高层建筑电气供配电系统的可靠性研究

一、引言

高层建筑具有楼层高、用电负荷大、功能复杂等特点，其电气供配电系统作为能源输送的核心，需满足多元化用电需求，包括居民生活用电、商业办公设备用电、消防应急用电等。一旦供配电系统出现故障，可能导致电梯停运、消防系统失效、通讯中断等问题，甚至引发安全事故。因此，保障供配电系统的可靠性是高层建筑设计与运维的核心目标之一。

近年来，国内学者在供配电系统可靠性领域开展了大量研究。李光辉等（2021）指出，高层建筑供配电系统的可靠性需从设计阶段入手，结合负荷特性进行优化；王健等（2022）通过案例分析，强调了冗余设计在应对突发故障中的重要作用；张磊（2023）则提出智能监控技术可实时预警潜在风险，显著提升系统可靠性。本文在现有研究基础上，综合分析影响高层建筑供配电系统可靠性的因素，提出系统性的提升策略。

二、高层建筑供配电系统的组成与可靠性要求

（一）系统组成

高层建筑电气供配电系统通常由高压配电系统、变压器、低压配电系统、应急电源系统及配电线路等部分组成。高压配电系统负责从城市电网引入电源，经变压器降压后通过低压配电系统分配至各用电负荷点；应急电源系统（如柴油发电机、不间断电源UPS）在主电源中断时保障消防、电梯等关键负荷供电；配电线路则承担电能传输任务，覆盖从配电房到各楼层的终端用户。

（二）可靠性要求

不同类型的高层建筑对供配电可靠性的要求存在差异：

• 住宅类高层建筑需保障基本生活用电，停电时间需控制在分钟级，应急电源需在15 秒内启动以保障电梯、消防照明等；

• 商业综合体除满足基本用电外，需确保空调、安防系统等连续运行，年停电时间不宜超过1 小时；

• 医疗类高层建筑对可靠性要求最高，手术室、重症监护室等区域需实现“零停电”，依赖多重冗余电源与快速切换技术。

三、影响供配电系统可靠性的关键因素

（一）设备因素

设备质量与性能是影响可靠性的基础。断路器、变压器、电缆等核心设备若存在质量缺陷，易引发短路、过载等故障。例如，劣质电缆的绝缘层老化速度快，可能导致线路漏电或短路，尤其在高层建筑高温、潮湿的环境中，设备老化速度加快，进一步降低可靠性。

（二）设计因素

设计不合理是可靠性隐患的重要来源。如负荷计算偏差导致变压器过载、配电线路截面选择过小引发发热、应急电源切换时间过长等。此外，未考虑负荷增长预留容量，可能导致系统在后期扩容时面临过载风险。

（三）运维因素

运维管理不到位会加剧可靠性问题。定期巡检缺失可能导致设备隐患未及时发现，如低压配电柜内接头松动未处理，易引发接触不良甚至火灾；应急预案不完善则会延长故障处理时间，扩大故障影响范围。

（四）外部因素

包括电网停电、雷击、极端天气等。高层建筑因高度高，受雷击影响概率较大，若防雷接地系统失效，可能导致设备损坏；城市电网故障虽不可控，但可通过内部应急电源系统降低影响。

四、提升供配电系统可靠性的策略

（一）优化设计方案

1. 负荷分级与冗余设计

根据用电负荷的重要性进行分级，对一级负荷（如消防设备、应急照明）采用双电源供电，确保一路电源故障时另一路自动投入。例如，某写字楼项目对消防泵、电梯等负荷采用“市电 + 柴油发电机”双重供电，切换时间控制在10 秒内，显著提升了应急保障能力（赵亮，2022）。

2. 设备选型与参数匹配

优先选用能效高、稳定性强的设备，如选用 S11 型及以上节能变压器，其过载能力与抗冲击性能更优；电缆选择需满足载流量要求，并预留 20% 以上的余量，避免长期满负荷运行。王海东等（2021）在研究中指出，优质设备的故障率可降低 50% 以上。

（二）引入智能监控与预警技术

通过构建供配电监控系统，实时采集电压、电流、温度等参数，实现故障的早期预警。例如，在变压器、配电柜内安装温度传感器，当温度超过阈值时自动报警，运维人员可及时处理，避免设备烧毁。刘芳等（2023）开发的智能监控平台，在某超高层建筑应用中，将故障排查时间从平均4 小时缩短至1 小时。

（三）强化运维管理

1. 建立定期巡检制度

制定月度、季度、年度巡检计划，重点检查设备接头温度、绝缘性能、接地电阻等，记录设备运行数据，形成运维档案。例如，某住宅小区通过季度巡检发现低压柜内断路器接触不良，及时更换后避免了停电事故（陈明，2022）。

2. 完善应急预案

针对电网停电、设备故障等场景制定专项预案，定期开展应急演练。如每年组织柴油发电机启动演练，确保应急电源在真实故障中可靠运行；明确故障处理流程，缩短故障恢复时间。

（四）应对外部风险

加强防雷接地系统设计，在屋顶安装接闪器，配电系统加装浪涌保护器（SPD），降低雷击损害；对于电网供电不稳定的区域，可配置储能系统，在电网断电时作为过渡电源，保障关键负荷供电。

五、工程案例分析

以某 35 层综合商业大厦为例，该建筑包含商场、办公区及公寓，总建筑面积 8.5 万平方米，用电负荷峰值达 5000kVA。其供配电系统设计中采用了多项可靠性提升措施：

1. 电源配置：采用双路 10kV 市电供电，配备 2 台 800kW 柴油发电机作为应急电源，确保消防、电梯等一级负荷的连续供电；

2. 设备选型：变压器选用 SCB14 型干式变压器，具有抗短路能力强、损耗低的特点；低压断路器采用施耐德MT 系列，具备智能脱扣保护功能；

3. 智能监控：安装供配电自动化系统，实时监测各回路电流、电压及设备温度，异常情况通过手机APP 推送报警信息；

4. 运维管理：每周开展设备巡检，每月进行应急电源切换试验，每年进行负荷测试与设备维护。

该大厦自 2020 年投入使用以来，未发生重大停电事故，年均停电时间控制在 30 分钟以内，应急电源切换成功率 100% ，验证了上述措施的有效性（周明等，2022）。

六、结论与展望

高层建筑供配电系统的可靠性提升需贯穿设计、建设、运维全生命周期，通过优化设备选型、强化冗余设计、引入智能技术及完善管理机制，可显著降低故障风险。未来，随着分布式能源（如光伏、储能）的接入，供配电系统将向“源网荷储”一体化方向发展，需进一步研究多能源协同运行对可靠性的影响，探索更智能、灵活的可靠性保障方案。

参考文献

[1] 李光辉, 张婷. 高层建筑供配电系统可靠性设计要点分析[J]. 建筑电气,2021, 40(5): 32-36.

[2] 王健 , 刘军 . 冗余设计在高层建筑应急供配电系统中的应用 [J]. 电气应用 , 2022, 41(2): 45-49.

[3] 张磊 , 赵敏 . 智能监控技术提升高层建筑供配电可靠性的实践 [J]. 自动化与仪器仪表 , 2023(3): 189-192.

[4] 王海东 , 陈亮 . 供配电设备选型对系统可靠性的影响研究 [J]. 电力工程技术 , 2021, 40(6): 78-82.

[5] 周明, 吴杰. 某商业大厦供配电系统可靠性优化案例分析[J]. 建筑科学,2022, 38(8): 102-106.

[6] 刘芳 , 黄伟 . 供配电自动化系统在高层建筑中的应用 [J]. 电工技术 ,2023(11): 67-69.