孫　瑜

(上海建筑設(shè)計研究院有限公司, 上海　200041)

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質(zhì)子重離子醫(yī)院配電設(shè)計

孫瑜

(上海建筑設(shè)計研究院有限公司, 上海200041)

摘要：從工藝負(fù)荷和電源設(shè)計、10 kV快速切換熱并方案、分布式供能系統(tǒng)、工藝專用接地設(shè)計方面,介紹了上海市質(zhì)子重離子醫(yī)院的配電設(shè)計及其特點。指出電氣設(shè)計醫(yī)院項目對配電系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性要求高,分布式供能系統(tǒng)利用發(fā)電機組余熱來實現(xiàn),工藝接地引自就近基礎(chǔ)鋼筋以滿足接地電阻的要求。

關(guān)鍵詞：工藝負(fù)荷; 分布式供能系統(tǒng); 工藝專用接地; 高頻接地

0引言

上海市質(zhì)子重離子醫(yī)院是一所提供質(zhì)子重離子放療的現(xiàn)代化放射腫瘤學(xué)治療和研究機構(gòu),除了配備質(zhì)子及碳離子放療設(shè)備外,還配備了直線加速器系統(tǒng)、磁共振儀、CT機等大型臨床診斷治療設(shè)備。

本文重點介紹質(zhì)子重離子醫(yī)院的配電設(shè)計,以期為類似工程提供參考。

1工程概況

上海市質(zhì)子重離子醫(yī)院工程為一級負(fù)荷用電單位,其中通信系統(tǒng)、消防設(shè)備、應(yīng)急與安全照明、安防系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡(luò)機房、監(jiān)護病房、搶救室、核磁共振儀、治療用CT和X光機、治療室電力照明、同步加速器裝置、配套用冷凍冷卻系統(tǒng)、配套用水處理系統(tǒng)為一級負(fù)荷,同步加速器裝置配套用真空泵、工藝?yán)鋮s泵、控制裝置、機器人、成像設(shè)備等為一級負(fù)荷中的特別重要負(fù)荷,診斷用CT和X光機、客梯用電、高級病房等為二級負(fù)荷,其余為三級負(fù)荷。電業(yè)局提供二路互為獨立的35 kV電源,二路電源同時運行,互為備用。共設(shè)三個變電所,其中1#變電所為35 kV總變電站,2#變電所設(shè)于西側(cè)地下室,3#變電所設(shè)于東側(cè)地下室,是PT設(shè)備的專用變電站。

2工藝負(fù)荷特點和電源設(shè)計

該工程的變配電系統(tǒng)是一個為大型醫(yī)療裝置及其相關(guān)配套設(shè)施供電的電源系統(tǒng),對系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性及其電源的質(zhì)量有很高的要求,同時負(fù)荷本身相對復(fù)雜。

2.1工藝負(fù)荷

從安全角度考慮,該工程中既有突然停電將會造成重大經(jīng)濟損失的工藝負(fù)載(如電磁鐵),也有停電可能導(dǎo)致人員生命危險的工藝負(fù)載(如防輻射系統(tǒng));同時與外方工藝團隊簽署了關(guān)于電源可靠性和工藝開機率的保證協(xié)議,可見電源的可靠性設(shè)計很重要。從電壓等級考慮,專用的工藝設(shè)備,需采用不同于國內(nèi)的電壓等級;常規(guī)設(shè)備,需采用國內(nèi)的工頻電壓。從電源特性考慮,有的負(fù)荷是大的諧波發(fā)生源(如電磁鐵),也有對諧波耐受較差的控制類負(fù)荷。根據(jù)工藝的要求,不同性質(zhì)的電源需用不同顏色的終端面板加以區(qū)分。

2.2電源設(shè)計

針對負(fù)荷特點,該工程變配電系統(tǒng)進行了針對性的系統(tǒng)設(shè)計,主要采用了“清污分流”,設(shè)置專用濾波設(shè)備和專用電能管理系統(tǒng)等。根據(jù)不同的負(fù)載性質(zhì),設(shè)置了6~7類不同等級的電源配置(如工藝用不間斷電源,建安用柴油機電源等)。各種性質(zhì)的電源需要適應(yīng)不同的工況,以滿足在不同情況下的開機或停機要求,即要求電源的可靠性,也需要在配電上具有靈活性。

該工程3#變電所總有9臺變壓器,其中設(shè)置5臺工藝用變壓器,變壓器二次側(cè)的電壓等級根據(jù)工藝設(shè)備的電壓等級設(shè)置。5臺工藝變壓器中,1臺變壓器為冗余,與其余4臺變壓器關(guān)系為4用1備,備用方式為熱備用。根據(jù)工藝設(shè)備的開機率要求和負(fù)載特性進行設(shè)計,確保供應(yīng)工藝設(shè)備的電源,在配電系統(tǒng)中任意一個元器件發(fā)生故障后,經(jīng)短時停電即可恢復(fù)供電。PT設(shè)備專用變壓器接線示意圖如圖1所示。

該工程的工藝?yán)鋮s水泵有一組4用1備的水泵。除常規(guī)的工況外,在外部電源均失電的情況下需由柴油機供應(yīng)1臺機組,以確保機組安全停機和散熱。在電氣設(shè)計時需同時考慮2個不同性質(zhì)的電源和各種工況下水泵的工作和備用。設(shè)計時采用了4臺水泵進入工藝電源系統(tǒng),1臺水泵進入工藝用柴油機電源系統(tǒng),并在4#、5#泵設(shè)置聯(lián)鎖開關(guān),既滿足了工藝的特殊要求,又兼顧供電系統(tǒng)的靈活性、可靠性,防止倒送電和柴油機狀態(tài)下的過負(fù)荷。

310 kV快速切換熱并方案

3.1快速切換需求分析

該工程工藝負(fù)荷需要24 h以上連續(xù)工作,其中一些大型設(shè)備短時停電后,需要快速恢復(fù)供電,以確保系統(tǒng)的安全。根據(jù)工藝的要求,后期在35 kV變電所的10 kV配電側(cè)設(shè)置快速切換裝置,實現(xiàn)當(dāng)一路35 kV電源故障時,10 kV系統(tǒng)可以快速切換,主要設(shè)備可以快速恢復(fù)供電;當(dāng)故障電源恢復(fù)正常后,可以熱并車,避免供電恢復(fù)切換導(dǎo)致一些控制設(shè)備的二次停電。10 kV快速切換方案如圖2所示。

3.2系統(tǒng)正常運行方式

系統(tǒng)正常運行方式為2路進線合閘,母聯(lián)分閘,分段運行。

3.3事故情況下動作方式(假設(shè)Ⅰ段進線故障)

(1) 保護起動。起動條件通過1#變壓器進線的主保護動作出口信號以及進線是否有電流來判斷。當(dāng)檢測到Ⅰ段進線主保護動作出口信號及進線1無電流,起動1#快切裝置,同時閉鎖2#快切裝置,斷開1#進線開關(guān),快速合上3#母聯(lián)開關(guān),保證10 kV裝置變供電的連續(xù)性。

(2) 失壓起動。當(dāng)檢測到Ⅰ段母線失壓及進線1無電流,起動1#快切裝置,同時閉鎖2#快切裝置,斷開1#進線開關(guān),快速合上3#母聯(lián)開關(guān),保證10 kV裝置變供電的連續(xù)性。

3.4正常情況下起動和切換方式

正常情況下的檢修(如進線檢修,切換到母聯(lián)工作)或倒閘操作(進線故障解除后,從母聯(lián)恢復(fù)到進線),裝置提供手動起動方式,通過手動操作轉(zhuǎn)換開關(guān),可實現(xiàn)檢修和倒閘操作時供電的不中斷。

3.5熱并切換方式及環(huán)流計算

熱并的條件為:兩臺35/10 kV變壓器額定電壓相等,相位相同,阻抗電壓標(biāo)準(zhǔn)值相等,短路阻抗角相等,有載調(diào)壓擋位一致。相位差相等可通過快速切換裝置判斷并實現(xiàn)。

考慮到熱并方案存在短時間的并聯(lián)運行,10 kV開關(guān)自動恢復(fù)。系統(tǒng)存在短時的并聯(lián)運行,因此會產(chǎn)生環(huán)流。假定兩臺變壓器之間有載調(diào)壓存在一個擋位差,則上述條件產(chǎn)生的環(huán)流為91.6 A。因此,10 kV開關(guān)自動恢復(fù)時,預(yù)計產(chǎn)生的環(huán)流不大于91.6 A。

4分布式供能系統(tǒng)

該工程每天不僅需要消耗大量的電能,同時又消耗大量的蒸汽、熱水和空調(diào)冷量等能源,即消耗的能源中包含了電能、熱能和冷能三種能源。在我國鼓勵開發(fā)利用天然氣資源的背景下,該工程在設(shè)計時設(shè)置分布式供能系統(tǒng)。

圖1　PT設(shè)備專用變壓器接線示意圖

4.1系統(tǒng)方案設(shè)計的原則

(1) 綜合考慮系統(tǒng)的電、熱水負(fù)荷及熱利用方式,使熱水、電供給都能自行平衡,在滿足需求的前提下優(yōu)化系統(tǒng)配置。

(2) 充分考慮初投資、運行費用、管理維護等因素。

圖2　10 kV快速切換方案

(3) 符合當(dāng)?shù)氐沫h(huán)保指標(biāo)和消防要求。

(4) 該工程設(shè)置20多個不同類型的變壓器,其中2臺為建安動力變壓器,其負(fù)載工作時間與分布式供能熱水負(fù)載曲線接近。因此,分布式供能機組與建安動力變壓器并網(wǎng)運行。

4.2熱電聯(lián)供發(fā)電機組的選擇

根據(jù)DG/TJ 08-115—2008《分布式供能系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)程》,發(fā)電機組的容量應(yīng)小于上級變壓器容量的30%,在該項目中動力負(fù)荷用變壓器容量為1 600 kVA,即發(fā)電機組應(yīng)小于480 kVA(384 kW)。考慮到該醫(yī)院需要大量的熱水,而內(nèi)燃機余熱中有50%為缸套熱量回收的熱水,因此從技術(shù)經(jīng)濟、余熱利用等方面考慮,采用天然氣內(nèi)燃機作為發(fā)電機組。

4.3分布式供能系統(tǒng)設(shè)計

依據(jù)能源梯級利用設(shè)計原則,分布式供能系統(tǒng)利用發(fā)電機組余熱來實現(xiàn)。發(fā)電機組采用400 V輸出,接入用戶提供的一臺變電器低壓側(cè),實現(xiàn)自動同步并網(wǎng)。選擇一臺250 kW的天然氣內(nèi)燃機發(fā)電機組,余熱用于生產(chǎn)生活熱水。分布式供能系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

圖3　分布式供能系統(tǒng)示意圖

4.4熱電聯(lián)供技術(shù)經(jīng)濟性分析

該方案增加投資費用約為420萬元,每日運行16 h,年節(jié)約標(biāo)煤為294 t,年節(jié)約能源運行費用約為82萬元,靜態(tài)回收期約為5 a,具有較好的經(jīng)濟性。

4.5分布式供能系統(tǒng)作為備用電源的討論

目前分布式供能系統(tǒng)的發(fā)電原則上作為余熱回收來使用,在設(shè)計原動機容量時常根據(jù)制熱量進行計算和選取。相應(yīng)地在系統(tǒng)運行時,制熱負(fù)荷是設(shè)備運行的基礎(chǔ),原動機的發(fā)電量是根據(jù)制熱量變化的,導(dǎo)致實際發(fā)電量也是浮動的。因此,一般小型系統(tǒng)的電能使用常采取并網(wǎng)的方式,即作為正常電網(wǎng)的補充。本文認(rèn)為還沒有全部開發(fā)出分布式供能系統(tǒng)在電氣中的作用,原動機本身也可作為穩(wěn)定的發(fā)電機使用,可作為非消防負(fù)荷的備用電源。在分布式供能的配電系統(tǒng)中設(shè)置兩套配電母線,其中一段母線作為分布式供能常規(guī)使用,以達到節(jié)能減排的目的;另一段母線作為備用電源使用,當(dāng)市電故障時將分布式供能的原動機優(yōu)先作為發(fā)電機使用。當(dāng)工作在備用電源狀態(tài)時,穩(wěn)定發(fā)電優(yōu)于分布式供能。

上述方案在電氣設(shè)計時較易實現(xiàn),希望能共同商討應(yīng)用的可行性,并制定相應(yīng)的行業(yè)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),也希望原動機的生產(chǎn)廠家能提供針對性的設(shè)備方案。

5工藝專用接地設(shè)計

該工程采用聯(lián)合接地系統(tǒng),除常規(guī)接地外,還設(shè)置了工藝用專用接地。工藝接地設(shè)備根據(jù)光速線的空間運行軌跡和工藝設(shè)備的布置進行設(shè)置,不但需與工頻電源接地獨立(達到“干凈”接地的效果),還需在高頻狀態(tài)下滿足高頻接地電阻的要求,接地材質(zhì)選用集膚效應(yīng)更好的專用接地材質(zhì)。

工藝設(shè)備接地和配電系統(tǒng)接地引自同一接地基礎(chǔ)。其中配電系統(tǒng)接地采用TN-S系統(tǒng),由變電所總等電位聯(lián)結(jié)引出,通過配電系統(tǒng)連接至各個設(shè)備。工藝設(shè)備接地引自就近基礎(chǔ)鋼筋,并設(shè)置人工接地極,以達到接地電阻要求。因此,諧波電流無法通過中性線傳遞至工藝接地,滿足了工藝“干凈”接地的要求。電力控制中心接地示意圖如圖4所示。

圖4　電力控制中心接地示意圖

6結(jié)語

上海質(zhì)子重離子醫(yī)院的電氣設(shè)計,除了醫(yī)療建筑的電氣設(shè)計內(nèi)容,還有很多特殊的設(shè)計。近幾年以質(zhì)子或重離子的作為治療手段的醫(yī)院或科研項目在國內(nèi)陸續(xù)出現(xiàn),本文可為類似的工程提供參考。

參考文獻

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[3]JGJ 16—2008民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范[S].

【編輯部聲明】

本刊已許可萬方數(shù)據(jù)、重慶維普、中國學(xué)術(shù)期刊(光盤版)電子雜志社在其網(wǎng)站及其系列數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品中以數(shù)字化方式復(fù)制、匯編、發(fā)行、信息網(wǎng)絡(luò)傳播本刊全文。該社著作權(quán)使用費與本刊相關(guān)費用抵消。如作者不同意文章被收錄，請在來稿時向本刊聲明，本刊將做適當(dāng)處理。

《現(xiàn)代建筑電氣》編輯部

俞　洋(1960—),男,高級工程師,從事建筑電氣設(shè)計工作。

趙波(1982—),男,工程師,從事電動機控制器的設(shè)計與應(yīng)用。

王君偉(1978—),男,從事自動化儀表方面的工作。

周佳(1988—),男,從事電機保護控制節(jié)能方面的工作。

邵樺(1989—),男,從事電機保護控制節(jié)能方面的工作。

孫　瑜(1980—),男,高級工程師,從事建筑電氣方面的研究。

Power Distribution Design of Proton & Heavy Ion HospitalSUNYu

(Shanghai Institute of Architectural Design & Research Co., Ltd., Shanghai 200041, China)

Abstract：This paper introduced the power distribution design and characteristics of Shanghai proton & heavy ion hospital in aspect of technical load and power design,10 kV automatic switchover and synchronous parallel operation,distributed energy resource (DER)system,and technical grounding design.It is pointed out that the reliability and stability requirements of distribution system are higher.The DER system is realized by the waste heat of generating sets.The technical grounding quotes from the near foundation reinforcement to meet the requirements of the grounding resistance.

Key words:technical load; distributed energy resources(DER) system; technology special grounding; high frequency grounding

收稿日期：2015-03-30

中圖分類號：TU 852

文獻標(biāo)志碼：B

文章編號：1674-8417(2015)06-0001-05