某奥体中心能源中心供配电设计与监控系统应用

徐霜

安科瑞电气股份有限公司 上海 嘉定 201801

    1 引言

    体育馆是指具有一定观众容量，场地符合举办各种体育比赛要求的体育建筑。根据《体育建筑设计规范JGJ31-2003》，其用电特点主要为[1]：

    1）、重大比赛或演出中断供电会造成较大的政治、经济影响；

    2）、场内人员密集，安防、消防设备供电必须可靠；

    3）、使用时段性强，平时与比赛时负荷相差很大；

    4）、场地照明、摄像转播及体育工艺用电量大，设备分散，对电源质量要求高。

    依据《2009全国民用建筑工程电气设计技术措施/电气》要求，体育场馆电气设计应安全可靠、经济合理、技术先进、整天美观、维护管理方便；电气设计应对电池、声、光污染采取综合治理，达到环境保护相关标准的要求，确保人居环境安全；电气装备水平应与工程的功能要求和使用性质相适应；电气设备应选择符合国家技术标准的产品，并应采用成熟、有效的节能措施，降低电能消耗。

    体育馆变电所位置和数量的确定除需要考虑尽量设在负荷中心外，还要特别注意验算末端用电设备电压偏移，采取减小电压偏移的措施，保证电压偏移不超过允许值。

    主接线设计时要注意安全性和可靠性要求。安全性即在高压断路器的电源侧及可能反馈电能的另一侧，必须装设高压隔离开关。在低压断路器的电源侧及可能反馈电能的另一侧，必须装设低压刀开关。在装设高压熔断器-负荷开关的出线柜母线侧，必须装设高压隔离开。变配电所高压母线上及架空线路末端，必须装设避雷器。装于母线上的避雷器，宜与电压互感器共用一组隔离开关。接于变压器引出线上的避雷器，不宜装设隔离开关。

    可靠性即变配电所的主结线方案，必须与其负荷等级相适应。对一级负荷，应有两个电源供电。对二级负荷，应有两回路或者一回专用架空（电缆）供电；采用电缆供电时，应采用两根电缆组成的线路，且每根电缆应能承受 100%的二级负荷。变配电所的非专用电源进线侧，应装设带短路保护的断路器或串熔断器的负荷开关。当双电源供多个变配电所时，宜采用环网供电方式。变配电所低压侧的总开关，宜采用低压断路器。当有继电保护或自动切换电源要求时，低压侧总开关和低压母线分段开关，均应采用低压断路器。

    2 项目简介

    本项目奥体中心主要由体育场、体育馆、游泳馆、网球中心、中心商业区及地下车库组成，总建筑面积约36万m2，建成后将成为标志性建筑及新城区内大规模商业娱乐综合体。能源中心是奥体中心的配套设施，位于整个场地的东北角，是整个奥林匹克体育中心的主要动力中心，主要由锅炉房、冷冻机房与水泵间、变配电室组成，室外另有蓄水罐、冷却塔。 建筑面积约1200m2 ，为半地下建筑。与常规能源中心变配电系统不同的是冷冻机组采用的是10kV 高压供电方式[2]。

图 1 奥体中心全景

    3 负荷等级

    由于奥体中心在全运会其间的重要性，其空调及热水等动力负荷按二级负荷考虑，因此本能源中心电力负荷为二级，二级负荷容量3559.5kW,其中4 台冷水机组容量为2476 kW。

    4 电压等级确定

    根据暖通专业方案论证结果，采用水蓄冷能源方式，其中冷水机组4 台，单台容量平均在600 kW左右，如果低压380V 供电，则每台冷水机组的供电电流将达到1000A以上,对开关、电缆、启动保护等设备的选择将是具有挑战性的,经过简单经济技术比较，冷水机组决定采用高压10kV 供电。

    5 供配电系统设计

    本工程由位于体育馆内的东区总变配电站不同母线段引两路10kV 电源，两路电源单母线分段接线，同时工作。正常运行时,两路电源分列运行，各承担50%的负荷；当一路电源发生故障时,线路保护动作,无压掉闸,分段开关自动/手动投入运行，另一路电源可承担全部负荷。变配电室内设高压柜10面，高压冷水机组控制柜4 面（与机组配套），2 台1000kVA 变压器及低压配电柜8 面、控制柜11 面(泵类)。

    5.1高压供配电系统

    高压配电柜采用SF6 绝缘紧凑型开关柜，考虑能源中心单独计量，设立了计量柜。进线及母联采用真空开关，馈线为负荷开关熔断器组合电器。进线柜配两段定时限过流保护、两段零序定时限保护、无压跳闸保护，当一路电源发生故障时,线路保护动作,无压跳闸,母联开关自动/手动投入；母联柜设电流速断、过电流保护。电流速断保护合闸后解除。馈线柜配熔断器保护、变压器高温(报警)、变压器超温(掉闸)保护。

    进线及母联开关采取防并联措施，即三个开关最多只能有两个开关同时处于合闸位置。操作及信号电源为直流110V，65Ah。

    高压冷水机组控制柜为金属铠装移开式，内设温、湿度传感器，温度或湿度过高均会发出报警信号，并具除湿功能。其微机综合保护模块具有过电流、过负荷、接地故障、短路、相不平衡、电压过高、电压过低、错相、反相等保护，为使电气设备的绝缘免受过电压的损害，另选配三相组合式氧化锌避雷器。

    高压功率因数就地补偿，每台高压冷水机组控制柜内装设并联补偿电容器，使补偿后的功率因数大于0.92。配电图如图2。

图2 高压供配电系统

    根据保护功能配置要求，进线柜选用安科瑞公司的AM5-F线路保护测控装置，母联柜选用AM5-B母联保护装置，变压器馈线柜选用AM5-T变压器保护测控装置，高压冷水机控制柜选用AM5-M电动机保护测控装置。

    各装置详细功能与报价见表1。

    表1 高压配电方案二次设备清单

    5.2 低压供配电系统

    低压配电系统为两级。单台大容量设备放射式供电，其他为树干分支式。

    单台装机容量为75kW、90kW 的冷却水循环泵、冷冻水一次泵采用软启动，单台装机容量为160kW 的冷冻水二次泵采用变频控制，控制柜置于变配电室低压侧。锅炉控制设备设于值班室，其他小容量用电设备的配电及启动装置在设备临近处。

    变压器负载率为60%~65%，对于任一变压器组，其中的1 台变压器故障时，另一台变压器可在一定时间内工作在110%~130% 负载率，负担所有低压二级负荷。

    低压供配电系统见图3。

图3 低压配电系统

    低压柜采用抽屉式开关柜，主进线柜设三段保护：长延时、短延时、瞬时过电流保护；母联柜设瞬时过电流保护；馈电柜设长延时、短延时、瞬时过电流保护。低压配电线路上选用安科瑞公司的ALP智能型低压线路保护装置进行线路保护，选用ACR系列监测仪表进行出线柜电量监测。具体设备清单见表2。

    表2 低压配电线路设备清单

    5.3 谐波监测与治理

    由于非线性负载的使用会产生谐波，会导致微机保护装置误动作，造成不必要的供电中断；谐波还会使电气测量仪表计量不准确，产生计量误差，因此须合理有效的抑制谐波干扰。

    低压配电谐波抑制方案如图4所示，本方案中在低压电容器柜中设置ARC系列无功补偿器，在配电前端设置安科瑞公司的ANAPF有源滤波器，采用集中方式抑制谐波。在各出现柜上设置ACR330系列谐波监测仪表，用于监测2-31次谐波。

    ANAPF有源滤波器以并联方式接入电网，通过实时监测负载的谐波和无功分量，采用PWM变流技术，从变流器中产生一个和当前谐波分量和无功分量对应的反响分量并实时注入电力系统，实现谐波治理和无功补偿。本谐波抑制方案具体设备清单如表3。

图4 低压配电系统谐波抑制方案

    表3 谐波抑制方案设备清单

    5.4 漏电火灾监测

    由于体育馆内人员密集，安防、消防设备供电必须可靠，有效地防止电气火灾的发生，保证广大观众和运动员的安全。Acrel-6000电气火灾监控系统由漏电（包括电流）探头、探测控制器和监控设备三部分组成。探测控制器与漏电（电流）探头需配套使用。所有需要监控的电路分支点均安装，探测控制器均并联于二总线上，监控设备由一台工业控制用PC机及外围设备组成。监控系统如图5，采用Acrel-6000/Q琴台式监控设备，消防火灾监控系统中所有设备清单见表4。

    专用管理软件能实时动态地显示各个监控点的工作情况，值班人员在控制中心通过观察计算机屏幕就可以了解所有监控点的工作情况。监控设备具有庞大的数据库，能够存储配电系统产生的所有情况记录，便于有关人员查询和分析。

图5 漏电火灾监测系统

    表4 消防火灾监控系统设备清单

    5.5 电能计量

    本奥体中心内的普通照明，锅炉、水泵、通风等动力电能计量采用安科瑞公司的终端电能计量计，该计量计采用DIN35mm导轨式安装，能计量电能及其它电参量，可进行时钟、费率时段等参数设置，并具有电能脉冲输出功能；可用RS485通讯接口与上位机实现数据交换。电能集抄系统采用国网集抄形式，即分为主站、集中器、采集器、终端仪表4层。所用仪表清单见表5。

    表5 电能计量设备清单

    5.6变配电室布置及土建条件

    该项目能源中心建筑于岩石层上，层高不低于5.7m，考虑向下挖沟及做电缆夹层的工程量较大（需要炸石），原设计高低压柜进出线均为上进上出方式，电缆桥架敷设。但因SF6 绝缘紧凑型高压开关柜柜型限制，只能下进下出，因此在施工图设计中，我们将高压配电柜做局部基础抬高处理。

    由于高压设备的配电设计需由当地供电部门审核及深化，2008年5月供电部门提出原设计高压配电柜（SF6 绝缘紧凑型开关柜）柜前操作距离只能按平台宽度算，6 0 0 m m 不够，此建议将高压室部分（包括高压配电柜及冷水机组控制柜）整体抬高。经过与建筑及结构专业协商，为保持变配电室的完整性，尽可能沿用原变配电室布置，减少土建改动，我们决定变配电室低压部分也随高压部分抬高，柜下设沟，取消配电柜上方电缆桥架，进出线均为下进下出。目前此工程施工已经完成。

    6 结论

    配电系统设计在减少不合理损耗的前提下还必须遵循以下原则：

    1）、体育馆配电系统设计，在条件允许的情况下，尽可能采用数字化电能监察及控制仪表。针对体育馆供电半径大，变配电所布点多的特点，设置智能化配电控制系统，可以提高对配电系统运行的有效管理和监控，最大限度的减少电能逸损，提高配电系统的运行效率。

    2）、现下体育馆电气设计中所选用的配电变压器都具有较好的过载能力，因此配电系统设计应充分挖掘变压器的这种潜力。在系统设计时和对配电容量分配上!每台变压器对应的低压母线段应平衡的布置长时耗负荷，如照明用电负荷等；间歇行负荷，如活动室用电负荷等；以及季节性用电负荷，如空调用电负荷等，而对不同类型的配电负荷均应设置独立的馈电回路。通过实际运行时的合理调度控制，即可最大限度的消峰填谷，达到节约电能，减少不合理损耗的目的。

    7 参考文献

    [1]体育馆的供配电系统设计.王学源.魅力中国.2010年5月(上)总113期

    [2]济南奥体中心能源中心供配电设计.孙宝莹.智能建筑电气设计.2009.6 第3卷第3期

    [3]能效管理系统设计安装图册.安科瑞电气股份有限公司.2013年合订本

    [4]2009全国民用建筑工程设计技术措施/电气.中国建筑标准设计研究院

    作者简介：

    徐霜，女，本科，安科瑞电气股份有限公司，主要研究方向为智能配电系统设计<