一種基于智能配電系統在醫療建筑中應用的低壓母聯自動切換方案

李沛巖

(中衡設計集團股份有限公司, 北京 100044)

0 引言

在二級、三級醫院的電氣配電系統中，存在一級負荷和一級負荷中的特別重要負荷設備，采用雙重電源為成組的變壓器供電，當其中一臺變壓器斷開時，另一臺變壓器的容量應能滿足這組變壓器的全部二級及以上負荷的供電。因此，醫院的配電系統一般采用“兩路高壓進線，低壓單母線分段、中間設置聯絡開關，并設有可切換至柴油機供電的消防應急母線段和醫療保障應急母線段”的接線型式。這種接線型式可以保證在一路電源故障時，由另一路電源所帶的變壓器來承擔供電負荷，但因一臺變壓器容量有限，無法承擔全部負荷，而二級及以上負荷比較重要，突然停電后將造成比較嚴重的損失，所以，為保證二級及以上負荷的供電，傳統的方式是卸載所有三級負荷的供電。這種電源轉換方案安全可靠，然而在醫院建筑內，三級負荷所包含的部分醫療設備、以及大部分門診和病房等區域用電，雖在供電重要性上不及二級及以上負荷，但如停止供電，仍可能會導致部分診療過程的中止，或造成醫生和病患的心理恐慌，所以從醫院運營角度，維持某些三級負荷的供電也是有意義的。

在醫療建筑電氣的設計階段，一路電源故障時可帶的二級及以上全部負荷，按不超過另一路電源變壓器帶載能力進行核算，理論上有一定帶載能力的剩余。另外，還考慮到目前設計階段變壓器選型和實際運行情況存在偏差(比如，依據規范要求，按配電變壓器的長期工作負載率≤85%進行變壓器選型)，而在實際使用情況下，變壓器的負載率常常遠低于此值，也就是說，按現有的計算方式，變壓器的容量普遍偏大，而在進行變壓器一路故障時所帶二級及以上全部負荷的計算時，也是按同樣的方式，從這個角度，也會有部分帶載能力的富余。以上這些因素都可以為保障部分三級負荷的供電提供條件。

隨著智能配電系統的推廣使用，供配電系統自動化水平也越來越高，在傳統的供配電方案基礎上，通過對大量數據的采集、分析和邏輯判斷，進而自動進行電源轉換，可以充分利用變壓器尚未使用的帶載能力，以維持部分三級負荷的供電，從而減小因電源檢修或故障造成的停電事故范圍。

1 低壓配電主接線

醫療建筑低壓配電系統主接線見圖1，當1#市政電源失電時，三級負荷卸載，低壓母聯投切，由2#市政電源所帶變壓器為所有二級及以上負荷供電；當2#市政電源失電時，三級負荷卸載，低壓母聯投切，由1#市政電源所帶變壓器為所有二級及以上負荷供電；當兩路電源同時故障，兩臺變壓器均停用時，柴油發電機啟動，TSE1和TES2切換至柴油機電源(兩路電源同時故障的情況下，變壓器停止供電，不涉及到低壓母聯自動轉換，本文不再進行進一步討論)。

圖1 醫療建筑低壓配電系統主接線圖

2 低壓母線自動切換方案

在醫院建筑的三級負荷中，雖然負荷等級相同，但其重要性仍存在差異，可以根據重要性進行分組處理。在工程設計中，具體分組需要與院方就運行維護的管理方面進行深入探討，本文僅提供一種分組思路。依據重要性，將三級負荷分為A、B、C、D四組，其中A組主要為與醫療流程相關的負荷，可包含門診和醫療區域的照明插座、醫療設備、醫療水處理設備、制氧站、污水處理設備；B組可包含非醫療功能性區域，包括廚房及餐廳設備、辦公區的照明插座；C組主要為保證醫患區舒適性相關的負荷，包括制冷機房、冷卻塔、空調系統、新風及排風設備，熱水供水設備；D組包括車庫充電樁等其他不重要的場所。

將以上負荷分組后，通過智能配電系統對分組電流進行累加統計及記錄，如一路電源發生故障，可將故障前一段時間(推薦10min以內)的數據，進行加權平均處理，并作為統計值，A、B、C、D四組負荷電流累加統計值分別為ΣI3Ai、ΣI3Bi、ΣI3Ci、ΣI3Di。同時，要采集統計二級及以上負荷電流累加統計值ΣIZi，主進線電流IJ1、IJ2，并要輸入低壓主進線開關的長延時整定電流Ir。需要說明的是，功率因數不同的負荷的電流值不能直接相加，但因工程中大多數負荷電流的功率因數差別不是很大，且在轉換方案中作為判據使用的精確性要求不高，故在累加過程中忽略了功率因數差異的影響。

引入K1和K2兩個調整系數。K1是為了保證投入后的電流略小于主進線開關，避免造成主進線開關跳閘，K1取值可為0.95≤K1<1。K2是考慮功率因數的影響，因為主進線開關電流是低壓負荷經集中無功補償后的電流值，且各組統計負荷的功率因數不同可能引起誤差，所以累加的電流和相對于主進線開關偏大，要進行一定程度的修正。如果統計過程不采用電流值累加，而是直接用有功和無功分別累加，并計入實際無功補償，計算數值可不用K2值修正。K2計算公式見式(1)。

K2=cosφ2/cosφ1

(1)

式中，cosφ1為負載預估平均功率因數；cosφ2為系統無功補償后功率因數。

K2可直接計算，也可以依據表1進行選擇，或可根據實際經驗取1.05≤K2≤1.2。

K2取值對應表 表1

自動投切用以下公式進行邏輯判斷。

(1)當K1Ir≥IJ1+IJ2時，說明兩臺變壓器總的負載率較低，三級負荷無需卸載。

(2)當K1Ir

1)當ΣIZi+ΣI3AiΣI3Bi+ΣI3Ci≤K2Ir<ΣIZi+ΣI3Ai+ΣI3Bi+ΣI3Ci+ΣI3Di時，說明一臺變壓器的容量可以承擔不包含D組負荷外的所有負荷，只需卸載D組負荷。

2)當ΣIZi+ΣI3Ai+ΣI3Bi≤K2Ir<ΣIZi+ΣI3Ai+ΣI3Bi+ΣI3Ci時，說明一臺變壓器的容量可以承擔不包含C、D組負荷外的所有負荷，需卸載C、D組負荷。

3)當ΣIZi+ΣI3Ai≤K2Ir<ΣIZi+ΣI3Ai+ΣI3Bi時，說明一臺變壓器的容量可以承擔不包含B、C、D組負荷外的所有負荷，僅保留A組負荷。

4)當ΣIZi≤K2Ir<ΣIZi+ΣI3Ai時，說明一臺變壓器的容量僅可以承擔不包含三級負荷外的所有負荷，需卸載所有三級負荷。

5)當ΣIZi>K2Ir時，說明一臺變壓器的容量可能無法承擔二級及以上負荷，需提示變電所維護人員，運維人員需在滿足變壓器一定過負荷能力的條件下及時采取相關措施。

K1和K2的取值，均由理論計算或經驗取得，與實際值會存在偏差，在實際使用中，工程技術人員可以在正常使用情況下，通過數據模擬斷電工況，并修正K1、K2，以更貼近實際工況，這樣可以更充分地利用變壓器的容量。在修正過程中，更可以依據運行大數據引入時間預測因子，以便更大程度地提高變壓器容量的利用率。

結合以上所述，本文的低壓母線自動切換方案是按以下過程進行：當1#市政電源失電時，智能配電系統進行相關電流值邏輯判斷，按判斷結果卸載部分三級負荷，而后低壓母聯自動投切，由2#電源所帶變壓器為所有二級及以上負荷和可維持的三級負荷供電；當2#市政電源失電時，智能配電系統進行相關電流值邏輯判斷，按判斷結果卸載部分三級負荷，而后低壓母聯自動投切，由1#電源所帶變壓器為所有二級及以上負荷和可維持的三級負荷供電。

為了電源備用自動投切裝置的動作可靠，應保證在工作電源可靠斷開后再投入備用電源，并應有一定延時，本方案在一路電源確認斷開后，需經過一段時間延時，再進行備用電源投切。

電源復歸是當主用電源恢復正常后，由備用電源再轉換到主用電源供電的過程。因為電源復歸是由一臺變壓器的負荷分配至兩臺變壓器，在確認主電源可靠恢復后，不存在負荷過載的問題，故可以采用自動復歸方式。自動復歸有不斷電復歸和斷電延時復歸兩種方式，兩者各有優缺點，其中不斷電復歸供電連續性好，但要避免瞬間并聯造成的環流問題；斷電延時復歸會影響供電的連續性，但其更為安全可靠。在醫院供配電系統中，有需要保證供電連續性的場所已經在某區域集中或末端采用了大量雙電源自動轉換裝置和UPS，其電源切換過程并不依托于低壓母聯的復歸動作，而其他需由母聯歸復完成電源切換的負荷供電連續性要求并不高，因此，本方案采用斷電延時復歸電源的方式更合適。

3 需注意的其他問題

首先，母聯開關自動投切，投入的負荷是在同一時間投入到一臺變壓器的，屬于大負荷投入母線的情況，可能會造成母線電壓的波動，需要依據式(2)進行校核，并在理論上滿足配電母線的電壓要求。

(2)

式中，ustB為負荷投入時配電母線電壓相對值；us為電源母線電壓相對值，取1.05；SscB為配電母線短路容量，MVA；QL為預接負荷的無功功率，MVar；Sst為接入母線負荷的計算啟動容量。

其次，三級負荷存在較多大容量電機，尤其是制冷機組，其啟動電流較大，投入母線時，對變壓器保護整定和配電母線電壓都有影響，如制冷機組較大，建議采用降低啟動電流的啟動方式，并對設備啟動進行校驗。如無法滿足要求，則建議不采用本文的自動投切方案，要轉由手動操作進行投切，并優先投切啟動電流與額定電流差值較大的負荷。

另外，要就脫扣方式進行說明，因本方案采用有選擇的分組卸載方式，故需在三級負荷回路設置分勵脫扣裝置。在一路電源故障的斷電期間，智能配電系統進行邏輯判斷，由智能配電系統發出分勵信號，使負荷斷路器跳閘，從而卸載相應的負荷回路，而后再進行母聯投切。

最后，還要注意，單路電源故障時，另一路電源由于三級負荷的接入，帶載容量可能會增大，并可能會對區域電網規劃產生影響，需要提前與供電部門確認電源的應用情況。

4 結束語