某中外合作高校培訓(xùn)樓配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓愚拙， 傅衛(wèi)東， 張 琪， 徐寬帝

（中衡設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，蘇州215021）

0 引言

近年來，隨著中國(guó)科技的進(jìn)步與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)于教育國(guó)際化的要求越來越高，也涌現(xiàn)出一大批國(guó)際知名學(xué)府落戶中國(guó)，本文以昆山某中外合辦高校的培訓(xùn)樓為例，介紹了其與國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)思路略有不同的供配電系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)思路。

1 項(xiàng)目概述

本工程地上四層，建筑高度約22.9m，建筑面積約17 487m2。一至三層A、B區(qū)功能為行政辦公及教室，C區(qū)主要為實(shí)驗(yàn)室；四層主要為設(shè)備機(jī)房包括空調(diào)機(jī)房、配變電室、熱交換站、直飲水機(jī)房等。

2 供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 供電方案

由前文概述可知，本項(xiàng)目在同一單體內(nèi)囊括了三種不同的功能形態(tài)，由于生物、化學(xué)、物理及環(huán)境實(shí)驗(yàn)室的存在，本項(xiàng)目的供電要求很高：首先，在四層設(shè)備層設(shè)置2×2 000kVA變電所，采用雙重電源供電；其次，對(duì)于實(shí)驗(yàn)室用電以及實(shí)驗(yàn)室用空調(diào)系統(tǒng)、冷卻水泵、工藝排風(fēng)及相關(guān)自控負(fù)荷需要有柴油發(fā)電機(jī)保障，同時(shí)要求柴油發(fā)電機(jī)需要滿足在失去市電后能夠連續(xù)運(yùn)行48h；最后，對(duì)于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部一些極其重要的設(shè)備，另需設(shè)置UPS系統(tǒng)保障其不間斷供電。

本項(xiàng)目供電方案拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 供電方案拓?fù)鋱D

為便于梳理不同負(fù)荷的供電要求和范圍，筆者將負(fù)荷及其對(duì)應(yīng)的電源種類列表，如表1所示。

供電分類表 表1

2.2 一種優(yōu)化的負(fù)荷卸載方法

本工程初始的變壓器的負(fù)載率不高，為了提高供電系統(tǒng)的可靠性和冗余，筆者在設(shè)計(jì)中引入ATMT的自動(dòng)母聯(lián)系統(tǒng)，使得一些保障負(fù)荷的自動(dòng)轉(zhuǎn)換及三級(jí)負(fù)荷的切除在變電所處集中實(shí)現(xiàn)以提高系統(tǒng)的魯棒性。采用“先投母聯(lián)，再卸載”的方式，當(dāng)一側(cè)電源故障停電后，母聯(lián)自投，全部負(fù)荷均由一臺(tái)變壓器供電；如果變壓器運(yùn)行一段時(shí)間后未發(fā)生過載，則不需要卸載三級(jí)負(fù)荷；如果變壓器發(fā)生了過載，則通過卸載信號(hào)，讓兩段母線上部分或全部三級(jí)負(fù)荷回路分勵(lì)脫扣，將負(fù)荷切除。變壓器是否出現(xiàn)過載，可通過低壓主進(jìn)斷路器實(shí)測(cè)的負(fù)荷電流進(jìn)行判斷。通常主進(jìn)斷路器的長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)設(shè)定值Ir接近于或等于變壓器低壓側(cè)額定電流，當(dāng)實(shí)際負(fù)荷電流超過Ir時(shí)，即可判定變壓器發(fā)生了過載，此時(shí)發(fā)出信號(hào)，進(jìn)行自動(dòng)卸載。當(dāng)電源恢復(fù)正常，母聯(lián)自復(fù)之后，由人工采用手動(dòng)方式給三級(jí)負(fù)荷回路恢復(fù)供電。

圖2中兩臺(tái)進(jìn)線斷路器Qs1、Qs2和母聯(lián)斷路器Qtie之間設(shè)電氣聯(lián)鎖，并采用母聯(lián)自投裝置。其中，Qs1和Qs2采用空氣斷路器，配有智能控制單元，該控制單元具有根據(jù)電流卸載和恢復(fù)的功能，兩臺(tái)進(jìn)線斷路器Qs1、Qs2還需具有M2C可編程觸點(diǎn)。該觸點(diǎn)是斷路器內(nèi)部的繼電器，為兩個(gè)獨(dú)立的常開觸點(diǎn)（S1，S2），用來指示瞬時(shí)或延時(shí)的閾值超限以實(shí)現(xiàn)母聯(lián)自動(dòng)投切后的兩步卸載。當(dāng)一臺(tái)變壓器失電時(shí)母聯(lián)斷路器Qtie自動(dòng)合閘，通過智能控制單元判斷一臺(tái)變壓器帶全部荷載時(shí)的運(yùn)行電流，與設(shè)定的第一檔閥值（3 300A，即1.1倍主斷的整定值）做比較，如果在延時(shí)到來時(shí)，運(yùn)行電流沒有降至閥值以下，則進(jìn)行第一步卸載，切除室外泛光，室外景觀，A區(qū)空調(diào)，并發(fā)出報(bào)警“變壓器負(fù)載率太高，已有部分三級(jí)負(fù)荷被切除”。完成第一步卸載后，智能控制單元繼續(xù)判斷，將運(yùn)行電流與設(shè)定的第二檔閥值（2 700A，即0.9倍主斷的整定值）做比較，如果在延時(shí)到來時(shí)，運(yùn)行電流沒有降至閥值以下，則切除全部三級(jí)負(fù)荷，僅保障項(xiàng)目?jī)?nèi)的一二級(jí)負(fù)荷。

傳統(tǒng)的負(fù)荷卸載方式是“先卸載三級(jí)負(fù)荷，再投母聯(lián)”，未能充分利用變壓器的帶載能力，給三級(jí)負(fù)荷持續(xù)供電。本設(shè)計(jì)通過“先投母聯(lián)，再根據(jù)電流卸載”的優(yōu)化負(fù)荷卸載解決方案。利用智能型空氣斷路器對(duì)電流的監(jiān)測(cè)和卸載功能，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地反映變壓器的負(fù)荷率，并根據(jù)預(yù)設(shè)的電流卸載閾值和延時(shí)設(shè)定，進(jìn)行自動(dòng)卸載。既防止了變壓器過載、保障了重要負(fù)荷的供電，呼應(yīng)了本項(xiàng)目作為中外合辦高校的供電高可靠性要求，又極大地改善了一般性負(fù)荷的供電連續(xù)性。另外ATMT的應(yīng)用還省去了對(duì)二級(jí)負(fù)荷末端切換的要求，節(jié)省了末端配電箱內(nèi)的ATS和電纜。

圖2 低壓母聯(lián)自投及負(fù)荷卸載電路圖

2.3 柴油發(fā)電機(jī)容量計(jì)算

在外方的要求中，對(duì)柴油發(fā)電機(jī)有需要連續(xù)工作48h的要求，因此，對(duì)于柴油發(fā)電機(jī)容量的確定不僅影響柴油發(fā)電機(jī)本身的初投資，也會(huì)影響到室外油罐的設(shè)計(jì)。由于柴油發(fā)電機(jī)的很大一部分負(fù)荷是B、C區(qū)空調(diào)，因此在說明發(fā)電機(jī)容量計(jì)算前，有必要簡(jiǎn)單介紹一下本項(xiàng)目的空調(diào)系統(tǒng)。

本項(xiàng)目的冷源設(shè)置在已建動(dòng)力站的制冷機(jī)，熱源為市政蒸汽。B、C區(qū)的四樓設(shè)備層內(nèi)設(shè)置有兩臺(tái)AHU空調(diào)箱以及一臺(tái)為特殊溫濕度要求房間設(shè)置的風(fēng)冷模塊化冷水機(jī)組，兩臺(tái)AHU采用共管并聯(lián)設(shè)計(jì)，平時(shí)可以起到互相備份的作用。在最初計(jì)算時(shí)，筆者所在單位按照手冊(cè)推薦的常規(guī)需要系數(shù)考慮，并進(jìn)行了計(jì)算，具體計(jì)算圖如表2所示。

由計(jì)算可知，如果選用一臺(tái)常用功率1 125kVA，備用功率1 250kVA的柴油發(fā)電機(jī)，負(fù)載率會(huì)達(dá)到0.98，雖然規(guī)范允許柴油發(fā)電機(jī)短時(shí)過載至110%，但是顯然按照目前選型是無法響應(yīng)外方需要柴油發(fā)電機(jī)連續(xù)運(yùn)行48h的要求，那是否就只能選擇一臺(tái)大一級(jí)（常用功率1 250kVA，備用功率 1 400kVA）的柴油發(fā)電機(jī)，是否有更佳的解決方案？

進(jìn)一步分析負(fù)荷和組成和運(yùn)行情況時(shí)，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)負(fù)載中約有65%為空調(diào)設(shè)施的用電（包括風(fēng)冷熱泵，循環(huán)水泵，B、C區(qū)二臺(tái)AHU），綜合樓B、C區(qū)實(shí)際上有兩種功能形態(tài)，分別為實(shí)驗(yàn)室和辦公教室，面積比例約為6∶4（實(shí)驗(yàn)室區(qū)域60%，辦公教室區(qū)域40%），B、C區(qū)域空調(diào)負(fù)荷由兩臺(tái)AHU及一臺(tái)風(fēng)冷熱冷承擔(dān)，根據(jù)外方招標(biāo)文件要求的實(shí)驗(yàn)室相關(guān)用電負(fù)荷的供電等級(jí)，兩臺(tái)AHU及風(fēng)冷熱泵均由柴油發(fā)電機(jī)作為保障，其中實(shí)驗(yàn)室部分空調(diào)末端可變風(fēng)量調(diào)節(jié)的文丘里閥及其自控控制也由柴油發(fā)電機(jī)保障，而辦公教室部分空調(diào)末端VAV box及其自控不需要也未設(shè)計(jì)柴油發(fā)電機(jī)供電。那么，在兩路市電斷電后，辦公教室部分空調(diào)末端會(huì)完全失電，約40%面積的空調(diào)負(fù)載被卸去，空調(diào)主機(jī)及水泵系統(tǒng)采用變頻運(yùn)行，負(fù)載率會(huì)降至滿負(fù)荷運(yùn)行工況的70%，在這種情況下，風(fēng)冷熱泵、AHU、水泵的需要系數(shù)相對(duì)于市電供電時(shí)也需要乘以0.7的系數(shù)，分別調(diào)整為0.6、0.5、0.5。按照如上分析后，柴油發(fā)電機(jī)的負(fù)荷計(jì)算更新如表3所示。

發(fā)電機(jī)（常用功率1 125kVA，備用功率1 250kVA）負(fù)荷計(jì)算（I） 表2

按照調(diào)整后的計(jì)算，負(fù)載率為80.3%，滿足長(zhǎng)期運(yùn)行不大于85%負(fù)載率的要求，最終仍然選擇了一臺(tái)常用功率1 125kVA、備用功率1 250kVA的柴油發(fā)電機(jī)。這個(gè)計(jì)算結(jié)果最終也得到了外方及外方聘請(qǐng)的機(jī)電顧問公司的認(rèn)同。在最終調(diào)試階段，發(fā)電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行工況驗(yàn)證了以上分析的正確性，柴油發(fā)電機(jī)的容量完全夠用，既響應(yīng)了業(yè)主的需求，也降低了過度設(shè)計(jì)帶來的浪費(fèi)。

3 結(jié)束語

在設(shè)計(jì)這類國(guó)外知名學(xué)府時(shí)，由于標(biāo)準(zhǔn)高、要求嚴(yán)，在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，由業(yè)主及其外聘的顧問公司針對(duì)初步設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)組織了共計(jì)四次的圖紙會(huì)審，每一輪都經(jīng)過了充分的討論，每一部分的設(shè)計(jì)都需要精細(xì)的計(jì)算去支持，最終還補(bǔ)充了電子信息系統(tǒng)雷電防護(hù)計(jì)算書、電纜熱穩(wěn)定計(jì)算書、母線動(dòng)穩(wěn)定計(jì)算書、短路電流計(jì)算書、UPS計(jì)算書等技術(shù)文件。如何用精細(xì)化的設(shè)計(jì)來滿足客戶在使用和投資上的要求也是未來設(shè)計(jì)的方向，是設(shè)計(jì)行業(yè)的必由之路。