上海环球金融中心电气设计

上海环球金融中心电气设计金大算（华东建筑设计研究院有限公司，上海200002摘要本文提出了超限高层电气设计主要解决好的三大难题和一个优化，并结合上海环球金融中心的电气设计进行了详细论述。关键词超限高层电气设计供电系统配电系统防雷接地消防设计AbstractThepaperputsforwardthreedificultproblemsandoneoptimizingthatneedtobesolvedintheelectricaldesignforsuperhigh-risebuildings,andincombinationwiththeprojectofShanghaiWorldFinancialCenter,introducestheelectricaldesignindetail.Keywordssuperhigh-risebuilding,electricaldesign,powersupplysystem,powerdistributionsystem,lightningprotectionandearthing,ireightingdesig项目简介环球金融中心位于上海陆家嘴金融贸易中心区2Z4-1街区；总建筑面积有381610m，其中地上面积22316186m、地下面积65424m；地上共101层、地下3层；总高度达492m；并与金茂大厦以及规划中的上海中心呈三足鼎立之势。大厦分为塔楼和裙房两部分：塔楼部分由入口进2厅、美术馆、7~77层办公（20.2万m），79~88层酒店（2.822万m）及90~101层观光设施（1.4万m）组成；裙房由1层交通枢纽、防灾中心及其他辅助用房；2~3层商业22（2.6万m）用房及3~5层的美术馆（0.8万m）组成。地下室有下沉式花园和食街、多功能厅和商店；地下部分由停车库（2.8万m）和商业（1.3万m）组成。本工程由华东建筑设计研究院有限公司设计，并获2009年度全国工程勘察设计行业优秀工程勘察设计行业奖——建筑工程（中外合作项目）一等奖。引言目前，国内超限高层建筑大量的涌现，给设计带来前所未的挑战；而对于这些超限高层，电气设计主要需解决好三大难题和一个优化：（1）如何解决超限高层供配电系统的设计问题以及应急发电机电源与市电切换的联网问题。（2）在建筑高度超过250m、超越《高层民用建筑设计防火规范》的限制后，如何解决建筑的防灾设计问题。（3）如何解决超限高层建筑防雷、接地的设计问题。（4）如何对现代办公楼电气系统进行优化设计，如何应对未来的小型租户的特殊要求等提出自己的设想与实施方案。下面结合上海环球金融中心的电气设计，对这几个问题进行详细论述。2供电系统2.1市电电源电源引自上级二座独立的110kV降压站，给项目提供3路35kV环网电源；能满足供电系统的N-1原则即当3路35kV电源中的任何一路断电时，通过10kV侧联络开关的逻辑切换后，其他二路仍可保障全楼的所有负荷用电。此外大楼内还设有10kV的应急柴油发电机组，作为应急电源，与市电联网运行。在主变电所内设置三台主变压器，将35kV降压至10kV后，分别以放射式配电方式，至相关层内的中压10kV副变电所；为满足供配电平衡性原则，中压10kV按H1、H2系电源，H2、H3系电源，H3、H1系电源分别配至各副变电所。主变电所的简易接线系统见1图(楼层各副变电所接线系统省略)。2.2应急电源应急发电机的电压等级采用10kV，以满足应急电源的供电半径及压降的要求，此外还应满足酒店高压冷冻机的使用要求。当任一路市电中断供电时，应急柴油发电机处于准备启动状态；当其中任意二路市电中断时，应急柴油发电机应自动启动，处于待送电状态；当三路市电全部中断时，应急油机电源能在15~30s内向特别重要负荷供电【注：在极端三路35kV同时断电的情况下，油机电源供电时间T=ΔT1（油机快速启动时间）+ΔT2（油机并网调整时间）+ΔT3（多级中低压开关的分合闸时间）≈15~30s】；油机电源不得与市电并列运行，当市电恢复时，机组应自动退出。高压应急柴油发电机组的容量为4x2500kVA/10kV（另外还备用1台），实施并机供电；在主变低压侧的主开关处，油机电源的主开关与市电电源的主开关进行联锁切换后供电，联锁的方法采用机械联锁加电气联锁。除通常的应急发电机外，在地下室预留小业主的自备应急发电机的空间，以满足小业主对供电的特殊要求，特别是满足银行金融类小业主的入住要求。大楼配置有EPS应急电源，并与油机电源配合使用；停电初期使用EPS应急电源，作为与自动启动的应急发电机配合使用时的EPS的工作时间保证不少于10min，待油机电源进入稳态后，使用应急发电机电源。2.3变配电所分布35kV主变电所设在裙房地下室1层，主变压器总容量为12.5MVA×3=37.5MVA；为了解决变电所深入负荷中心以及节能节材等问题，同时也能解决楼内低压供电半径问题，在环球金融中心的项目中，采用主副变电所分别设置的原则，主变电所设在地下室，副变电所设在相关的楼层内即相关的设备层内，上楼变压器单台容量一般不超过1250kVA。10kV副变电所基本上按建筑的几大功能分区分别设置，即分为地下室至6层的公共区域、7~77层的办公楼、79~93层的宾馆、94~100层的观光层；具体的位置分别在B2F、6F、18F、30F、42F、54F、66F、89F、90F；副变电所的变压器台数共计62台，总设计容量10kV为1600kVA14+1250kVA×48=86400kVA。见图2。2.4电能管理高压35kV/10kV系统采用微机综合保护置，配有标准RS232、RS485的以太网通讯端口，开放式标准规约ModbusRTU，达到了最佳化的集成，并具有灵活性和兼容性。能对0.4kV侧的低压总开关、联络开关以及配出回路的参数进行测量，同时可采样断路器分合状态和故障报警信号、变压器温控器数据、直流屏、EPS的运行状态，以及柴油发电机等外接第三方系统设备的预留MODBUS通讯接口，同时能将信号上传。2.5电网管理对楼内电网实施自动化管理，最终确定选用计算机PLC程序进行逻辑控制管理；这是因为中压系统的开关分别设置在大楼不同的设备层内有关，如采用人工进行断路器ON-OFF切换操作，需要花很长时间才能完成，且容易误操作，这也是其与一般的超高层有较大的差异之处。3.1低压系统10kV变电所为南北设置，中压设联络开关并设电网自动化管理，低压不设联络开关，10kV变压器的负荷率在60%?70%。变压器按照明电力分别设置的原则，设专用照明变压器，避免大型电动机启动对照明产生的影响，同时也避免对其他电子设备的影响。3.2特殊做法对负荷进行分类供电，保证不同条件下不同负荷的供电；当市电正常中断而改由应急油机提供电源时，为保证大楼内所有重要负荷的持续供电，此时仅切断一般的AC负荷；在此时如发生火灾的情况下，通过消防联动控制，进一步切除变电所0.4kV低压所带的其他非消防负荷，从而确保消防负荷的正常电。切换关系见图3。3配电系统3.3配电方式配电间设置按防火分区为原则，每个防火分区至少设一个配电间；考虑到租户单元的因素，在标准层内基本上按租户分区设置若干个配电间，配电不跨防火分区。至重要设或大型用电设备的低压配电线路采用放射式供电；至一般设备的配电方式采用放射与树干相结合方式配电。至消防电力设备采用二路电源供电末端自切，应急发电机电源作为后备电源。3.4配电线路配电线路设计严格遵循上海市地方法规《民用建筑电线电缆防火设计规程》；当配电干线采用分支电缆，分支线长度设计借用国外的设计规程，并加以短路保护验算手段等。考虑到风力或地震对超高层的摆动影响，电气设备安装用螺栓固定并做到牢固可靠；线路连接处适当地留有余量，避免电气线路在震动时拉断或接头脱线；垂直线路尽量减少使用母线槽，而优先采用电缆沿桥架敷设。在超高层建筑内，在大楼发生火灾的情形下，根本无法由外部力量进行全面的消防补救，消防只能靠自身解决。在火灾的初期阶段就必须做到及早发现，及时扑救，因此对火灾自动报警系统的设计提出了高的要求。电气设计除严格遵守消防法规外，还要对穿梭电梯井道，电气设备竖井等特的场所加以特别的保护。4防灾设计4.1防灾中心引入设置防灾控制中心（含应急指挥中心、消防控制中心）的新理念，解决大楼的消防、安保、监控、漏电火灾报警、漏水检测系统、超高层的震动测量装置、电能管理系统等设备的集中设置及管理问题；防灾中心设置在1层裙房内，门口有明显的标志，对外有直接出口。防灾控制中心能对大楼内的所有防灾设备进行24h监控；在火灾的情况下，能迅速接收火灾自动报警信号，并能自动启动大楼内的消防设施。根据超高层的功能分区特点，可设酒店分控中心，其主要功能是能够在自己报警监控区域内实施火灾探测及启动紧急广播进行诱导疏散，保证人员安全。4.2消防设计1)防灾中心、变配电所、消防电梯等应采用专用的供配电电源，并采用二路电源供电末端自切，二路电源中至少有一路电源应含应急油机电源；其他消防设备供配电及线路敷设按现有规范要求执行。2)事故照明供电电源采用蓄电池与油机电源有机组合方式，蓄电池作为停电时瞬间放电开灯，而应急油机电源能维持较长供电时间，保证持续供电2h以上。3)探测器的设置不能有盲区，包括大于5m的卫生间在内的各个场所均设置火灾探测器；在厨房部分还设有可燃气体探测器；在每个防火分区内至少设一个手动报警按钮，其他按规范要求执行。4)消防控制中心能对大楼内的所有消防设施实现联动控制，切断相关区域的非消防电源，并能接收消防联动的动作信号，以及消防电源的工作状态，能与分控中心一起完成应急广播，进行诱导疏散。5)在消防控制中心设置独立的专用电话总机，并设有外线直通电话，可以直接接通119报警；在分控中心也设置消防专用固定电话，能与消防控制中心进行单独对话。此外，在消防水泵房、备用发电机房、变电所、排烟机房、消防电梯机房、气体灭火机房等各处设置专用电话分机。6)系统采用共用接地，接地电阻不大于1Ω；在消防控制中心、分控中心设专用接地端子箱，控制中心内的各种消防电子设备的接地均由专用接地端子箱引来。4.3特殊做法1)《高层民用建筑设计防火规范》尚不能完全覆盖高度超过250m的超限高层建筑，但对现有的条款不是不要执行，而是必须更严格执行。2)有些部位或场所的消防设计不能套用现有的规范时，请有关的专家进行论证或做必要的消防性能化分析。3)至少应提出消防报警系统的概念图或方框图、大楼的消防泵、喷淋泵联动控制原理图，以供消防部门认定。4)如穿梭电梯井道内的报警探测器的设置，目前尚无最好的办法解决；在设计时考虑在数百米的穿梭电梯井道内每隔若干米设置管状报警装置，顶部再加烟感探测器。5)规定可不安装火灾探测器或不便安装火灾探测器的场所，如卫生间、温水泳池等区域可增设手动报警按钮，避免存在报警的盲区。6)对客房内的报警，不再单一考虑客房的面积关系，而是主要考虑客房的长度、宽度与面积之间的关系，保证第一时间能报警，即必要时在客房的内走道按需要设置探测器。7)可以利用CCTV作为消防事故监测系统使用，巡更系统作为火灾自动报警的补充。8)在楼层配电间内可设置干式灭火装置，避免采用水喷淋而增加对电气设备的IP等级要求。9)鉴于大楼内需要的联动控制设备极多，控制中心手动强制联动控制线路非常多、距离很长和压降较大的特点，建议考虑通过光缆来实施信号传输，这样可以减少铜揽线路，减小线槽的截面，并解决线路的压降等一系列问题（此举尚未有先例，有待消防部门认可或有关专家论证）。5.1防雷保护按二类防雷建筑设计，用45m的滚球半径法进行验算，采用法拉第笼式建筑结合弗兰克林避雷法实施。具体实施如下：在整个屋面组成不大于10m×10m或12m×8m的金属避雷网格，并在屋顶四周置避雷针作为避雷接闪器；而在空中廊桥部则利用钢结构“Γ型”栏杆作为避雷接闪器并在每层设置均压环。见图4。5防雷接地5.2接地措施共用接地，利用大楼基础桩基及承台内的钢结件作为接地极，接地电阻不大于1Ω项目竣工后，经现场实测结果也在0.1Ω