胡 峻

(中信建筑設(shè)計研究總院有限公司，武漢 430014)

0 引言

隨著我國世界影響力的日益提升，各地舉辦國際性大型賽會等重要活動越來越頻繁，這些大型賽會通常都會以一個氣勢恢宏、精彩紛呈的開閉幕式來展示主辦方形象，其供電可靠性直接關(guān)系到政治或社會影響，各級相關(guān)部門重視程度很高。而隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，聲、光、電等高科技數(shù)字技術(shù)在開閉幕式中的應(yīng)用越來越多，對其供電可靠性的要求也越來越高。

1 開閉幕式負(fù)荷需求分析

大型賽會開閉幕式用電通常包括火炬塔點火系統(tǒng)、燈光、音響、舞美、威亞、通信、控制系統(tǒng)等，根據(jù)對近年來我國舉行的一些重大賽會開閉幕式用電負(fù)荷統(tǒng)計(參見表1)，開閉幕式用電負(fù)荷容量較大，多在5 000kW以上，另外還具有用電點分散、負(fù)荷特性多樣的特點。

JGJ 354-2014《體育建筑電氣設(shè)計規(guī)范》第3.4.1條明確指出，“綜合運(yùn)動會主體育場不應(yīng)將開幕式、閉幕式或極少使用的大容量臨時負(fù)荷納入永久供電系統(tǒng)。”因此體育場館一般均需要為開閉幕式用電配置臨時電源。

參考JGJ16-2008《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》中供配電系統(tǒng)負(fù)荷等級劃分的原則，大型賽會開閉幕式一般有國家領(lǐng)導(dǎo)人出席，其用電屬于特別重要場所不允許中斷供電的負(fù)荷，屬于一級負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷。

重大體育賽會開閉幕式用電負(fù)荷統(tǒng)計表 表1

2 開閉幕式臨時用電典型供電方案及可靠性分析

因開閉幕式用電均屬于臨時負(fù)荷，國內(nèi)尚無相關(guān)的設(shè)計規(guī)范，大型賽會開閉幕式供電系統(tǒng)方案以確保用電可靠性為主，通常是由第三方保電團(tuán)隊來設(shè)計實施，采用柴油發(fā)電機(jī)組、箱式變電站、配電箱柜、UPS、臨時電纜等組成臨時供電系統(tǒng)。根據(jù)筆者對近些年以來在我國舉行的大型賽會開閉幕式供電系統(tǒng)的調(diào)研，目前主要有以下幾種典型的供電方案。

2.1 市電-發(fā)電機(jī)混合供電方式

在市電供電條件較好的情況下，可采用市電和柴油發(fā)電機(jī)組混合供電的方式，圖1為一種典型的市電與發(fā)電機(jī)組混合供電的方案。

圖1 柴油發(fā)電機(jī)與市電混合供電方式

該方案中，市電為開閉幕式用電引接兩路或三路獨(dú)立的10kV專線供電，低壓側(cè)每兩臺箱式變壓器與若干臺發(fā)電機(jī)組組成一個供電單元，發(fā)電機(jī)組與市電均為開閉幕式負(fù)荷供電。正常運(yùn)行時市電和發(fā)電機(jī)各帶一半負(fù)荷，兩路市電變壓器主進(jìn)線開關(guān)Q1與Q2、母聯(lián)開關(guān)Q3、發(fā)電機(jī)組進(jìn)線開關(guān)Q4采用PLC編程實現(xiàn)閉鎖，邏輯關(guān)系如表2所示。

發(fā)電機(jī)組與2路市電供電邏輯關(guān)系表(0—分閘，1—合閘) 表2

該方案中，成組的兩臺箱式變壓器中每臺變壓器的負(fù)荷率均≤50%，一路電源失電或一臺箱變故障時，另一臺箱變應(yīng)能承擔(dān)全部負(fù)荷的容量。發(fā)電機(jī)組采用多臺模塊化機(jī)組并機(jī)運(yùn)行，其容量至少按照N+1模式進(jìn)行配置，開閉幕式期間所有發(fā)電機(jī)組同時投入并機(jī)運(yùn)行，任意一臺發(fā)電機(jī)故障時自動退出運(yùn)行，剩余發(fā)電機(jī)組仍能承擔(dān)所有負(fù)荷容量。

2.2 柴油發(fā)電機(jī)主供、市電備用方式

出于對市電供電條件的限制或?qū)κ须婋娫床豢煽匦缘目剂?，很多時候大型賽會開閉幕式會采用柴油發(fā)電機(jī)組主供、市電備用的方案，圖2是一種典型的以柴油發(fā)電機(jī)組主供、市電備供的方案。

圖2 柴油發(fā)電機(jī)主供、市電備用供電方式

該方案中，由柴油發(fā)電機(jī)組提供主供電源，市電中壓采用一路或二路10kV電源供電，通過箱式低壓饋出回路提供備用電源，與柴油發(fā)電機(jī)組電源組成雙電源互投后饋線給負(fù)載。為開閉幕式提供發(fā)電機(jī)組的容量按照N+1或2N模式進(jìn)行配置，任意一臺發(fā)電機(jī)組故障不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行，若發(fā)電機(jī)組故障，則通過雙電源轉(zhuǎn)換開關(guān)切換至市電側(cè)供電，因市電主要作為備用，箱式變壓器的容量可按照所承擔(dān)負(fù)荷的總?cè)萘窟M(jìn)行配置。

2.3 柴油發(fā)電機(jī)組獨(dú)立供電方式

在市電條件不允許的條件下，亦可采用柴油發(fā)電機(jī)組對開閉幕式用電獨(dú)立供電的模式，如圖3所示。

圖3 柴油發(fā)電機(jī)組獨(dú)立供電方式

該方案中，系統(tǒng)由4臺柴油發(fā)電機(jī)組構(gòu)成雙母線分段系統(tǒng)，Ⅰ段母線及Ⅱ段母線系統(tǒng)均為兩臺柴油發(fā)電機(jī)組成，正常工作時，兩套母線系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，通過雙電源切換柜ATS互為備用。該方案中，發(fā)電機(jī)組的容量一般按雙(N+1)或雙2N冗余進(jìn)行配置，組成單母線分段供電系統(tǒng)，成組的發(fā)電機(jī)組同時運(yùn)行，互為備用，每組負(fù)載率低于50%。

2.4 發(fā)電機(jī)遠(yuǎn)程供電方式

近年來，由于大型賽會安保要求不斷加強(qiáng)，柴油發(fā)電機(jī)組需要大量的燃油維持運(yùn)行，出于安全考慮，一些重要賽會開閉幕式中不允許在開閉幕式場地周圍設(shè)置燃油設(shè)施，因此出現(xiàn)了一些遠(yuǎn)程發(fā)電機(jī)組供電的方式。此方案一般在距離開幕式場地約2～3km范圍的場地集中設(shè)置發(fā)電機(jī)組，采用0.4kV模塊化柴油發(fā)電機(jī)組并機(jī)發(fā)電，通過0.4/10kV升壓變壓器升壓至10kV后再輸送到賽場內(nèi)10kV開關(guān)站，經(jīng)10/0.4kV變壓器降壓后再對開閉幕式負(fù)荷供電，同時在10kV開關(guān)站設(shè)置10kV市電作為備供電源，如圖4所示。

本方案中，從系統(tǒng)本身來說，采用10kV柴油發(fā)電機(jī)組更合理，可以減少升壓環(huán)節(jié)，但因第三方保電公司購置的柴油發(fā)電機(jī)組通常均為0.4kV機(jī)組，因此需要采用先升壓后降壓的方式，而不是直接采用高壓柴油發(fā)電機(jī)組。該方案中，柴油發(fā)電機(jī)組、升壓變的配置均按照2N冗余配置，避免一路電源失效后影響電源側(cè)的供電，10/0.4kV箱式變壓器的容量也應(yīng)按照2N配置，一路電源失電或一臺變壓器故障時，另一臺變壓器應(yīng)能承擔(dān)所有負(fù)荷容量。

圖4 柴油發(fā)電機(jī)組遠(yuǎn)程供電方式

2.5 幾種開閉幕式典型供電方案的優(yōu)缺點分析

影響大型賽會開閉幕式供電方案的因數(shù)有很多，如現(xiàn)場供電條件、賽事執(zhí)委會、導(dǎo)演團(tuán)隊對供電可靠性的技術(shù)要求、上級安保及消防要求、當(dāng)?shù)毓╇姴块T要求等，幾種常用供電方式的適用條件及優(yōu)缺點分析參見表3。

幾種開閉幕式典型供電方式分析表 表3

上述幾種供電方式均對應(yīng)有一些大型賽會實際應(yīng)用案例，不能簡單地判斷哪一種供電方案最優(yōu)，大型賽會開閉幕式燈光負(fù)荷中的多媒體投影燈、電影機(jī)、追光燈、PIGI燈一旦斷電后再恢復(fù)供電，均需要一定的時間才能恢復(fù)工作。雖然在系統(tǒng)設(shè)計時，考慮了最不利情況下的電源轉(zhuǎn)換方案，但是實際在演出時，必須確保這類負(fù)荷電源不間斷，盡可能避免出現(xiàn)備用電源的切換，因此供電方案中電源的冗余度、電源轉(zhuǎn)換的可靠性及轉(zhuǎn)換時間、電源的抗沖擊能力都需要設(shè)計師重點考慮，同時還要根據(jù)電源方案和負(fù)載特性對末端負(fù)載采用不同的配電方式。

3 開閉幕式臨時用電低壓配電系統(tǒng)探討

大型賽會開閉幕式用電設(shè)備眾多，用電負(fù)荷性質(zhì)不一，除了各種燈光類負(fù)載外，還有地面舞臺機(jī)械、威亞、水特效、火炬塔機(jī)械等多種電機(jī)類負(fù)載，容量很大，通常會設(shè)置大量的二級配電箱，用電點較為分散，若全部采用UPS供電或雙電源末端切換供電方式較不現(xiàn)實，因此需要根據(jù)負(fù)荷的重要性及負(fù)載特性來確定合理的低壓配電方式，通常有圖5所示的幾種配電方式。

注：1：直接放射式供電到二級配電箱；2：單電源加裝UPS供電；3：雙電源適當(dāng)位置切換后供電；4：雙電源末端切換，并配置UPS不間斷電源。圖5 開閉幕式低壓配電方式

根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗證明，在正確可靠施工并試驗合格后，柴油發(fā)電機(jī)組、變壓器和線路都是可靠的供電元件，在電源側(cè)考慮多種電源供電及充足冗余度的情況下，由于線路故障造成用電設(shè)備斷電的情況極少，且這種事故往往都是由于誤操作造成，在加強(qiáng)電力保障、健全必要的規(guī)章制度后完全可以避免，因此在開閉幕式低壓配電設(shè)計時，應(yīng)力求按“簡單的才是可靠的”供電原則，減少配電級數(shù)及中間環(huán)節(jié)切換。

針對不同負(fù)荷特性，采取以下配電策略：(1)對于核心控制機(jī)房等負(fù)載，應(yīng)考慮雙電源末端切換并配置帶冗余的UPS不間斷電源。(2)對于大功率舞臺機(jī)械電機(jī)類負(fù)載，可以采用直接放射式供電到二級配電箱或者采用雙電源在適當(dāng)位置互切后供電。(3)對于場地?zé)艄忸愗?fù)荷，結(jié)合專業(yè)設(shè)計的點位布置，可以采取兩路單電源交叉供電的方式，任意一路電源斷電只影響場地?zé)艄獾牧炼龋挥绊懻w效果。(4)部分大功率回路，末端不具備設(shè)置UPS的條件可以在前端設(shè)置帶冗余的UPS不間斷電源后供電。

此外，筆者經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，近年來國內(nèi)在大型賽會開閉幕式供配電設(shè)計中出現(xiàn)了一些誤區(qū)，有些設(shè)計方案似乎認(rèn)為各種極端故障情況考慮得越全面，電源和線路冗余度越高，各種電源切換次數(shù)越多，系統(tǒng)就越可靠，甚至出現(xiàn)了從電源側(cè)到末端有4～5級ATSE切換的配電系統(tǒng)，其實無論設(shè)置多少ATSE，其在進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換時都需要一定的轉(zhuǎn)換時間，并不能滿足不間斷供電的要求，且多級轉(zhuǎn)換的ATSE還要考慮上下級轉(zhuǎn)換配合問題，轉(zhuǎn)換級數(shù)越多，其靠近末端的ATSE轉(zhuǎn)換時間越長。另外，ATSE雙電源轉(zhuǎn)換開關(guān)數(shù)量增多，由于電氣設(shè)備故障造成斷電的機(jī)率也隨之增加，反而降低了供電可靠性，所以低壓配電設(shè)計中應(yīng)盡量減少中間的配電及轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。

4 結(jié)束語