超高层建筑变配电所选址分析

超高层建筑是经济高速发展的产物，也是城市经济活力最显性的指标，如今中国已成为世界上超高层建筑最多的国家。超高层建筑体量巨大、功能复杂，总用电负荷惊人。作为整个变配电系统的核心，确定变配电所的位置是每个项目电气设计的重中之重。合理设置变配电所可有效减少项目初始投资并降低整个配电系统电能损耗。控制建筑综合能耗是建筑绿色设计的核心内容之一，而严格把控项目初始投资亦是目前各大开发商关注的重点。本文将以某项目为例，对比、分析不同方案的经济效益，并提出一些个人观点。

项目概况

某超高层办公楼，地下4层，地上48层，建筑高度233.8 m。其中B4 ~ L6与裙房商业或地下 ** 接邻。L7 ~ L48为办公区，层高4.5 m，在9层、19层、30层、40层设避难 / 设备层，层高4.5 m / 6 m。标准层建筑面积约2 208 m 2 ，塔楼地上部分总建筑面积约9.58万m 2 。

变配电所设置一般原则

根据电气设计规范及技术措施规定，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250 m。同时变配电所的位置选择应接近负荷中心并方便设备的运输及搬运。考虑项目实际情况，本项目除在地下室外，还需在避难 / 设备层增设变配电所。

地下室变配电所的变压器基本不受容量限制，一般最大可设置单台容量为2 000 kVA的变压器。设在避难层的变配电所则需考虑设备的运输问题，同时考虑变压器重量对结构楼板的影响及变配电所下方功能区域净高等因素。设置在避难层的变压器容量一般不大于1 250 kVA。地下室变配电所的面积不需计入容积率，而避难层变配电所的面积一般需计入容积率，设在避难层的变配电所对建筑经济指标影响更大。

集中设置的变配电所采用大容量变压器在一定情况下可减少变压器台数及对应的高低压配电柜数量，对降低整个配电系统的造价有一定帮助。同时变配电所需要的建筑面积更小，便于管理，亦可降低后期使用及维护成本。但超高层建筑有其特殊性，低压配电垂直干线均必须在核心筒内的管井中敷设。集中设置的变配电所因出线回路较多也会导致标准层设备管井面积增加，对标准层平面的使用效率有不利影响。集中设置的变配电所往往供电半径较大，低压电缆成本及线缆电能损耗较高。

分散设置的变配电所在系统合理性上更胜一筹。相对集中设置而言，分散设置的变配电所更深入负荷中心，供电半径更小，电缆成本及线缆电能损耗均可大幅下降。但分散设置的变配电所也有可能导致总变压器安装容量偏高、变配电所需求面积增加等问题。

因避难 / 机电层的面积有限，在平面布置时应优先满足避难区域的需求。同时应与机电其他各专业协调，力求保证各机电专业在避难 / 机电层都有足够的设备用房面积。

变配电所选址方案

基于上述考虑，经负荷估算，本项目变配电所的选址考虑了如下4种方案，如表1、图1所示（其中冷冻机房变配电所不包含在内）。目前避难层高度为4.5 m / 6 m，方案比较时忽略4.5 m层高对设置变电所的影响。各方案均基于同一塔高及楼层高度的设置，实际工程中将根据变配电所的设置位置调整楼层高度。该高度调整对比较结果影响不大，可以忽略。

由表1可见，各方案变压器总安装容量大致相同。方案1、2共设置2个变配电所，而方案3、4共设置3个变电所。方案4最大竖向配电距离最短，但较其他方案多设置2台变压器，且其需要的变电所总面积也较其他方案略多。

各选址方案技术经济比较

技术经济分析应基于土建、设备初期投资及建筑整个生命周期中运行费用的比较。变配电所选址一般需在整个设计的方案阶段确定，此时除土建基本资料外，水暖专业尚未提供详细设备资料，为简便分析过程，故作如下假定：

a. 技术经济比较仅考虑不同方案设计差异所导致的费用不同。对于设置楼层不同但内设变压器容量、台数相同的变配电所则认为其内配电设备造价一致，忽略因其服务范围不同而可能导致的设备成本差异。对于假定成本一致的内容不作比较。

b. 假定各方案配电回路水平段路径一致，仅考虑各方案干线垂直段长度不同所导致的配电电缆成本差异。

c. 为方便计算电缆成本及运行费用，假定各方案中低压配电电缆采用单一截面电缆，忽略各方案因实际负荷不同而导致的配电回路数及配电电缆截面的差异。根据变压器计算电流及配电回路整定电流值计算配出回路数，亦即配出电缆根数。

d. 假定整个建筑的用电负荷均匀地分配在各个楼层，避难 / 设备层与各个办公标准层单位面积用电指标一致，忽略设备层、大容量设备对各层配电容量造成的影响。则各变配电所低压配电电缆干线的平均垂直长度即为各楼层与变配电所所在楼层垂直高差的加权平均数。各楼层的权重系数即为该楼层面积与变配电所服务楼层总面积的比值。

综合假定c及d的结果，可得低压配电电缆的总长度，并以此计算低压电缆采购成本及运行电能损耗。

计算

变配电所配出电缆根数n计算

首先，计算变配电所内各变压器的总计算电流[Ijs]，方案阶段忽略功率因数对计算电流的影响：

其次，假定变配电所出线电缆均采用150 mm 2 截面YJY电缆，根据19DX101 - 1《建筑电气常用数据》，150 mm 2 YJY电缆在环境温度40 ℃ 时，敷设在空气中的载流量为363 A。考虑桥架中多根多芯电缆成束敷设的校正系数为0.7，则单根150 mm 2 电缆校正载流量取250 A。根据《全国民用建筑工程设计技术措施（2009）　电气》的要求，配电型断路器长延时过电流脱扣器的整定值应大于回路计算电流的1.1倍，则单根150 mm 2 电缆对应的计算电流应小于225 A。考虑短路时断路器的动作灵敏度，对于垂直干线长度大于100 m的楼层，单根150 mm 2 电缆对应的计算电流取180 A，对于垂直干线长度不大于100 m的楼层，单根150 mm 2 电缆对应的计算电流取200 A。则单个变配电所出线电缆总根数为：

C 1 、C 2 可根据实际情况调整。

单个变配电所低压电缆干线平均垂直长度L计算

单个变配电所竖向电缆干线有功功率损耗ΔP L 计算

根据《工业与民用供配电设计手册》（第４版，以下简称《四版手册》），线路有功功率损耗计算方法如下：

因为有一、二级负荷备用回路的存在，总出线电缆根数一般大于总载流电缆根数。两者的简化计算原则均是将所有规格截面的馈线等效为一定截面的电缆来计算其总根数。

单个变配电所竖向干线电缆年电能损耗ΔW L 计算

根据《四版手册》，线路年电能损耗计算方法如下：

ΔW L = ΔP L · τ （5）

式中：ΔW L —— 三相线路的有功功率损耗，kWh；

τ —— 年最大负荷损耗小时，h。取值参照《四版手册》表1.9 - 1、图1.10 - 7及表1.10 - 2。根据表1.9 - 1，行政办公楼年最大负荷利用小时数T  ** x 为2 790 h，商务办公年最大负荷利用小时数T  ** x 为1 520 h。保守考虑取T  ** x = 3 000 h，取cos φ = 0.9，根据表1.10 - 2，得 τ = 1 600 h。为计算方便，假定电费单价为1元 / kWh，则年电能损耗即为年电能损耗费用。

变压器年电能损耗ΔW T 计算

根据《四版手册》变压器年电能损耗计算方法如下：

考虑各方案变压器总安装容量及负载率基本一致，故在分析各方案年电能损耗时，忽略高压线路、电抗器及电容器的电能损耗，仅计入电缆及变压器的电能损耗。需特别注意的是，该计算结果尚不包含干线电缆水平段及末端线路的损耗。

竖向高压电缆成本

比较不同方案高压电缆干线垂直段的成本差异。假定项目高压进线及高压配电间均位于地下一层，则高压电缆成本计算原则为避难层变电所所在楼层与B1层的高差乘以高压电缆单价。

地上变配电所的额外成本

方案3、4均较方案1、2在塔楼地上部分增设1个变配电所，考虑这些地上变配电所所增加的额外成本，分析如下：

a. 额外的应急电源ATS切换柜、发电机处出线柜、应急电源馈线电缆、母线造价：为保证超高层建筑供电可靠性，需设置柴油发电机作为消防等重要负荷的应急电源。增加变配电所将增加发电机低压配电柜的配出回路数，并增加变配电所处市电与应急电源自动切换的配电设备。因地上变配电所增加，则变压器前高压二次受电柜的总数量亦有可能增加。

b. 变压器台数增加导致的高低压配电柜等设备成本增加：方案4较其他方案多设置2台变压器，则需增加2台高压配出柜，同时需增加相应的低压总进线开关柜、联络柜及无功补偿控制设备等。

c. 额外增加的变配电所内设备包括：变配电所送排风设备，变配电所配电箱及相关的配电回路开关、电缆等；额外的变配电所气体灭火系统及控制设备成本，与变配电所增加数量有关。对于采用气体绝缘配电 / 受电柜的变配电所亦有可能增加绝缘气体泄漏监测设备。

d. 额外的设备运输及安装费用：地上变配电所首次设备安装一般可由施工塔吊将配电设备吊装至变配电所所在楼层。其设备运输及安装较地下室安装更为复杂，施工难度更大，应考虑适当的额外费用。

e. 变配电所面积增加的土建成本，额外的变配电所接地、降噪、减震、结构楼板加强措施等建造成本及对相邻楼层的潜在影响。其综合成本应包括设备购置成本，建筑工程成本及安装调试成本。

方案阶段为简化分析过程，对该额外成本不作详细计算，假定增加的费用与地上变配电所的面积成正比，按1万元 / m 2 计算。

增加的地上变配电所的额外运营成本

供配电设备需定期检测维护，变压器在达到使用寿命期限后需更换。增加变配电所及变压器数量自然会相应增加成本，在方案阶段须考虑这些因素对后期运营的影响。假定每个地上变配电所增加的运营成本按1万元 / 年计。地上变配电所大型设备的运输方案因项目而异，本文不作详细展开。为运输设备而专设大载重电梯将极大地增加项目初期投资并对核心筒布局产生重大影响，采用该方案需在设计初期与建筑专业协调。本文各方案均有地上变配电所，假定其设备运输方案一致，不考虑不同方案造成的成本差异。

相关计算结果汇总如表2所示。

由表2可知，方案2的总初始投资最低，考虑整个建筑生命周期的运行费用，方案3的综合成本最低。方案4的供电半径最短，理论上该方案最节能，但其综合成本并不最省。需特别注意的是，虽然各方案变压器总安装容量大致一致，但方案4中的变压器电能损耗最高，比较方案3和4，方案4通过减小供电半径节省的电缆损耗与增加的变压器电能损耗相差不大。故最小化配电半径可能并不是最优的方案。参照某变压器产品样本作进一步分析如表3所示。

从降低整个配电系统电能损耗的角度出发，优先选用高效节能的变压器是最简单有效的措施。变压器单位容量年电能损耗随单台变压器额定容量的增加而显著减小。如2台630 kVA变压器的年电能损耗比单台1 250 kVA的变压器要大近24 %。从节能和经济的角度出发，尽可能减少变压器台数，集中设置变配电所，优先使用大容量变压器仍应是方案阶段优先思考的方向。

以上是静态经济分析的结果，对于整个建筑生命周期的成本分析还应考虑货币时间价值的影响，同时计入实际电价对电能损耗费用的调整（假定50年内电价不变），动态经济比较结果如表4所示。

可见，考虑时间成本和调整电价后，方案3仍为较优方案。但方案3在综合成本上的优势略有下降。换言之，方案3在电能损耗方面节省的电费尚不能完全抵消资金成本增加的费用。倘若变压器负载率及电价进一步下降，方案2的综合成本反而可能最低。故在方案确定过程中须充分权衡节能与投资成本间的关系。当各方案的初始投资差异较大时，可倾向考虑初始投资较小的方案，此时应根据当地电价及资金成本的影响，做详细的成本分析。本工程最终选择了方案3作为设计方向，除上述的综合成本分析外，另一重要原因是业主希望在地下一层尽可能扩大商业面积同时在地下室尽可能多地设置停车位。基于该设计原则，设计团队优先考虑了地下室设备机房面积较小的方案。

对选址方案可能产生影响的其他因素

容积率计算的影响及避难层各专业机房的面积要求

目前各地方主管部门对容积率计算的要求并不统一，部分地方规定避难空间的面积可不计入容积率计算，而避难层设备机房的面积则需全部计入容积率。在这一前提下，原则上应尽可能减少地上部分变配电所的面积。节省的设备机房面积可用于其他功能用房的指标，从而创造更多的租售价值。在这种情况下，方案3及方案4在经济性上则没有优势。在实际设计过程中，建筑条件往往并不是那么理想，某些避难层并不能完全满足避难空间及设备机房的面积要求。此时，需优先留足避难空间面积，各设备专业的机房设置则需相互协调。必要时，个别专业须做出牺牲，对该专业来说，所采用的方案未必是最优方案。

LEED认证对电压降的要求

对于需要LEED认证的项目还需满足电压降的要求。LEED 2009 及LEED v4 均参考ASHRAE 90.1 - 2010 ，其中馈线压降的规定为强制要求。根据ASHRAE 90.1 - 2010 的相关规定，配电系统干线压降应小于2 %，支线压降应小于3 %。干线电缆压降小于2%的要求对变配电所的供电半径有较大影响，通过扩大馈线截面来降低压降将增加较多电缆成本。以150 mm 2 截面电缆为例，参照19DX101 - 1 《建筑电气常用数据》表3.21，其电压损失为0.074 % / A·km（cos φ = 0.8，计算电流取200 A），则可求得干线电缆最大长度约为135 m。按此要求，方案1和方案2的电缆成本将提升，从而导致其成为较不经济的方案。对于该条文的执行美国国内亦存有分歧，美国绿色建筑协会USGBC于2012年在其官方网站（https：//  ** .usgbc.org / content / li - 10218）上作出了解释：LEED认证项目对配电系统电压降的要求是干线和支线综合压降不大于5 %，项目团队应根据实际情况计算干线、支线压降，只要其和不大于5 % 即可，不再强调干线和支线压降分别同时满足上述要求。而ASHRAE 90.1 - 2016 及后续版本已将相关条款修改为综合压降不大于5 %。故在目前设计中，变配电所的选址亦有了更多的灵活性。根据美国工程师的经验，对于30多层甚至40层的塔楼，在地下室集中设置变配电站亦是美国项目比较常规的设计。

加强措施对选址的影响

民规编制组专家曾对提高超高层建筑供配电系统的可靠性有如下建议：避难层变配电所的配电线路不应穿越上、下避难层供电。如按这一要求，则避难层变配电所的供电半径将限制在两个避难层之间。此时方案1已不满足要求，无需做经济性比较。

综上，变配电所的选址应是经过反复推敲，详细计算的结果。除考虑技术合理性、可靠性外，还需结合项目特点、业主要求、当地实际情况等因素综合分析经济性以确定优化方案。展望未来，随着技术进步，可以预期有电阻率更低的“超导电缆”，更为节能的变压器，采用可控核聚变技术引发的能源革命使电价大幅降低，甚至整个建筑采用直流配电而导致的交流配电系统颠覆。这些都将为超高层建筑的电气设计带来或大或小的变革，而变配电所的选址分析将是一项需要不断完善的工作。