本人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400kVA，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实施。此种方案一般仅适用于高度在200m以下功能简单的超高层建筑，例如写字楼等②采用大载重量的货梯，比如3T/4T货梯。电梯制造标准中，要求普通货梯的载重量与其轿厢尺寸有关联（详表2.3），载重量越大轿厢尺寸越大，故占据核心筒的面积也就越大，对于开发商的经济效益会有较大影响。表2.3（摘录自GB7588-2003）额定载重量（KG）轿厢最大有效面积（m2）额定载重量（KG）轿厢最大有效面积（m2）10502.5014253.2511252.6515003.4012002.8016003.5612502.9020004.2012752.9525005.0013503.10定载重量超过2500kg时，每增加100kg，面积增加0.16m2。对中间的载重量，其面积由线性插入法确定。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1000kVA，如此在供配电系统的设计上会灵活很多，也避免了方案①的缺点。B.采用电梯井道运输。这种运输方式在需要更换变压器前，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轮组，将变压器本体通过井道提升上去。这种方案施工工艺复杂，工期长，对大楼的正常营运会造成较大的影响。这种方案要求变压器的尺寸不能大于电梯井道内部尺寸，一般来说这点不是问题。但采取这种方案需要在项目方案阶段向项目未来的运营方解释清楚对将来正常营运可能造成的影响。有些