某中外合作高校培訓樓配電系統(tǒng)設(shè)計

韓愚拙， 傅衛(wèi)東， 張 琪， 徐寬帝

（中衡設(shè)計集團股份有限公司，蘇州215021）

0 引言

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

1 項目概述

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)主要為實驗室；四層主要為設(shè)備機房包括空調(diào)機房、配變電室、熱交換站、直飲水機房等。

2 供配電系統(tǒng)設(shè)計

2.1 供電方案

由前文概述可知，本項目在同一單體內(nèi)囊括了三種不同的功能形態(tài)，由于生物、化學、物理及環(huán)境實驗室的存在，本項目的供電要求很高：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，對于實驗室用電以及實驗室用空調(diào)系統(tǒng)、冷卻水泵、工藝排風及相關(guān)自控負荷需要有柴油發(fā)電機保障，同時要求柴油發(fā)電機需要滿足在失去市電后能夠連續(xù)運行48h；最后，對于實驗室內(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。

本項目供電方案拓撲圖如圖1所示。

圖1 供電方案拓撲圖

為便于梳理不同負荷的供電要求和范圍，筆者將負荷及其對應(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)化的負荷卸載方法

本工程初始的變壓器的負載率不高，為了提高供電系統(tǒng)的可靠性和冗余，筆者在設(shè)計中引入ATMT的自動母聯(lián)系統(tǒng)，使得一些保障負荷的自動轉(zhuǎn)換及三級負荷的切除在變電所處集中實現(xiàn)以提高系統(tǒng)的魯棒性。采用“先投母聯(lián)，再卸載”的方式，當一側(cè)電源故障停電后，母聯(lián)自投，全部負荷均由一臺變壓器供電；如果變壓器運行一段時間后未發(fā)生過載，則不需要卸載三級負荷；如果變壓器發(fā)生了過載，則通過卸載信號，讓兩段母線上部分或全部三級負荷回路分勵脫扣，將負荷切除。變壓器是否出現(xiàn)過載，可通過低壓主進斷路器實測的負荷電流進行判斷。通常主進斷路器的長延時保護設(shè)定值Ir接近于或等于變壓器低壓側(cè)額定電流，當實際負荷電流超過Ir時，即可判定變壓器發(fā)生了過載，此時發(fā)出信號，進行自動卸載。當電源恢復正常，母聯(lián)自復之后，由人工采用手動方式給三級負荷回路恢復供電。

圖2中兩臺進線斷路器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)電流卸載和恢復的功能，兩臺進線斷路器Qs1、Qs2還需具有M2C可編程觸點。該觸點是斷路器內(nèi)部的繼電器，為兩個獨立的常開觸點（S1，S2），用來指示瞬時或延時的閾值超限以實現(xiàn)母聯(lián)自動投切后的兩步卸載。當一臺變壓器失電時母聯(lián)斷路器Qtie自動合閘，通過智能控制單元判斷一臺變壓器帶全部荷載時的運行電流，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，如果在延時到來時，運行電流沒有降至閥值以下，則進行第一步卸載，切除室外泛光，室外景觀，A區(qū)空調(diào)，并發(fā)出報警“變壓器負載率太高，已有部分三級負荷被切除”。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，如果在延時到來時，運行電流沒有降至閥值以下，則切除全部三級負荷，僅保障項目內(nèi)的一二級負荷。

傳統(tǒng)的負荷卸載方式是“先卸載三級負荷，再投母聯(lián)”，未能充分利用變壓器的帶載能力，給三級負荷持續(xù)供電。本設(shè)計通過“先投母聯(lián)，再根據(jù)電流卸載”的優(yōu)化負荷卸載解決方案。利用智能型空氣斷路器對電流的監(jiān)測和卸載功能，實時準確地反映變壓器的負荷率，并根據(jù)預設(shè)的電流卸載閾值和延時設(shè)定，進行自動卸載。既防止了變壓器過載、保障了重要負荷的供電，呼應(yīng)了本項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荷的供電連續(xù)性。另外ATMT的應(yīng)用還省去了對二級負荷末端切換的要求，節(jié)省了末端配電箱內(nèi)的ATS和電纜。

圖2 低壓母聯(lián)自投及負荷卸載電路圖

2.3 柴油發(fā)電機容量計算

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

本項目的冷源設(shè)置在已建動力站的制冷機，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AHU空調(diào)箱以及一臺為特殊溫濕度要求房間設(shè)置的風冷模塊化冷水機組，兩臺AHU采用共管并聯(lián)設(shè)計，平時可以起到互相備份的作用。在最初計算時，筆者所在單位按照手冊推薦的常規(guī)需要系數(shù)考慮，并進行了計算，具體計算圖如表2所示。

由計算可知，如果選用一臺常用功率1 125kVA，備用功率1 250kVA的柴油發(fā)電機，負載率會達到0.98，雖然規(guī)范允許柴油發(fā)電機短時過載至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)電機連續(xù)運行48h的要求，那是否就只能選擇一臺大一級（常用功率1 250kVA，備用功率 1 400kVA）的柴油發(fā)電機，是否有更佳的解決方案？

進一步分析負荷和組成和運行情況時，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機負載中約有65%為空調(diào)設(shè)施的用電（包括風冷熱泵，循環(huán)水泵，B、C區(qū)二臺AHU），綜合樓B、C區(qū)實際上有兩種功能形態(tài)，分別為實驗室和辦公教室，面積比例約為6∶4（實驗室區(qū)域60%，辦公教室區(qū)域40%），B、C區(qū)域空調(diào)負荷由兩臺AHU及一臺風冷熱冷承擔，根據(jù)外方招標文件要求的實驗室相關(guān)用電負荷的供電等級，兩臺AHU及風冷熱泵均由柴油發(fā)電機作為保障，其中實驗室部分空調(diào)末端可變風量調(diào)節(jié)的文丘里閥及其自控控制也由柴油發(fā)電機保障，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)計柴油發(fā)電機供電。那么，在兩路市電斷電后，辦公教室部分空調(diào)末端會完全失電，約40%面積的空調(diào)負載被卸去，空調(diào)主機及水泵系統(tǒng)采用變頻運行，負載率會降至滿負荷運行工況的70%，在這種情況下，風冷熱泵、AHU、水泵的需要系數(shù)相對于市電供電時也需要乘以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)電機的負荷計算更新如表3所示。

發(fā)電機（常用功率1 125kVA，備用功率1 250kVA）負荷計算（I） 表2

按照調(diào)整后的計算，負載率為80.3%，滿足長期運行不大于85%負載率的要求，最終仍然選擇了一臺常用功率1 125kVA、備用功率1 250kVA的柴油發(fā)電機。這個計算結(jié)果最終也得到了外方及外方聘請的機電顧問公司的認同。在最終調(diào)試階段，發(fā)電機的實際運行工況驗證了以上分析的正確性，柴油發(fā)電機的容量完全夠用，既響應(yīng)了業(yè)主的需求，也降低了過度設(shè)計帶來的浪費。

3 結(jié)束語

在設(shè)計這類國外知名學府時，由于標準高、要求嚴，在整個設(shè)計過程中，由業(yè)主及其外聘的顧問公司針對初步設(shè)計和施工圖設(shè)計組織了共計四次的圖紙會審，每一輪都經(jīng)過了充分的討論，每一部分的設(shè)計都需要精細的計算去支持，最終還補充了電子信息系統(tǒng)雷電防護計算書、電纜熱穩(wěn)定計算書、母線動穩(wěn)定計算書、短路電流計算書、UPS計算書等技術(shù)文件。如何用精細化的設(shè)計來滿足客戶在使用和投資上的要求也是未來設(shè)計的方向，是設(shè)計行業(yè)的必由之路。