邵 凱

（國(guó)家大劇院 工程部，北京 100031）

國(guó)家大劇院主要包括三大建筑實(shí)體：歌劇院、戲劇場(chǎng)、音樂(lè)廳。每個(gè)實(shí)體設(shè)有觀眾廳、舞臺(tái)、臺(tái)倉(cāng)、管理（辦公）室、演員化妝室、休息室、走道通廊等。三個(gè)實(shí)體處于鈦合金和玻璃的圓形殼體之下，殼體下部為共用的公共大廳。實(shí)體的地下設(shè)有設(shè)備機(jī)房及技術(shù)用房等。在建設(shè)期通過(guò)系統(tǒng)應(yīng)用變配電新技術(shù)，為劇院工作者、演員、觀眾創(chuàng)造出了高水準(zhǔn)的觀演場(chǎng)所。

1 負(fù)荷等級(jí)高、運(yùn)行方式獨(dú)特

按規(guī)范確定國(guó)家大劇院為一級(jí)負(fù)荷，局部特級(jí)。內(nèi)設(shè)2個(gè)10 kV高壓總站，引入4路10 kV高壓電源。下設(shè)9個(gè)分變電站：1#、2#站供歌劇院和車(chē)庫(kù)等一般配套，3#站供戲劇場(chǎng)，4#站供音樂(lè)廳，5#站供冷凍機(jī)房，6#、7#、8#、9#站供景觀水池（見(jiàn)圖1）。9個(gè)分變電站分別位于各負(fù)荷中心。共安裝12臺(tái)2 500 kVA，2臺(tái)1 000 kVA，2臺(tái)400 kVA變壓器，總安裝功率為32 800 kVA。

由“三站四線”供給的10 kV電源，正常運(yùn)行方式為2個(gè)高壓站4段母線分別由4條10 kV電纜進(jìn)線受電，兩站間采用雙聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)。消防負(fù)荷及特別重要負(fù)荷及三個(gè)劇場(chǎng)內(nèi)的舞臺(tái)機(jī)械、燈光、音響、觀眾廳照明均考慮雙電源交叉供電（見(jiàn)圖2）。

10 kV電源備自投的基本原則：當(dāng)某一段母線由于電源側(cè)故障而失壓時(shí)，在檢查備用進(jìn)線或者另一段母線電壓正常的條件下，經(jīng)一短延時(shí)跳開(kāi)本段進(jìn)線斷路器。投入備用電源，若備自投不成功，則立刻投入第二備用電源。備自投裝置考慮了下游側(cè)故障的閉鎖措施。

10 kV母線分段柜設(shè)兩臺(tái)備自投方式轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，分別控制4號(hào)、5號(hào)母線的備自投，每只備自投切換開(kāi)關(guān)的位置與上述各種運(yùn)行方式相對(duì)應(yīng)。

在2個(gè)10 kV高壓總站設(shè)合環(huán)解列裝置，實(shí)現(xiàn)不斷電切換操作。每個(gè)站需要合環(huán)解列的斷路器共5臺(tái)，分別是201、202、245、203及204，每站只設(shè)一只合環(huán)選跳開(kāi)關(guān)設(shè)在母線提升柜上。在進(jìn)行切換操作時(shí)可以根據(jù)選取跳的斷路器確定開(kāi)關(guān)的位置。

2 減振降噪及凈化電源

為滿足國(guó)家大劇院安靜的聲學(xué)環(huán)境要求，配電系統(tǒng)干式變壓器鐵芯選用0.27 mm進(jìn)口優(yōu)質(zhì)硅鋼片，5步進(jìn)疊片工藝，本體噪聲低于國(guó)家低噪音變壓器標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)表1）。同時(shí)，在底部加裝了減振阻尼彈簧裝置，由于設(shè)備會(huì)產(chǎn)生50 Hz及其諧頻段的振動(dòng)，在支撐系統(tǒng)的尺寸和參數(shù)上做了精心的設(shè)計(jì)，保證其自振頻率低于5 Hz，靜態(tài)載荷下的下沉度大于10 mm，有效地阻隔了物體傳導(dǎo)振動(dòng)。

同時(shí)，所有機(jī)電設(shè)備均選用節(jié)能降噪環(huán)保產(chǎn)品，并在現(xiàn)場(chǎng)采取減振措施。

劇場(chǎng)設(shè)備非線性負(fù)荷較多，特別是舞臺(tái)燈光、變頻器、軟啟動(dòng)器的廣泛使用，均會(huì)引起電源波形畸變，高次諧波問(wèn)題突出。為此，變壓器接線組別采用Dyn11方式，在低壓配電線路上中性線與相線使用同截面。施工中合理布線，降低干擾，并進(jìn)行屏蔽。所有調(diào)光設(shè)備和變頻器均采取了抑制諧波措施。

為確保擴(kuò)聲系統(tǒng)不被其他變頻設(shè)備產(chǎn)生的噪音（如電梯、舞臺(tái)機(jī)械及燈光用電）干擾，在三個(gè)劇場(chǎng)為擴(kuò)聲系統(tǒng)采用單獨(dú)相線供電。同時(shí)為保障供電質(zhì)量，在舞臺(tái)音響、功放等共16處供電回路末端（配電箱前級(jí)）專(zhuān)門(mén)配置了隔離變壓器，并在線圈間裝設(shè)屏蔽銅板，以使供電電源更潔凈（見(jiàn)圖3）。

表1 變壓器技術(shù)參數(shù)

使用低壓智能電力監(jiān)控儀表對(duì)所有低壓回路的三相相電壓、線電壓、電流，中性線電流、有功、無(wú)功、視在功率，以及有功電度、無(wú)功電度、頻率、電流、電壓總諧波含量、電壓三相不平衡度等進(jìn)行監(jiān)控。同時(shí)，在三個(gè)劇場(chǎng)的重要設(shè)備，重點(diǎn)回路加裝電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)行狀態(tài)、分析指標(biāo)，為治理方案的制定積累數(shù)據(jù)。

3 安全高效的接線

鑒于經(jīng)過(guò)交聯(lián)改性的聚乙烯可使其性能得到大幅度的改善，不僅能提高聚乙烯的力學(xué)、耐環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂、耐化學(xué)藥品腐蝕、抗蠕變性和電性能等綜合性能，而且可明顯提高耐溫等級(jí)，使聚乙烯的耐熱溫度從70℃提高到100 ℃以上。為最大限度地確保劇場(chǎng)安全高效運(yùn)行，大劇院高低壓系統(tǒng)配電干線及支干線長(zhǎng)度共計(jì)100 km，全部使用交聯(lián)聚乙烯電力電纜。并根據(jù)用電區(qū)域不同分別使用鋼帶鎧裝低煙無(wú)鹵阻燃、金屬屏蔽低煙無(wú)鹵阻燃等類(lèi)別電纜。長(zhǎng)度達(dá)48 km多的消防系統(tǒng)低壓干線則全部選用氧化鎂礦物絕緣電纜（見(jiàn)表2）。

低壓配電系統(tǒng)使用基于德國(guó)墨勒公司技術(shù)生產(chǎn)的緊湊型MODAN6000配電柜和與之配套的密集母線，采用上進(jìn)上出接線方式，解決了劇院用電負(fù)荷大、建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜、有效使用空間狹小等問(wèn)題（見(jiàn)表3）。

4 特殊的防雷接地體系

國(guó)家大劇院工程屬于第二類(lèi)防雷建筑，防雷接地體系包括防雷接地、建筑物等電位接地、雷擊電磁脈沖防護(hù)等項(xiàng)。

防雷接地采用整體獨(dú)立的鋼結(jié)構(gòu)肋架作為防雷網(wǎng)。利用鈦板屋面及玻璃幕墻構(gòu)架作為接閃器。防雷引下線地上采用鋼網(wǎng)架，地下采用95 mm2銅絞合裸銅導(dǎo)線。二者結(jié)合部采用95 mm2銅絞合裸銅導(dǎo)線放熱式焊接。每四品（或三品）鋼結(jié)構(gòu)設(shè)一個(gè)引下點(diǎn)，沿整個(gè)橢圓肋架外圈引下至基礎(chǔ)。接地極利用基礎(chǔ)底板主筋，建筑物外圍敷設(shè)一圈95 mm2銅絞合鍍錫裸銅線環(huán)形接地體和室外護(hù)坡樁工字鋼?；A(chǔ)底板內(nèi)上下層被利用主筋按一定間距采用Φ20以上鋼筋可靠焊接為一體。

表2 配電線路電纜分布表

表3 封閉母線設(shè)置位置及規(guī)格型號(hào)

表4 供電線路智能監(jiān)控?cái)?shù)量

表5 配電線路智能監(jiān)控?cái)?shù)量

共設(shè)6處等電位接地母排（即MEB端子箱）。由于防雷引下銅線與連續(xù)墻主筋可靠焊接，鋼筋已被利用于防雷及接地。以上6處接地點(diǎn)，其接地預(yù)埋件與環(huán)形接地極之間，以95 mm2+ 240 mm2銅線焊接，銅線沿途與鋼筋可靠焊接。且MEB引出接地端子板就分別設(shè)在預(yù)埋件處，并與其可靠焊接。每一電源進(jìn)線都作等電位聯(lián)結(jié)，各個(gè)等電位聯(lián)結(jié)端子板互相連通。

為防止直擊雷和感應(yīng)雷對(duì)設(shè)備造成損壞，在低壓進(jìn)線開(kāi)關(guān)處及供室外末端裝置的配電盤(pán)加裝第一級(jí)電涌保護(hù)器。保護(hù)電壓等級(jí)Up = 2 kV，最大放電電流 Imax= 65 kA。在重要負(fù)荷和消防、樓宇、安防、通信、有線電視、錄音錄像、音響、燈光控制、舞臺(tái)監(jiān)督控制等弱電機(jī)房的總配電盤(pán)加裝第二級(jí)電涌保護(hù)器。保護(hù)電壓等級(jí)Up = 1.8 kV，最大放電電流 Imax= 40 kA。

在環(huán)繞大劇院四周的接地體附近綠地上，分別設(shè)置了8個(gè)接地井，以便于接地電阻的檢測(cè)，及將來(lái)加打接地極。

5 智能監(jiān)控系統(tǒng)

國(guó)家大劇院變配電設(shè)備配置了智能監(jiān)控系統(tǒng)，高壓北站和高壓南站采用RCS-9000系列綜合保護(hù)測(cè)控單元，采集高壓系統(tǒng)信號(hào)。設(shè)置專(zhuān)用遠(yuǎn)動(dòng)通訊管理機(jī)，通過(guò)光纖路由與城區(qū)配網(wǎng)自動(dòng)化主站系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通信。所有低壓回路配置獨(dú)立的三相綜合電力監(jiān)控儀表，具有遙測(cè)、遙信、遙控、遠(yuǎn)方參數(shù)設(shè)置及網(wǎng)絡(luò)通訊一體化功能。

系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，分為站控層、前置層和間隔層。站控層負(fù)責(zé)整體配電系統(tǒng)的集中監(jiān)控。前置層具有數(shù)據(jù)處理及通信功能，用以實(shí)現(xiàn)間隔層設(shè)備和站控層設(shè)備之間信息的“上傳下發(fā)”，并監(jiān)視和管理各保護(hù)及測(cè)控單元等設(shè)備。間隔層負(fù)責(zé)各間隔就地監(jiān)控，測(cè)控單元通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)通訊管理機(jī)連接及通信。

供配電線路智能監(jiān)控?cái)?shù)量見(jiàn)表4及表5。

通過(guò)精心設(shè)計(jì)和施工，采取的多種技術(shù)措施確保了國(guó)家大劇院供電質(zhì)量，投入使用兩年來(lái)，系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠，為8個(gè)演出季（周）共2 417場(chǎng)演出提供了電力保障。

國(guó)家大劇院的變配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)踐為今后新建劇院確定供電等級(jí)、確保供電質(zhì)量，抑制高次諧波提供潔凈電源、防雷接地以及選用高效、環(huán)保、減振降噪設(shè)備和智能監(jiān)控、項(xiàng)目管理、演出成本分析等方面系統(tǒng)地提供了可參考借鑒的經(jīng)驗(yàn)。