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大型体育馆供配电设计与监控系统解决方案吴德明江苏安科瑞电器制造有限公司1引言体育馆是指具有一定观众容量，场地符合举办各种体育比赛要求的体育建筑。根据《体育建筑设计规范JGJ31-2003》，其用电特点主要为[1]：1）、重大比赛或演出中断供电会造成较大的政治、经济影响；2）、场内人员密集，安防、消防设备供电必须可靠；3）、使用时段性强，平时与比赛时负荷相差很大；4）、场地照明、摄像转播及体育工艺用电量大，设备分散，对电源质量要求高。依据《2009全国民用建筑工程电气设计技术措施/电气》要求，体育场馆电气设计应安全可靠、经济合理、技术先进、整天美观、维护管理方便；电气设计应对电池、声、光污染采取综合治理，达到环境保护相关标准的要求，确保人居环境安全；电气装备水平应与工程的功能要求和使用性质相适应；电气设备应选择符合国家技术标准的产品，并应采用成熟、有效的节能措施，降低电能消耗。体育馆变电所位置和数量的确定除需要考虑尽量设在负荷中心外，还要特别注意验算末端用电设备电压偏移，采取减小电压偏移的措施，保证电压偏移不超过允许值。主接线设计时要注意安全性和可靠性要求。安全性即在高压断路器的电源侧及可能反馈电能的另一侧，必须装设高压隔离开关。在低压断路器的电源侧及可能反馈电能的另一侧，必须装设低压刀开关。在装设高压熔断器-负荷开关的出线柜母线侧，必须装设高压隔离开。变配电所高压母线上及架空线路末端，必须装设避雷器。装于母线上的避雷器，宜与电压互感器共用一组隔离开关。接于变压器引出线上的避雷器，不宜装设隔离开关。可靠性即变配电所的主结线方案，必须与其负荷等级相适应。对一级负荷，应有两个电源供电。对二级负荷，应有两回路或者一回专用架空（电缆）供电；采用电缆供电时，应采用两根电缆组成的线路，且每根电缆应能承受100%的二级负荷。变配电所的非专用电源进线侧，应装设带短路保护的断路器或串熔断器的负荷开关。当双电源供多个变配电所时，宜采用环网供电方式。变配电所低压侧的总开关，宜采用低压断路器。当有继电保护或自动切换电源要求时，低压侧总开关和低压母线分段开关，均应采用低压断路器。2项目简介本项目奥体中心主要由体育场、体育馆、游泳馆、网球中心、中心商业区及地下车库组成，总建筑面积约36万m2，建成后将成为标志性建筑及新城区内大规模商业娱乐综合体。能源中心是奥体中心的配套设施，位于整个场地的东北角，是整个奥林匹克体育中心的主要动力中心，主要由锅炉房、冷冻机房与水泵间、变配电室组成，室外另有蓄水罐、冷却塔。建筑面积约1200m2，为半地下建筑。与常规图1奥体中心全景能源中心变配电系统不同的是冷冻机组采用的是10kV高压供电方式[2]。3负荷等级由于奥体中心在全运会其间的重要性，其空调及热水等动力负荷按二级负荷考虑，因此本能源中心电力负荷为二级，二级负荷容量3559.5kW,其中4台冷水机组容量为2476kW。4电压等级确定根据暖通专业方案论证结果，采用水蓄冷能源方式，其中冷水机组4台，单台容量平均在600kW左右，如果低压380V供电，则每台冷水机组的供电电流将达到1000A以上,对开关、电缆、启动保护等设备的选择将是具有挑战性的,经过简单经济技术比较，冷水机组决定采用高压10kV供电。5供配电系统设计本工程由位于体育馆内的东区总变配电站不同母线段引两路10kV电源，两路电源单母线分段接线，同时工作。正常运行时,两路电源分列运行，各承担50%的负荷；当一路电源发生故障时,线路保护动作,无压掉闸,分段开关自动/手动投入运行，另一路电源可承担全部负荷。变配电室内设高压柜10面，高压冷水机组控制柜4面（与机组配套），2台1000kVA变压器及低压配电柜8面、控制柜11面(泵类)。5.1高压供配电系统高压配电柜采用SF6绝缘紧凑型开关柜，考虑能源中心单独计量，设立了计量柜。进线及母联采用真空开关，馈线为负荷开关熔断器组合电器。进线柜配两段定时限过流保护、两段零序定时限保护、无压跳闸保护，当一路电源发生故障时,线路保护动作,无压跳闸,母联开关自动/手动投入；母联柜设电流速断、过电流保护。电流速断保护合闸后解除。馈线柜配熔断器保护、变压器高温(报警)、变压器超温(掉闸)保护。进线及母联开关采取防并联措施，即三个开关最多只能有两个开关同时处于合闸位置。操作及信号电源为直流110V，65Ah。高压冷水机组控制柜为金属铠装移开式，内设温、湿度传感器，温度或湿度过高均会发出报警信号，并具除湿功能。其微机综合保护模块具有过电流、过负荷、接地故障、短路、相不平衡、电压过高、电压过低、错相、反相等保护，为使电气设备的绝缘免受过电压的损害，另选配三相组合式氧化锌避雷器。高压功率因数就地补偿，每台高压冷水机组控制柜内装设并联补偿电容器，使补偿后的功率因数大于0.92。配电图如图2。图2高压供配电系统根据保护功能配置要求，进线柜选用安科瑞公司的AM5-F线路保护测控装置，母联柜选用AM5-B母联保护装置，变压器馈线柜选用AM5-T变压器保护测控装置，高压冷水机控制柜选用AM5-M电动机保护测控装置。各装置详细功能与报价见表1。表1高压配电方案二次设备清单开关柜类型产品名称产品型号实现功能1#变压器出线变压器保护测控装置AM5-T三段式过流保护、高温报警、超温跳闸、FC闭锁功能2#变压器出线进线柜线路保护测控装置AM5-F两段定时限过流保护、两段零序定时限保护、无压跳闸保护PT柜PT监测装置AM5-UPT断线监测、低电压告警、过电压告警、母线绝缘监测冷水机控制柜电动机保护测控装置AM5-M过电流、过负荷、接地故障、短路、相不平衡、电压过高、电压过低、错相、反相等保护母联柜备自投保护装置AM5-B备自投保护、电流速断、过电流保护开关柜ASD200开关柜综合测控装置ASD200一次模拟图显示、高压带电指示、温湿度控制、语音提示、RS485通讯5.2低压供配电系统低压配电系统为两级。单台大容量设备放射式供电，其他为树干分支式。单台装机容量为75kW、90kW的冷却水循环泵、冷冻水一次泵采用软启动，单台装机容量为160kW的冷冻水二次泵采用变频控制，控制柜置于变配电室低压侧。锅炉控制设备设于值班室，其他小容量用电设备的配电及启动装置在设备临近处。变压器负载率为60%~65%，对于任一变压器组，其中的1台变压器故障时，另一台变压器可在一定时间内工作在110%~130%负载率，负担所有低压二级负荷。低压供配电系统见图3。图3低压配电系统低压柜采用抽屉式开关柜，主进线柜设三段保护：长延时、短延时、瞬时过电流保护；母联柜设瞬时过电流保护；馈电柜设长延时、短延时、瞬时过电流保护。低压配电线路上选用安科瑞公司的ALP智能型低压线路保护装置进行线路保护，选用ACR系列监测仪表进行出线柜电量监测。具体设备清单见表2。表2低压配电线路设备清单产品名称产品型号实现功能嵌入式低压线路保护器ALP200-5三相电流、频率监测，能对额定电流范围内的线路进行过流、零序、断相、联动、不平衡等保护，Modbus-RTU通讯，5路DI、4路DO，事件记录导轨式低压线路保护器ALP320-5三相电流、电压、功率、功率因数、频率、电能监测，过流、欠压、过压、零序、断相、联动、不平衡等保护，Modbus-RTU通讯，5路DI、4路DO，事件记录ACR系列网络电力仪表ACR220EL三相电流、电压、有功功率、无功功率、有功电能、无功电能、频率、功率因数、四象限电能、LCD显示、Modbus-RTU通讯5.3谐波监测与治理由于非线性负载的使用会产生谐波，会导致微机保护装置误动作，造成不必要的供电中断；谐波还会使电气测量仪表计量不准确，产生计量误差，因此须合理有效的抑制谐波干扰。低压配电谐波抑制方案如图4所示，本方案中在低压电容器柜中设置ARC系列无功补偿器，在配电前端设置安科瑞公司的ANAPF有源滤波器，采用集中方式抑制谐波。在各出现柜上设置ACR330系列谐波监测仪表，用于监测2-31次谐波。ANAPF有源滤波器以并联方式接入电网，通过实时监测负载的谐波和无功分量，采用PWM变流技术，从变流器中产生一个和当前谐波分量和无功分量对应的反响分量并实时注入电力系统，实现谐波治理和无功补偿。本谐波抑制方案具体设备清单如表3。图4低压配电系统谐波抑制方案表3谐波抑制方案设备清单产品名称产品型号实现功能ARC功率因数自动补偿控制器ARC-12/J(R)测量电流、电压、频率、功率因数、具备过电压保护、欠流锁定、电网谐波过大保护，可控制12组电容器的投切，RS485通讯ACR系列谐波表ACR330ELH四象限电能，2-31次谐波分量，电压波峰系数、电话波形因子、电流K系数，电流、电压不平衡度等立柜式有源滤波器ANAPF30-400/A谐波治理，谐波电流30A，输出电压400VAPFMC系列控制器模块APFMC-C30谐波电流30AAPFCOV系列变流器模块APFCOV-CVT30谐波电流30AAPF-RE系列电抗器模块APF-RE.(S)DG-30谐波电流30A，滤除APF发出的电网不需要的谐波5.4漏电火灾监测由于体育馆内人员密集，安防、消防设备供电必须可靠，有效地防止电气火灾的发生，保证广大观众和运动员的安全。Acrel-6000电气火灾监控系统由漏电（包括电流）探头、探测控制器和监控设备三部分组成。探测控制器与漏电（电流）探头需配套使用。所有需要监控的电路分支点均安装，探测控制器均并联于二总线上，监控设备由一台工业控制用PC机及外围设备组成。监控系统如图5，采用Acrel-6000/Q琴台式监控设备，消防火灾监控系统中所有设备清单见表4。专用管理软件能实时动态地显示各个监控点的工作情况，值班人员在控制中心通过观察计算机屏幕就可以了解所有监控点的工作情况。监控设备具有庞大的数据库，能够存储配电图5漏电火灾监测系统系统产生的所有情况记录，便于有关人员查询和分析。表4消防火灾监控系统设备清单监型号Acrel-6000/Q控设备监控容量≤128点（可扩展)外形尺寸1174(H)×630(W)×530(D)主要组成部件计算机工业PC，Core22.66G/1G/320G+键鼠,17″液晶显示器，WindowsXP,Acrel-6000电气火灾监控软件输入输出模块内置远程智能I/O模块声光报警器内置音箱、LED指示灯、消声按钮、复位按钮备用电源内置1kVA在线式长效型UPS探测控制器ARCM100-Z在线1路剩余电流、1路温度监测，电参量测量ARCM200BL-J4在线4路剩余电流、电参量测量ARCM300-J8在线8路剩余电流、4路温度监测，电参量测量探头AKH-0.66L70D数字式剩余电流互感器，参考额定电流≤225A5.5电能计量本奥体中心内的普通照明，锅炉、水泵、通风等动力电能计量采用安科瑞公司的终端电能计量计，该计量计采用DIN35mm导轨式安装，能计量电能及其它电参量，可进行时钟、费率时段等参数设置，并具有电能脉冲输出功能；可用RS485通讯接口与上位机实现数据交换。电能集抄系统采用国网集抄形式，即分为主站、集中器、采集器、终端仪表4层。所用仪表清单见表5。表5电能计量设备清单产品名称产品型号实现功能三相导轨式电能表DTSD1352三相电压、电流、有功功率、无功功率、有功电能、无功电能、频率、功率因数、四象限电能单相导轨式电能表DDDF1352单相电流、电压、电能计量，7位宽温型LCD显示，脉冲输出，4个模数5.6变配电室布置及土建条件该项目能源中心建筑于岩石层上，层高不低于5.7m，考虑向下挖沟及做电缆夹层的工程量较大（需要炸石），原设计高低压柜进出线均为上进上出方式，电缆桥架敷设。但因SF6绝缘紧凑型高压开关柜柜型限制，只能下进下出，因此在施工图设计中，我们将高压配电柜做局部基础抬高处理。由于高压设备的配电设计需由当地供电部门审核及深化，2008年5月供电部门提出原设计高压配电柜（SF6绝缘紧凑型开关柜）柜前操作距离只能按平台宽度算，600mm不够，此建议将高压室部分（包括高压配电柜及冷水机组控制柜）整体抬高。经过与建筑及结构专