上海國(guó)際舞蹈中心供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄒 琪

(上海市建工設(shè)計(jì)研究總院有限公司, 上海 200235)

0 引 言

上海國(guó)際舞蹈中心是國(guó)際一流的舞蹈藝術(shù)的演出場(chǎng)所、教育和培訓(xùn)中心,總建筑面積為84 930 m2,建筑高度為24 m,項(xiàng)目?jī)?nèi)有上戲舞蹈學(xué)院、上戲舞蹈學(xué)校、上海芭蕾舞團(tuán)、上海歌舞團(tuán),此外還有一個(gè)1 200座的舞蹈劇院和300座的合成排演廳。

該工程具有以下特點(diǎn):

(1) 學(xué)校、辦公、劇院等多業(yè)態(tài)組合的綜合體,建筑功能多且空間復(fù)雜。

(2) 劇院定位高端,設(shè)備先進(jìn)。

(3) 該項(xiàng)目?jī)?nèi)存在4家單位,負(fù)荷特性和管理要求不同。

根據(jù)以上特點(diǎn),本文按供配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程對(duì)供電電源、變壓器容量選擇、變電所位置和低壓配電系統(tǒng)進(jìn)行了介紹。

1 供電電源

1.1 負(fù)荷分級(jí)

該項(xiàng)目?jī)?nèi)的劇院定位為國(guó)際一流的舞蹈專用演出場(chǎng)館,其供電要求按甲級(jí)劇院實(shí)施。根據(jù)民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范,劇院內(nèi)的舞臺(tái)照明、貴賓室、演員化妝室、舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備、消防設(shè)備、電聲設(shè)備、安防系統(tǒng)電源、客梯電力、生活泵、排污泵及消防電源等按一級(jí)負(fù)荷要求供電[1]。

該項(xiàng)目?jī)?nèi)其他建筑單體屬于多層學(xué)校和辦公樓,其安防系統(tǒng)電源、客梯電力、生活泵、排污泵及消防電源等按二級(jí)負(fù)荷要求供電。

1.2 供電方案

根據(jù)以上負(fù)荷等級(jí)的劃分,該工程采用兩路引自雙端的10 kV專線,兩路10 kV進(jìn)線分段運(yùn)行,不設(shè)母聯(lián)。 每一路10 kV電源均能承擔(dān)項(xiàng)目所有的一、二級(jí)負(fù)荷,以保證供電的可靠性。

1.3 應(yīng)急電源

該項(xiàng)目劇院規(guī)模按觀眾容量劃分為中型劇院,根據(jù)圖集D800-1～3《民用建筑電氣設(shè)計(jì)與施工》[2]的建議,兩路10 kV電源已經(jīng)滿足互為備用的要求,中型劇院不固定設(shè)置應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)。

另外,為了滿足一些重要演出項(xiàng)目的供電可靠性要求,并且也為了適應(yīng)國(guó)外演出團(tuán)體自帶特殊舞臺(tái)設(shè)備及燈光供電(110 V/60 Hz),在地面設(shè)置臨時(shí)租用柴油發(fā)電機(jī)電源引入端子箱。采用這種方式,可以在幾乎不增加建設(shè)初投資的情況下增加供電的可靠性和靈活性。

1.4 變壓器容量選擇

負(fù)荷統(tǒng)計(jì)和需要系數(shù)取值的大小決定該項(xiàng)目變壓器選擇的合理性:如變壓器選擇偏小,將減少建筑物用電的擴(kuò)展性,甚至影響正常使用;如變壓器選擇過大,造成設(shè)備容量的閑置,產(chǎn)生不必要的空載損耗。

該項(xiàng)目各棟建筑的負(fù)荷統(tǒng)計(jì)可以按學(xué)校、辦公樓、地下車庫(kù)和劇院4種類型劃分。劇院和合演中心用電量分別占項(xiàng)目總量的35%和20%。而在劇院和合演中心,舞臺(tái)工藝用電是最主要的部分,舞臺(tái)工藝用電的負(fù)荷計(jì)算將很大程度上影響變壓器選擇。因此,本文主要介紹劇院舞臺(tái)工藝設(shè)備容量的確定以及需要系數(shù)的取值。

1.5 劇院負(fù)荷容量計(jì)算

通過對(duì)劇院舞臺(tái)工藝進(jìn)行分析。劇院的舞臺(tái)設(shè)備由舞臺(tái)燈光、舞臺(tái)音響、上舞臺(tái)機(jī)械和下舞臺(tái)機(jī)械4部分組成。

1.5.1 舞臺(tái)燈光

在前期設(shè)計(jì)時(shí)舞臺(tái)工藝尚未完全確定的情況下,只能在參考以往類似項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)和工程手冊(cè),如國(guó)家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集D800-1《民用建筑電氣設(shè)計(jì)與施工》(中型劇院舞臺(tái)照明用電量在300～600 kW之間,需要系數(shù)取0.8)。

舞臺(tái)工藝往往受舞臺(tái)演出類型、劇院規(guī)模以及舞臺(tái)工藝發(fā)展的影響。根據(jù)舞臺(tái)燈光承包商提供的工藝資料,舞臺(tái)燈光用電包括設(shè)置在硅箱房?jī)?nèi)的5臺(tái)96路調(diào)光/直通柜(2 880 kW)、場(chǎng)燈/工作照明/臨時(shí)照明(250 kW)、觀眾廳LED屏幕(12 kW)、燈光控制室(14 kW)、總計(jì)3 156 kW,這與圖集中提供的數(shù)據(jù)出入很大,因此在首先滿足現(xiàn)實(shí)中舞臺(tái)燈光工藝的前提下,更要進(jìn)一步確認(rèn)圖集中提到的需要系數(shù)(0.8)的正確性。

經(jīng)過考察,包括國(guó)家大劇院、上海大劇院、文化廣場(chǎng)等多個(gè)劇院的主舞臺(tái)配電情況,其舞臺(tái)燈光回路的配出斷路器規(guī)格一般取2 000～2 500 A,折合可用計(jì)算功率為1 000～1 250 kW。按主舞臺(tái)設(shè)備燈光安裝功率3 000～4 000 kW考慮,得出一般舞臺(tái)燈光回路需要系數(shù)應(yīng)在0.3～0.4。在與外方舞臺(tái)設(shè)計(jì)師和國(guó)內(nèi)舞臺(tái)設(shè)備承包商多次溝通中也得到確認(rèn)。最終確定該項(xiàng)目舞臺(tái)調(diào)光回路需要系數(shù)取值為0.3。

1.5.2 舞臺(tái)音響

根據(jù)舞臺(tái)工藝要求,功放室為100 kW,音響控制室為14 kW,需要系數(shù)取值0.8。

1.5.3 上舞臺(tái)機(jī)械

劇院在舞臺(tái)頂部設(shè)置100多個(gè)吊桿以及大幕、二幕機(jī)、活動(dòng)臺(tái)口等設(shè)備。上舞臺(tái)機(jī)械除了大幕、二幕機(jī)等少量設(shè)備外大部分只在演出前作布景使用。根據(jù)工藝要求,上舞臺(tái)機(jī)械最多同時(shí)動(dòng)作10道桿。因此,上舞臺(tái)機(jī)械的同時(shí)使用率很低,需要系數(shù)僅0.2左右。

1.5.4 下舞臺(tái)機(jī)械

下舞臺(tái)機(jī)械包括樂池升降臺(tái)(34 kW)和布景升降臺(tái)(15 kW)。此部分機(jī)械在舞臺(tái)中同時(shí)運(yùn)行可能性較大,需要系數(shù)取0.8左右。

1.6 時(shí)間與負(fù)荷關(guān)系特點(diǎn)

通過調(diào)研,發(fā)現(xiàn)劇院和辦公樓的用電高峰是錯(cuò)開的。劇院與辦公用電峰時(shí)差異如表1所示。

表1 劇院與辦公用電峰時(shí)差異

根據(jù)上述情況,不能通過負(fù)荷密度法將項(xiàng)目中各單體用電容量進(jìn)行計(jì)算后疊加,而需要考慮將兩類負(fù)荷設(shè)置于同一變壓器組中,取容量大的負(fù)荷計(jì)入總?cè)萘恐?這樣可以有效降低總變壓器安裝容量。

1.7 變壓器容量

劇院的用電量占比較大,因此對(duì)劇院負(fù)載率高而辦公樓負(fù)載率低的情況進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算。通過對(duì)劇院的負(fù)荷以及辦公樓的設(shè)備情況分析,采用需要系數(shù)法計(jì)算得到總視在功率為6 400 kVA。

在得出計(jì)算負(fù)荷后,按合理的變壓器負(fù)載率,計(jì)算取整后即得出變壓器實(shí)際安裝容量,但在此過程中尚需考慮地區(qū)供電條件限制。選擇變壓器在理想情況下長(zhǎng)期負(fù)載率為70%～80%?？紤]到上海地區(qū)10 kV供電容量上限為8 000 kVA,雖然增加變壓器容量可以使該項(xiàng)目的負(fù)載率降低至70%(運(yùn)行更趨經(jīng)濟(jì)),但將導(dǎo)致超過10 kV供電容量上限,從而加設(shè)35 kV變電所,大大增加項(xiàng)目初投資。

綜上所述,該項(xiàng)目變壓器最后確定為4臺(tái)2 000 kVA干式變壓器,長(zhǎng)期負(fù)載率為80%。設(shè)計(jì)滿足一路電源時(shí),另一路電源承擔(dān)所有一級(jí)、二級(jí)負(fù)荷的要求。

2 變電所位置

變電所的設(shè)置首先需要分析用電負(fù)荷分布,盡可能將變電所設(shè)置于負(fù)荷中心處,這樣可以通過低壓供電半徑來降低電能損耗、節(jié)約線路建設(shè)初投資、減少壓降滿足供電質(zhì)量要求[1-2]。另外,還需要考慮業(yè)態(tài)管理的要求。

該項(xiàng)目對(duì)于變電所的設(shè)置有如下特點(diǎn):

(1) 根據(jù)業(yè)態(tài)管理,上戲舞蹈學(xué)校和上戲舞蹈學(xué)院屬于教育局系統(tǒng)行政管理,芭蕾舞團(tuán)、歌舞團(tuán)和劇院屬于文廣系統(tǒng)行政管理。配電系統(tǒng)分開設(shè)置利于產(chǎn)權(quán)、管理和責(zé)任的區(qū)分。

(2) 項(xiàng)目占地面積較大,基地跨度接近310 m。作為主要負(fù)荷中心的劇院和合演中心分布地塊的左右兩側(cè)。如設(shè)置一個(gè)變電所,由于建筑的限制,變電所只能偏向一側(cè),將使部分回路供電半徑超過200 m,并且離開其中一個(gè)負(fù)荷中心較遠(yuǎn),這將大大增加電纜投資和運(yùn)行損耗[3-4]。

綜上所述,將項(xiàng)目分為兩個(gè)區(qū)塊:上戲舞蹈學(xué)校和上戲舞蹈學(xué)院及合演中心組成一個(gè)供電區(qū)塊,在3#樓-1F合演中心旁設(shè)置總變電所,內(nèi)設(shè)2臺(tái)2 000 kVA干式變壓器。上海芭蕾舞團(tuán)和上海歌舞團(tuán)(1#、2#樓)及劇院組成一個(gè)供電區(qū)塊,在2#樓-1F劇院旁設(shè)置分變電所,內(nèi)設(shè)2臺(tái)2 000 kVA干式變壓器。變電所位置及配電區(qū)域如圖1所示。

3 低壓配電系統(tǒng)

在確定變壓器容量和臺(tái)數(shù)后,就可以確定低壓系統(tǒng)的主接線形式。該項(xiàng)目2個(gè)變電所內(nèi)變壓器2個(gè)為一組,低壓側(cè)采用單母線分段方式運(yùn)行。

配電系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖1 變電所位置及配電區(qū)域

圖2 配電系統(tǒng)示意圖

低壓側(cè)設(shè)置母聯(lián)開關(guān),當(dāng)任意一臺(tái)變壓器故障或檢修時(shí),可以通過母聯(lián)由另一臺(tái)變壓器保證所有一、二級(jí)負(fù)荷的供電[5-6]。

根據(jù)用電負(fù)荷的分類,在滿足計(jì)量、維修、管理和安全性、可靠性的前提下,確定各用電負(fù)荷的配電方式。該項(xiàng)目低壓系統(tǒng)采用放射與樹干混合方式配電。根據(jù)末端負(fù)荷的分布情況,在劇院和合演中心的舞臺(tái)兩側(cè)及其他4棟建筑物設(shè)置強(qiáng)電豎井。重要設(shè)備和單臺(tái)容量較大負(fù)荷(舞臺(tái)設(shè)備、冷凍機(jī)房、泵房等)的配電方式采用放射式供電。每層樓的一般照明動(dòng)力設(shè)備的配電方式采用樹干式配電。所有回路均從各樓層的強(qiáng)電井引出。

為保證重要負(fù)荷供電的可靠性,對(duì)于重要的舞臺(tái)燈光、舞臺(tái)音響和舞臺(tái)機(jī)械采用雙回路供電,末端切換方式。對(duì)切換時(shí)間要求較低的其他一、二級(jí)負(fù)荷,如舞臺(tái)化妝區(qū)等采用單電源供電,低壓母聯(lián)處切換,以保證供電。所有消防負(fù)荷均采用雙回路末端自切的方式供電[7-8]。

該工程作為公共建筑,大量配備電子鎮(zhèn)流器的熒光燈、電子設(shè)備、氣體放電燈及變頻調(diào)速裝置等非線性設(shè)備,諧波電流較大,尤其是劇院內(nèi)的舞臺(tái)晶閘管調(diào)光系統(tǒng),其諧波的干擾不容忽視。為控制諧波對(duì)配電系統(tǒng)造成的損害,并保證為劇院內(nèi)的電聲設(shè)備、控制設(shè)備以及辦公樓和學(xué)校內(nèi)的大量信息用弱電機(jī)房提供純凈電源,考慮采用以下措施:

(1) 用戶配電采用的是10/0.4 kV主變壓器,Δ/yn-11接線。

(2) 功率因數(shù)補(bǔ)償電容器串接消諧電抗器,以避免發(fā)生電網(wǎng)諧振。

(3) 采用脈寬調(diào)制(PWM)控制的高功率因素整流器,減少產(chǎn)生諧波。

(4) 舞臺(tái)燈光等含諧波源的變壓器與舞臺(tái)音響等敏感回路的變壓器分開。

(5) 舞臺(tái)照明干線的中性線截面為相線截面的2倍。

(6) 在硅箱房和變電所低壓母線段設(shè)置有源濾波器。

4 結(jié) 語

介紹了上海國(guó)際舞蹈中心的配電系統(tǒng)設(shè)計(jì),通過分析負(fù)荷性質(zhì)、用電容量、業(yè)態(tài)管理和設(shè)備運(yùn)行特點(diǎn),選擇合適的供配電方案,可以使配電系統(tǒng)在可靠性和經(jīng)濟(jì)性上取得良好的效果。