專業(yè)足球場供配電系統(tǒng)分析

竇 曉 斌

[同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司, 上海 200092]

0 引 言

高標(biāo)準(zhǔn)的專業(yè)足球場對電氣設(shè)計(jì)提出高要求。賽時(shí)穩(wěn)定、可靠的電源供應(yīng)可以保證停電故障狀態(tài)下賽事能夠連續(xù)進(jìn)行而不間斷;同時(shí),平時(shí)的場地賽后運(yùn)營與高效維護(hù)同樣離不開電氣設(shè)計(jì)的提前考慮與預(yù)留。

1 工程概況

某工程以滿足亞洲杯賽事要求為導(dǎo)則,結(jié)合國際足聯(lián)(FIFA)和亞足聯(lián)(AFC)的足球場設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),致力于建設(shè)國際化高標(biāo)準(zhǔn)的專業(yè)足球場。結(jié)合看臺(tái)分區(qū),按東西南北主要分為球迷互動(dòng)、聯(lián)動(dòng)等競技文化板塊,運(yùn)動(dòng)員、官員、媒體等核心競賽板塊,餐飲與運(yùn)營、安保、辦公等后勤服務(wù)板塊,以及健身、培訓(xùn)等健康生活板塊。此外,在與主體脫開的外環(huán)還設(shè)有與場館錯(cuò)位運(yùn)營的商業(yè),通過架空連橋與主體相連。

工程包含1座專業(yè)足球場、3個(gè)室外訓(xùn)練場、1處地下停車庫及1座體育公園,總用地面積300畝,建筑面積13.49萬m2。其中,專業(yè)足球場觀眾席容量為4.5萬座,建筑高度46.8 m,主體地上共5層。

依據(jù)JGJ 31—2003《體育建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]中表1.1.7及表5.1.1,該足球場按國家體育建筑甲級標(biāo)準(zhǔn)、大型規(guī)模定位,滿足舉辦全國性和單項(xiàng)國際比賽使用要求。

2 供配電系統(tǒng)

專業(yè)足球場作為重要用電單位及敏感用戶,中斷供電將造成嚴(yán)重的負(fù)面影響,安全可靠、技術(shù)先進(jìn)且經(jīng)濟(jì)合理的供配電系統(tǒng)至關(guān)重要。

2.1 負(fù)荷分級

JGJ 354—2014《體育建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]中表3.2.1針對不同等級的體育建筑負(fù)荷分級做出規(guī)定;GB 50052—2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]第3.0.1.1條文說明也有表述,即大型國際比賽場館的記分系統(tǒng)以及監(jiān)控系統(tǒng)等屬于一級負(fù)荷中的特別重要負(fù)荷,同時(shí)闡明各行業(yè)可據(jù)此規(guī)范確定用電設(shè)備或用戶的負(fù)荷級別;JGJ 16—2008《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]第3.2.1規(guī)定,重要國際活動(dòng)的大量人員集中的公共場所用電,中斷供電將造成公共場所秩序嚴(yán)重混亂時(shí)應(yīng)定義為一級負(fù)荷,實(shí)時(shí)處理重要的計(jì)算機(jī)及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)正常工作以及特別重要場所中不允許中斷供電的負(fù)荷為一級負(fù)荷中的特別重要負(fù)荷;此外,結(jié)合國際足聯(lián)文獻(xiàn)[5](簡稱《FIFA足球場》)第9章對人身安全、賽事用電等重要負(fù)荷的電源供應(yīng)要求,同時(shí)考慮中足協(xié)及組委會(huì)的指導(dǎo)意見,對案例足球場進(jìn)行負(fù)荷分級如下。

(1) 一級負(fù)荷中的特別重要負(fù)荷。包括場地照明,觀眾席照明,主席臺(tái)、貴賓室及其接待室、新聞發(fā)布廳等用電,LED大屏,攝像機(jī),計(jì)時(shí)記分,成績處理,影像采集及回放,競賽實(shí)時(shí)信息發(fā)布,升旗控制,標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘,媒體評論,場地?cái)U(kuò)聲,同聲傳譯等用電;國際轉(zhuǎn)播機(jī)房,場地運(yùn)營中心,燈光控制中心,音視頻控制中心,5G弱電機(jī)房,醫(yī)務(wù)室,安?，F(xiàn)場指揮部,應(yīng)急指揮中心公安設(shè)備機(jī)房,功放機(jī)房,網(wǎng)絡(luò)總機(jī)房,電視轉(zhuǎn)播機(jī)房,裁判視頻機(jī)房等機(jī)房用電;應(yīng)急照明和消防控制中心,消防風(fēng)機(jī)房、消防水泵房等消防負(fù)荷;以及核心競賽板塊相關(guān)用電負(fù)荷。

(2) 一級負(fù)荷。包括建筑設(shè)備管理系統(tǒng)、售檢票系統(tǒng)等用電,場地通風(fēng)設(shè)備,自動(dòng)噴灌設(shè)備,VVIP及VIP載客電梯,媒體載客電梯,無障礙載客電梯,送餐梯、垃圾梯及貨梯等設(shè)備,主要通道照明等。

(3) 二級負(fù)荷。普通包廂、生活水泵、污水泵等用電。

(4) 三級負(fù)荷。后勤儲(chǔ)藏,景觀用電及健康生活板塊相關(guān)的健身、培訓(xùn)、外環(huán)商業(yè)及其他等用電。

2.2 市電電源

為滿足工程用電需求,從城市電網(wǎng)不同上一級電業(yè)站申請兩路10 kV雙重電源,每一路安裝容量為7 750 kVA。在足球場主體東南角靠外墻以方便進(jìn)線的位置,設(shè)置10 kV配電中心,內(nèi)設(shè)10 kV開關(guān)柜、計(jì)量屏、直流屏、信號屏、監(jiān)控屏等設(shè)備。10 kV雙重電源采用室外電纜井加電力排管結(jié)合方式埋地進(jìn)入站內(nèi)電纜井,之后沿井邊墻面橋架豎向敷設(shè)至梁下后轉(zhuǎn)水平敷設(shè),以上進(jìn)線方式接入10 kV開關(guān)柜。

2.2.1 10 kV配電系統(tǒng)

兩路10 kV雙重電源采用單母線分段接線方式,同時(shí)供電,分列運(yùn)行,不設(shè)聯(lián)絡(luò)。當(dāng)一路電源檢修或發(fā)生故障時(shí),另一路電源應(yīng)不致同時(shí)受到損壞,且能承擔(dān)全部一級負(fù)荷中的特別重要負(fù)荷和一級、二級負(fù)荷用電需求。

10 kV出線回路采用上出線方式,沿高壓電纜防火金屬橋架敷設(shè)至各分變電所。Ⅰ段10 kV電氣主接線如圖1所示。Ⅱ段10 kV接線同Ⅰ段,放射式供電至各分變電所內(nèi)與Ⅰ段對應(yīng)設(shè)置的10/0.4 kV變壓器。

圖1 Ⅰ段10 kV電氣主接線圖

2.2.2 10/0.4 kV變配電系統(tǒng)

結(jié)合不同功能板塊的各級用電負(fù)荷分布,同時(shí)根據(jù)JGJ 354—2014《體育建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》表4.2.5規(guī)定的配電變壓器賽時(shí)負(fù)載率不超過60%的要求[2],在足球場主體1F東南和西北角各設(shè)置1處10/0.4 kV工藝、動(dòng)照合用變電所,內(nèi)部各成對設(shè)置2臺(tái)工藝變壓器及2臺(tái)動(dòng)照變壓器;在外環(huán)西北角設(shè)置一處空調(diào)專用變電所,成對設(shè)置2臺(tái)空調(diào)專用變壓器;在地下車庫設(shè)置一處車庫變電所,成對設(shè)置2臺(tái)動(dòng)照變壓器,供電于整個(gè)地下車庫所有用電負(fù)荷。供配電系統(tǒng)主機(jī)房位置示意圖如圖2所示。

圖2 供配電系統(tǒng)主機(jī)房位置示意圖

10/0.4 kV變配電所設(shè)置如表1所示。

表1 10/0.4 kV變配電所設(shè)置

0.4 kV側(cè)采用單母線分段加手動(dòng)聯(lián)絡(luò)方式,平時(shí)分列運(yùn)行,當(dāng)一臺(tái)變壓器檢修或電源故障停電時(shí),另外一臺(tái)變壓器可保證全部一級負(fù)荷中特別重要負(fù)荷和一、二級負(fù)荷的用電需求。2臺(tái)主開關(guān)和聯(lián)絡(luò)開關(guān)之間連鎖,任何情況下只能有兩個(gè)開關(guān)處在閉合狀態(tài),同時(shí)與應(yīng)急電源采取防止并列運(yùn)行的措施。

10/0.4 kV工藝變配電系統(tǒng)接線圖如圖3所示。

10/0.4 kV動(dòng)照變配電系統(tǒng)接線圖如圖4所示。

圖4 10/0.4 kV動(dòng)照變配電系統(tǒng)接線圖

2.3 應(yīng)急電源

當(dāng)城市電源發(fā)生故障而中斷供電時(shí),應(yīng)急電源既要在設(shè)備允許斷電時(shí)間內(nèi)立即投入使用,又能夠持續(xù)一定時(shí)長,以保證賽時(shí)場地照明、電視轉(zhuǎn)播、計(jì)時(shí)記分等用電負(fù)荷電源的不間斷供應(yīng)。國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)JGJ 354—2014《體育建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.3節(jié)及第6章,國際足聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)《FIFA足球場》第9章,以及亞足聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)《AFC Stadium Lighting Guidelines 2018》第16章,均對專業(yè)足球場應(yīng)急電源供應(yīng)提出相關(guān)要求[2,5,6]。據(jù)此,案例工程設(shè)置應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組、UPS及EPS作為應(yīng)急電源。

2.3.1 應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組

為滿足FIFA和AFC的相關(guān)技術(shù)要求,同時(shí)保證重要負(fù)荷的供電可靠性,設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急電源。結(jié)合建筑功能布局,在足球場外環(huán)東南及西北角,與工藝動(dòng)照合用變電所呼應(yīng)的位置分別設(shè)置一座柴油發(fā)電機(jī)房。按消防負(fù)荷與非消防重要負(fù)荷不同時(shí)滿足,取其大者確定柴油發(fā)電機(jī)容量。內(nèi)部各設(shè)置2臺(tái)PRP功率1 000 kW的柴油發(fā)電機(jī)組并機(jī)運(yùn)行,分別為對應(yīng)的工藝動(dòng)照合用變電所的工藝重要負(fù)荷和消防動(dòng)照負(fù)荷提供應(yīng)急電源。每座柴發(fā)機(jī)房內(nèi)設(shè)置1 m3的儲(chǔ)油箱,室外設(shè)置5 m3的埋地儲(chǔ)油罐,滿足供油時(shí)間大于3 h。柴油發(fā)電機(jī)組低壓配電接線如圖5所示。

圖5 柴油發(fā)電機(jī)組低壓配電接線圖

柴油發(fā)電機(jī)組起動(dòng)采樣信號包括變壓器低壓側(cè)主開關(guān)失壓信號和ATS的常用電源失電信號。采集到起動(dòng)信號后柴油發(fā)電機(jī)組應(yīng)立即起動(dòng),并在15 s內(nèi)投入正常帶負(fù)荷運(yùn)行,與之聯(lián)絡(luò)的變壓器應(yīng)急電源能夠立即投切以保證重要負(fù)荷的連續(xù)供電。柴油發(fā)電機(jī)組與電力系統(tǒng)聯(lián)鎖,不得與其并列運(yùn)行。當(dāng)市電恢復(fù)時(shí),機(jī)組應(yīng)能自動(dòng)退出工作或根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序延時(shí)停機(jī)。

結(jié)合圖3～圖5,確定柴油發(fā)電機(jī)起動(dòng)信號邏輯關(guān)系和送電次序主要為,市電A或市電B失電,起動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)(熱備)并完成并機(jī);市電A和市電B均失電,則合閘送電;一路市電恢復(fù),柴油發(fā)電機(jī)組停止提供應(yīng)急電源,返回?zé)醾錉顟B(tài)。柴發(fā)與工藝變聯(lián)絡(luò)起動(dòng)控制邏輯如表2所示。柴油發(fā)電機(jī)組與動(dòng)照變聯(lián)絡(luò)起動(dòng)控制邏輯如表3所示。

表2 柴發(fā)與工藝變聯(lián)絡(luò)起動(dòng)控制邏輯

表3 柴油發(fā)電機(jī)組與動(dòng)照變聯(lián)絡(luò)起動(dòng)控制邏輯

2.3.2 UPS電源

為保證對要求恢復(fù)供電時(shí)間不超過0.5 s的體育工藝用電、消防報(bào)警用電、安防通信用電等重要負(fù)荷的供電連續(xù)性,采用UPS提供備用電源,蓄電池持續(xù)工作時(shí)間不小于15 min。UPS主機(jī)及電池設(shè)置于靠近服務(wù)區(qū)域負(fù)荷中心的強(qiáng)電間或設(shè)備機(jī)房內(nèi)。

《FIFA足球場》第297頁～第350頁按類別排序部分,對各功能區(qū)域是否設(shè)置UPS做出明確要求[5]。結(jié)合案例足球場核心競賽區(qū)及其他各層賽事工作區(qū)用電負(fù)荷。用電負(fù)荷及UPS設(shè)置依據(jù)如表4所示。

由表4可知,大量UPS及電池散落在足球場各處,為實(shí)現(xiàn)綜合管理和集中監(jiān)控,設(shè)置UPS及電池監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)時(shí)監(jiān)測UPS運(yùn)行輸出相電壓及相電流、輸出線電壓、旁路線電壓、電池電壓及電流、視在功率、有功功率、輸出負(fù)載率、電池充電容量及后備時(shí)間、電池溫度、旁路及逆變頻率、中性線電流等參數(shù)及逆變器、旁路、整流器、電池充電、風(fēng)扇故障等狀態(tài)。一般不通過監(jiān)控系統(tǒng)對UPS進(jìn)行控制,避免由此帶來的斷電風(fēng)險(xiǎn)。通過設(shè)備的RS-485/RS-232通信接口將設(shè)備數(shù)據(jù)讀出并上傳至云端服務(wù)器實(shí)時(shí)監(jiān)測,能夠通過APP或者Web端進(jìn)行實(shí)時(shí)查看。UPS及電池監(jiān)控系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 UPS及電池監(jiān)控系統(tǒng)

表4 用電負(fù)荷及UPS設(shè)置依據(jù)

2.3.3 EPS電源

應(yīng)急照明及疏散指示采用集中電源集中控制型應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng),場地及觀眾席的應(yīng)急照明采用集中設(shè)置EPS電源、集中控制器、AC 220 V燈具(設(shè)不燃燒材料制作的保護(hù)罩,并符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB 17945—2018《消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)》的有關(guān)規(guī)定)相結(jié)合的形式,EPS電源、配電箱柜、控制系統(tǒng)及應(yīng)急照明燈具均應(yīng)通過消防CCCF認(rèn)證。EPS電源持續(xù)供電時(shí)間為90 min,切換時(shí)間不大于1.5 s。

3 低壓配電系統(tǒng)

在足球場主體對角線四角1F～5F設(shè)置強(qiáng)電間,豎井上下對齊。各用電負(fù)荷配電設(shè)備靠近負(fù)荷中心設(shè)置于就近強(qiáng)電間或服務(wù)機(jī)房內(nèi),機(jī)房面積考慮各箱柜操作檢修空間及末端有源濾波裝置安裝空間,同時(shí)考慮管線豎向敷設(shè)及水平轉(zhuǎn)換空間。照明插座、空調(diào)、動(dòng)力及特殊用電設(shè)備分開配電,分項(xiàng)計(jì)量,按負(fù)荷重要程度及負(fù)荷大小和分布情況采用放射式或樹干式配電。

3.1 工藝用電配電系統(tǒng)

作為一級負(fù)荷中特別重要負(fù)荷的部分體育工藝用電,其低壓配電系統(tǒng)主要包括進(jìn)線配電箱、UPS主機(jī)、UPS電池、出線配電箱等設(shè)備,進(jìn)線箱兩路進(jìn)線電源引接自市電和柴發(fā)切換后的工藝變電所低壓饋電回路,出線箱出線至下級配電箱或直接接駁至工藝用電設(shè)備。同時(shí)對LED大屏、場地照明、大功率UPS、變頻調(diào)速設(shè)備等諧波電流較嚴(yán)重的負(fù)荷,設(shè)置就地有源濾波裝置以減少諧波對電網(wǎng)及設(shè)備的影響。工藝用電低壓配電系統(tǒng)接線如圖7所示。

圖7 工藝用電低壓配電系統(tǒng)接線

在進(jìn)線箱自動(dòng)ATS后面增設(shè)手動(dòng)ATS,常用電源端接至自動(dòng)ATS出線側(cè),備用電源端接至自動(dòng)ATS備用電源進(jìn)線側(cè)。當(dāng)自動(dòng)ATS故障拒動(dòng)作時(shí),可將手動(dòng)ATS切換至備用電源側(cè),繞過自動(dòng)ATS斷點(diǎn)以持續(xù)供電。

維修旁路開關(guān)QA2常開加鎖,當(dāng)UPS需要整體脫出維修時(shí),切換到外置旁路的步驟為,首先將UPS主機(jī)切換到靜態(tài)旁路;其次將UPS主機(jī)進(jìn)線切換至內(nèi)旁路進(jìn)線;然后先閉合QA2,再斷開QA1,切換到外置維修旁路;最后切斷UPS進(jìn)線開關(guān),UPS整體脫出維修。

3.2 演藝用電配電系統(tǒng)

足球場除承辦足球賽事以外,也常用于舉辦大型臨時(shí)文藝演出活動(dòng),舞臺(tái)機(jī)械、燈光等演藝用電條件預(yù)留是設(shè)計(jì)階段不可疏漏的關(guān)鍵問題[7]。JGJ 354—2014《體育建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.2.1條規(guī)定,對于經(jīng)常有文藝演出的體育場館,演出類負(fù)荷宜與體育工藝負(fù)荷共用一組變壓器;第7.1.2條規(guī)定,當(dāng)體育建筑兼有文藝演出功能時(shí),宜在場地四周預(yù)留配電箱或配電間[2]。案例工程在足球場東南和西北場地入口附近分別設(shè)置演藝用電接駁間,內(nèi)外各設(shè)置電纜井,通過預(yù)埋套管連通直至場地邊緣電纜井,用于大型演出用電設(shè)備就近接駁電源。

按照運(yùn)營計(jì)劃安排,西北角演藝用電接駁間自就近工藝變電所引來四路演藝臨時(shí)用電,東南角演藝用電接駁間自就近工藝變電所引來兩路演藝臨時(shí)用電,每路容量均為500 kW。每個(gè)演藝用電配電柜內(nèi)按不同電流等級分別設(shè)置若干出線備用回路,以備將來用電單位視需求自行接駁;同時(shí),接駁間內(nèi)各設(shè)置兩個(gè)雙回路配電箱,電源取自成對的演藝用電配電柜出線回路,用于對電源供應(yīng)有額外需求的演藝用電設(shè)備使用。

3.3 場地補(bǔ)光系統(tǒng)

通過分析足球場內(nèi)外年平均光照時(shí)間,結(jié)合足球場罩棚產(chǎn)生的陰影區(qū)域變化做針對性分析研究,將比賽場地平均分為18個(gè)等面積區(qū)域,每個(gè)分區(qū)按照設(shè)置一套場地補(bǔ)光裝置考慮,用以彌補(bǔ)太陽輻射不足時(shí)草坪生長所需要的能量。

工程采用高壓鈉燈可移動(dòng)方式補(bǔ)光系統(tǒng),作用范圍為一次性半場覆蓋,半場配置9個(gè)大型補(bǔ)光燈,補(bǔ)光燈高度距地約2 m,采用專用的草坪輪胎,每個(gè)燈具覆蓋面積約為400 m2。補(bǔ)光裝置可折疊存放,場地附近接電。

每組大型的補(bǔ)光燈需要2個(gè)5芯63 A工業(yè)插座,額定電壓380 V。考慮到演藝用電和場地補(bǔ)光系統(tǒng)錯(cuò)時(shí)使用,從場地東南和西北角演藝用電配電柜內(nèi)各配出9個(gè)三相63 A帶剩余電流保護(hù)裝置回路,電纜穿鋼管自場地邊緣的電力接駁井,引至天然草坪鋪設(shè)范圍外緣均勻分布的工業(yè)插座。

場地補(bǔ)光系統(tǒng)燈具布置如圖8所示。

圖8 場地補(bǔ)光系統(tǒng)燈具布置

場地補(bǔ)光系統(tǒng)工作示意圖如圖9所示。

圖9 場地補(bǔ)光系統(tǒng)工作示意圖

4 結(jié) 語

專業(yè)足球場以其承接賽事的專業(yè)性,形成其特有的專項(xiàng)技術(shù)要求。本文從供電連續(xù)性和可靠性角度出發(fā),結(jié)合國內(nèi)外規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求,介紹供配電系統(tǒng)全過程設(shè)計(jì)方法,并對可能出現(xiàn)的故障狀況或檢修工況下的處理措施作簡要分析,較好地保證足球場賽時(shí)工藝用電及平時(shí)運(yùn)營用電需求。