简述高层住宅建筑电气系统设计

刘洪斌

山东大众报业（集团）有限公司 山东 济南 250014

引言

随着我国经济和社会的快速发展，人民生活水平的提高。住宅小区中的高层建筑越来越多，人们的居住环境得到改善，更希望居住的安全、舒适。由于高层住宅建筑普遍的楼层高，居住人员密集。与普通的住宅相比，支持高层住宅建筑正常运转的电气设备也多，增加了消防设备、用户电梯；生活用水加压泵等维持高层住宅正常运转的必备设备，而可靠的电力对供应是维持这些设备运行的必要条件。因此，对高层住宅建筑电气系统设计提出更高要求。

对高层住宅建筑电气系统进行设计时，首先根据设计要求，充分调研、获取相关资料和数据，依据要严格遵守国家现行的相关标准和设计规范进行设计。要掌握和了解高层建筑内用电设备的功能和重要程度，用电设备的数量和额定功率等参数。根据获取的技术资料和参数，对用电设备进行负荷分级和负荷估算。确定电力变压器的容量、型号；电压等级、电源的供电方式；输电电缆或导线，各种断开关等配电设备的选型。结合高层住宅建筑内用电设备运行的特点，采取的措施对电气系统进行科学、合理、规范的设计。确保电气设备安全、可靠的运行，确保人员和建筑的安全。

1 高层住宅建筑电气系统设计的特点和基本内容

1.1 高层住宅建筑电气系统设计的特点

相比于其他住宅建筑，高层住宅建筑电气系统设计是同高层建筑的特质以及建筑内的电气设备有紧密的联系。它增加了消防设备、用户电梯；生活用水加压泵等维持高层住宅正常运转的必备电气设备。还有为保障居民在高层住宅建筑内正常、安全、舒适的居住生活的各种安全保障控制系统和信息网络系统等弱电设备。具有用电设备多，用电量大，各种用电设备功能繁杂，对居民、建筑物和电气设备的安全性、可靠性要求高等特点，也因此对高层住宅建筑电气系统的设计提出更高的要求[1]。

1.2 电气系统设计的基本内容

高层住宅建筑的电气系统内容包括：①供电电源的选择和分配。②用电负荷及用电比例的估算。③低压配电系统。包括变压器；计量方式；功率补偿；低压配电方式；防雷与安全接地；照明系统等。④弱电设备包括：消防报警及消防联动系统。⑤楼宇门禁、报警灯管理与监控系统、通讯、信息网络系统、有线电视等。

2 用电负荷分级及估算

住宅小区的高层住宅建筑是各种电气设备的集中地，各种功能的电气设备多，用电量大，是电气系统设计的重要部分。科学合理地设计供配电系统，对维持高层住宅建筑电气系统的正常、稳定性起着至关重要的作用。在对电气系统设计前，首先需要对高层住宅建筑的用电设备的性质、数量和功率统计汇总，将用电设备分出用电负荷等级，对各种用电负荷及比例进行估算，为下一步各种电气设备选择供电电源、设备的选型、配电方案等提供依据。

2.1 用电负荷分级

根据现行的国家技术标准和规范要求，按照对中断供电在政治经济所造成的影响程度和可能造成人身伤亡事故的严重程度，将用电负荷分为3个等级，按照负荷等级选择供电电源和配电方案。其中将不允许中断供电的特别重要场所的用电设备，以及停电将造成人员伤亡或设备损坏，造成重大经济损失的用电负荷划分为一级负荷。将负荷中断供电会在经济上造成较大损失和影响的用电负荷，及二类高层民用建筑的用电负荷划分为二级负荷。三级用电负荷对供电无特殊要求，采用单电源供电。住宅小区的供电电源由供电管理部门根据当地电网的实际确定通常为10kV高压电源。同时根据负荷允许中断时间考虑可以选择发电机、UPS、蓄电池按等级设置备用电源以满足供电[2]。根据负荷分级的原则，推荐对住宅小区主要用电设备的负荷分级参见表1。

表1 住宅小区用电设备的负荷分级

2.2 用电负荷估算

高层住宅建筑用电负荷的估算是供配电系统设计依据。在工程设计中，变压器的容量、断路开关、输电导线的选型是否安全、经济、合理，都需要对电气系统的用电负荷进行估算并以此为依据。

在计算高层住宅建筑的用电负荷时，通常将用电负荷分为公共部分和住宅部分进行计算。公共部分用电负荷通常采用改进的需要系数法计算。

需要系数法的公式为：

式中Pjs——计算有功功率（kW）

Kl——有功功率同时系数

Kx——设备组需要系数

Pe——设备组的设备功率（kW/户）

这样计算出的用电负荷在理论上可以作为住宅建筑选择变压器的依据。

住宅部分用电设备繁多、使用随机性大。目前住宅部分的用电负荷通常采用单位指标法计算[3]。单位指标法计算有功功率的公式为：

式中Pjs——住宅计算有功功率（kW）

Kx——住宅建筑用电负荷需要系数

Pe——单套住宅用电负荷（kW/户）

N——住宅户数

变压器容量的计算公式如3所示：

式中Sjs——变压器所需容量

Pn——变压器供电的住宅部分有功功率之和（kW）

Kx——住宅建筑用电负荷需要系数

Kl——变压器负载率：85%

另一种估算用电负荷方法是将已建同类高层住宅建筑的变压器装机容量作为设计师的参考。住宅高层建筑按以下估算：建筑面积≤80m2，6kW/户；80m2<建筑面积≤120m2，8kW/户；120m2<建筑面积≤150m2，10kW/户；150m2以上住宅，超过面积部分按照50w/m²的标准配置。基本供电容量最高为160kW/户。住户数量不同，需要系数不同。

高层住宅用电负荷的比例一般为：照明占15%～30%；空调等动力用电占50%～65%（不含中央空调），一般电力占15%～25%。

3 电气系统的设计

3.1 变压器选择

当电力变压器设置在高层住宅建筑时，电力变压器应选用干式变压器，它具有体积小、易维护、防火性能好的特点。国间标准推荐使用连接线组别为Dyn11型变压器，它具有限制三次谐波，降低零序阻抗，提高断路器动作灵敏度的优点。

住宅小区变电站位置应根据用电负荷的密度和分布情况，尽量选在结晶负荷中心的位置，通常设在高层住宅家住的地下层活下去的专用建筑内。地下层是共层建筑用电负荷较为集中的地方，给、排水泵；消防水泵；排风机等大用电量的设备多集中安装在地下层，这样选择可方便进出输电电缆并降低线路损耗，提高电能质量[4]。

3.2 计量方式

高层住宅建筑的总用电计量采用高供、高计方式，供电管理部门在10kV电源进线处设置专用计量装置，现在大多采用通过无线远程抄表系统计量收费。在低压侧按甲方要求(便于物业管理)设电力分表和住户电度表。为便于管理，我国要求高层住宅小区实行住户电度表一户一表集中管理方式。多采用IC卡充值电度表或无线远程抄表系统。

3.3 功率因数补偿

高层住宅小区用电设备的功率因数大多位于0.8～0.85之间，需要采取相应措施进行无功补偿提高功率因数，已满足国家标准。高层住宅建筑通常采用低压集中自动补偿方式，在变电室低压侧设功率因数自动补偿装置，电容器组采用自动循环投切方式，要求补偿到高压侧的功率因数在0.9以上[5]。

3.4 配电方式

高层住宅小区的供电电源，通常由供电部门提供一路10kV高压交流电源，进户高压电缆的规格、型号由供电部门确定并安装敷设。高压交流电源进入高层建筑的变电室后，经变压器转换为220/380V的低压交流电源，通过配电系统向各级负荷供电。

每台变压器采用放射式供电，低压为微单母线分段运行。消防用电单独设母线段，以提高消防设备供电的可靠性。弱电机房采用UPS电源，地下车库应急照明采用EPS电源；障碍标志灯采用太阳能光伏电池；应急电源要确保一级负荷中特别重要的负荷的用电。对于消防控制室、消防负荷、用户电梯、弱电机房等较重要的一级负荷，采用专用双路电源供电。对于照明及一般负荷则多采用树干式、放射式、水平是相结合的布线方式，由变电室之各楼层配电间敷设。

3.5 防雷与接地

在设计防雷装置前，需要对高层住宅建筑及附近可能产生的雷电风险以及可能产生的损坏进行评估确定防雷类别，再根据防雷级别采取相应的雷电防护措施。根据《民用建筑电气设计标准》防雷类别的划分原则，住宅小区内高层民用建筑高度超过100m的属于第二类及防雷等级。100m以下19层及以上的民用建筑和高度超过50m的民用建筑属于第三类防雷等级。

高层住宅建筑的防雷装置要满足防直击雷、侧击雷、防雷感应及雷电波的侵入，并设置等电位联结，由接闪器、引下线、接地极等构成避雷装置。装置要镀锌防腐，可靠焊接。通常高层住宅建筑将防雷接地、变压器中性点接地、电气设备的保护接、电梯机房、消防控制室、弱电机房等共用统一接地装置，接地电阻不大于1Ω。实测不满足要求时，需增设人工接地极[6]。

3.6 照明系统设计

高层住宅建筑照明系统的设计有：照明光源选取、主要场所照度值计算、照明配电线路、应急照明选取安装等内容。

高层住宅建筑内照明设计：一般的场所光源推荐以节能型荧光灯、LED灯或其他节能型灯具等为主，动力设备机房的光源推荐采用金属卤化物灯等防爆型灯具。各场所照明度值的选择，推荐一般住宅日常照明照度值取100lx～200lx；建筑物公共部位照度值取50～150lx；设备机房照度值取150lx～500lx。高层住宅建筑应急照明设计：消防控制室、消防泵房、通信机房变电室都要设置应急照明。公共场所、走廊、楼梯间、主要出入口应设置疏散照明。消防控制室、变电室、设备机房应急照明持续供电时间应大于180min。其他部位应急照明灯具多采用内置镍镉电池灯具，应急照明持续时间应大于30min。

4 结束语

随着高层住宅建筑增多，人们对高层住宅建筑电气系统的安全、稳定运行提出更高的要求设计。设计人员设计时要遵照“以人为本”的设计理念，严格遵守国家相关强制性规范和技术标准，积极借鉴国外先进技术和理念，始终把保障人员用电安全放在第一位。要结合实际项目特点合理选择设计方案，满足对高层住宅建筑电气系统的设计要求，充分实现电气系统的功能。与此同时，要适当考虑设备的经济运行和产生的经济效益，在保障人员用电安全和设备安全、运行稳定的前提下，根据国情综合考虑，处理好安全、绿色节能和经济效益三方面的关系。