超高层建筑电气设计的研究与应用

摘要：为进一步提升超高层建筑的电气设计水平，保证其安全、稳定、高效地运行，需要对其进行深入研究。本文通过深入介绍超高层建筑变配电电源接线形式设计、防雷设计、综合布线设计，提出了一系列具有创新性和实用性的设计理念和策略。研究结果表明，超高层建筑电气设计需要综合考虑多个因素，包括技术、经济、环境和社会等方面。只有不断创新和改进设计理念和技术，才能应对现代超高层建筑的多样化需求，推动建筑电气系统的发展。

随着城市化进程的加速，建筑行业在技术、规模和理念上都在不断进步。超高层建筑作为现代城市的标志性建筑，其电气设计更是受到了广泛关注。超高层建筑的电气设计，不仅涉及传统的电力、照明、空调等系统的设计，还涉及智能化、绿色环保、安全可靠等方面的要求[1]。因此，对超高层建筑电气设计的研究与应用，是当前建筑行业的重要课题。

1、工程实例

以某综合楼项目为例，对其开展超高层建筑电气设计。该综合楼项目中，建筑总建筑面积达到13.2万平方米。建筑层数分为地上和地下两部分，地上共有52层，包括4层裙房，地下部分则为2层，涵盖了汽车库和设备用房等功能区。在建筑的设计中，注重功能性和实用性的平衡。1～4层作为商铺，为商业活动提供了丰富的空间；5层以上的楼层则根据需求有所不同，除了16、35层作为避难层，52层作为设备层外，其余均为办公用房，为各类办公活动提供了便利。建筑的高度达到了约208 m。在结构形式上，综合楼采用了钢框架-核心筒结构，这种结构形式既保证了建筑的结构稳定性，又为建筑提供了灵活的空间布局。基础型式则采用了桩基，确保了建筑的安全性和稳定性。此外，本工程的所有案例均以这座建筑为基准，确保了设计的一致性和有效性。通过精密的设计和规划，力求为这座标志性建筑提供卓越的电气设计解决方案，满足其功能性、安全性和可持续性的需求。

2、超高层建筑变配电电源接线形式设计

超高层建筑变配电电源接线形式设计是电气设计中的重要环节，其目的是确保建筑内电力供应的稳定性和可靠性。在进行设计时，需要综合考虑建筑的规模、负荷性质、用电量、地理位置等因素，以确保所选择的接线形式能够满足实际需求。

首先，根据建筑负荷的性质和等级，确定所需的备用电源和应急电源配置。对于一、二级负荷，应设置专用备用电源或备用柴油发电机，以确保在主电源故障时能够及时恢复供电[2]。对于消防用电设备，应按照相关规范要求，当主供电中断时，可自动转换为后备供电。其次，根据建筑的总用电量和负荷分布情况，确定合适的变压器容量和数量。应选择高效、低损耗的变压器，并尽量减少变压器的数量，以降低损耗和节约投资。同时，应考虑变压器的负载率，避免出现过载或轻载的情况。再次，根据建筑的结构和布局，确定合适的配电电压等级和供电半径。对于超高层建筑，配电电压等级不宜过高，以减少线路损耗和电压降。同时，供电半径应合理控制，避免出现远距离供电的情况[3]。最后，根据实际需求，选择合适的接线形式。应根据建筑的特点和实际情况，选择适合的接线形式，并确保接线简单、操作方便、经济合理。在设计过程中，需要按照稳定负荷计算得到发电机的容量，其公式为：

式中：SG代表发电机的容量，Pj代表总计算负荷，η代表运行效率，φ代表功率因数。短路电流的计算公式为：

式中：I3代表三相短路电流，E代表电源的相电压，Z代表短路回路总阻抗。

根据上述分析，共设计两种针对该超高层建筑的变配电电源接线形式，如图1和图2所示。

图1 变配电电源接线形式设计方案一示意

图2 变配电电源接线形式设计方案二示意

在图1所示的方案一中，采用了双路供电方式，两路电压同时运行。如果某一方的电力供应出现了问题，那么，另外一方的电力就可以通过联系开关快速地接通，确保电力供应的稳定性和可靠性。此外，在低压位置还设置了联络柜，两台变压器互为备用，共同运行，进一步增强了供电的可靠性。这种方案既保证了电力供应的稳定性，又有效地降低了故障风险，为超高层建筑提供了可靠的电气保障。

在图2展示的方案二中，变压器出线端与发电机出现母线之间设置了联络开关，确保了电力传输的灵活性和可靠性[4]。同时，消防负荷和非消防负荷被分在了不同的分段母线上，这样既满足了不同负荷的需求，又提高了供电的稳定性。此外，自备发电机与变压器馈线之间实现了电气与机械联锁，这种联锁机制进一步增强了整个供电系统的安全性和可靠性。

将上述两种方案带入到本文依托的综合楼项目中进行进一步分析，在方案一中，高压侧低压配电网的接线和运行模式均为单母线分段，两个变独立工作，互为后备。在两个边界间设有一个低电压联络开关，平时为断路[5]。在某一变压器发生故障或维修时，先将非工作负荷切除，再手动切断通信开关，使其他变压器承担起整个消防和重要负荷的供电。当两个变压器都停电时，由发电机启动，以保证一次负载的特殊需要。这种方案通过合理配置和优化，显著提高了供电的可靠性和稳定性。而与方案一相比，方案二投资稍高，且10k V电源进线只有一条。该工程是一座超高层建筑，对供电的可靠性提出了更高的要求，仅1条10k V的电源不能满足用户的用电需求。因此，综合选择方案一结构作为该综合楼项目的变配电电源接线形式。

总之，超高层建筑变配电电源接线形式设计需要综合考虑多个因素，包括负荷性质、变压器容量、配电电压等级、接线形式等[6]。在实际设计中，应根据具体情况进行选择和优化，以确保电力供应的稳定性和可靠性。

3、防雷设计

在进行对该超高层建筑的防雷设计时，根据该综合楼建筑项目，需要明确表1中的相关信息。

根据下述公式计算该建筑物所在地区的雷击大地年平均密度：

式中：Ng代表雷击大地年平均密度，Td代表年平均雷暴日数。这个公式用于计算建筑物所在地区的雷击大地年平均密度，是评估建筑物防雷系统的重要参数之一。通过了解该地区的雷击大地年平均密度，可以更好地设计防雷系统，确保建筑物的电气安全。

表1 防雷设计已知条件信息

在接闪带的设置上，按照相关规范进行操作。对于二级防雷建筑，接闪带的网孔尺寸限制在不超过10m×12 m或8 m×12 m。考虑到该建筑物屋顶上的钢结构部件，如幕墙龙骨架和直升机停机坪的钢部件，将这些部件与接闪带进行了可靠地连接，确保每个部件的连接点不少于2个[7]。在确保防雷设施功能性的同时，也注重其与建筑物外形的和谐统一，以避免对建筑物的美观造成破坏。如图3为该综合楼建筑总等电位联结。

图3 综合楼建筑总等电位联结

在接地措施上，采用总等电位和局部等电位联结的方法。将配电网的PE线、导体导管和设备导体等与等电位终端板连接，再将终端板与垂直等电位干线相连，从而构建了一个全面的等电位网络。这一措施有效降低了雷电和电气故障对建筑物内设备的影响，提高了整个电气系统的安全性和可靠性。

在SPD防护开关的选用中，必须重视SPD本身的防雷安全性。通过对已建工程的回访调查，发现SPD设备在运行后期经常出现失效或故障的现象，其中大部分是由于大电流击穿导致的[8]。仅依靠SPD本身的脱扣机制并不能充分、有效地对其进行保护。为了解决这一问题，建议在SPD组件之前增加一个保护开关。针对不同类型的保护开关特点，选用熔丝作为较好的选择。熔丝作为电流限制器，可以有效降低SPD过流造成的热损伤。其设计原理是：在工频续流情况下进行熔丝保护，同时在雷击过电压情况下正常泄放雷击电流，避免熔断。通过这种方式，能够更好地保护SPD设备，确保其在雷电环境中能够稳定、可靠地工作，从而为整个电气系统的安全运行提供有力保障。

由于电梯内的空气湿度大，加上导轨、索道、轿厢等有关部件都是导体，因此在发生泄漏事故时，会给乘坐者带来很大的危险。为保证安全，电梯的金属构件必须与电梯室内的特殊等电位接线端子一致，并与建筑物的地线密切相连。配电间、发电机房、水泵房、弱电房、地下0.3 m，均设有40×4 mm厚的地线，并与建筑物接地网有可靠的连接。另外，在接地系统中，还可以通过等电势连接的方式将金属桥架和接地网有效地连接起来。从起点到终点之间间隔25 m设置一个接头点，每个接头至少包括两个接头，这样的措施确保了整个电气系统的安全与稳定。

4、综合布线设计

综合布线系统设计主要服务于整栋大厦的通信和弱电系统，为其提供一个可靠的通信和传输媒介平台。这一设计适应大厦内部的通信和信号传输需求，确保话音和光纤、电缆等媒介的顺畅引入。各类电缆，包括电视光缆和数据网光缆，通过建筑内部的通信管道被引至每一层的信息汇聚点。在大楼内部，话音光缆、电视光缆、数据网络光缆等共用同一通信管道和人孔井。此外，室外通信管道与室内水平、竖向桥架相结合，实现了大楼内外数据、语音、安全和广播等系统的布线需求。在各功能房间内，均设有综合布线的语音和数据终端，以满足多样化的通信和数据传输需求。

设计一种适用于室内垂直和水平安装的金属沟槽，并在其终端安装了柔性电线管道。垂直桥架从一楼延伸至顶楼，沿着墙面进行设置。水平桥架则从弱电井道通往各资讯点密集区，并根据内部装修情况调整高度。建筑物内的弱电桥架均采用电连接方式，并与建筑物的地网相连接，确定各点接地阻抗不大于6Ω。本桥架为各种弱电电缆共用，根据各单元的具体要求，对桥架的具体尺寸进行设计，其容积大小需满足当前所需电缆的1.5倍，以确保足够的电缆存放空间。图4为综合布线结构。

图4 综合布线结构

在无线网络上，将构建一个覆盖整个超高层建筑公共空间的无线宽带网，包括门厅、办公区域、避难层、室内公共走廊和其他有线网络不能触及的地方。这样，用户在任何无线覆盖区域都可以无缝漫游。同时，POE交换机被设置在附近的机房内，并通过光纤与核心交换机连接，以确保网络的稳定性和可靠性。

5、结论

综上所述，超高层建筑的电气设计是一项复杂而重要的任务。在实际设计中，应充分考虑供配电、照明、防雷接地、智能化和节能环保等方面的要求，结合具体项目条件进行灵活应用。通过不断地研究与实践，可以进一步提高超高层建筑电气设计的水平。

参考文献:

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