張 林，申 偉

(北京市建筑設計研究院有限公司，北京 100055)

引言

從2008到2022，北京成為世界首個“雙奧之城”，國內(nèi)體育產(chǎn)業(yè)得到迅猛發(fā)展，各項體育賽事也接踵而來。場地照明作為賽時直接面向運動員、觀眾及轉(zhuǎn)播媒體的末端用電設備，其配電系統(tǒng)的安全性與可靠性對于賽事能否順利舉行有著密切關(guān)系。本文結(jié)合國家速滑館等場地照明配電系統(tǒng)設計介紹，對比部分已建場館項目、在建場館項目的場地照明配電系統(tǒng)方案，對體育場館中場地照明配電系統(tǒng)的供電方案、供電可靠性以及經(jīng)濟性進行探討。

1 場館建筑概況

國家速滑館位于北京市朝陽區(qū)北五環(huán)，毗鄰國家網(wǎng)球中心，是北京2022年冬奧會唯一新建的冰上運動場館，在本屆冬奧會期間，國家速滑館承擔了速度滑冰項目(Speed Skating)的比賽和訓練[1]；國家速滑館的雙曲馬鞍造型及22條“絲帶”狀曲面玻璃幕墻的外觀設計讓人們親切地稱呼它為“冰絲帶”。其總建筑面積126 000 m2,分為地下2層和地上3層，能容納約12 000名觀眾。本場館一共設置5個變電室，包括1個主變電室和4個分變電室，均設在場館地下一層，如圖1所示。

圖1 國家速滑館變電室布置示意圖Fig.1 Layout diagram of transformer room of National Speed Skating Oval

2 高壓供電系統(tǒng)

根據(jù)現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范要求，甲級及以上等級的體育建筑應由雙重電源供電。本工程為特級場館，根據(jù)供電部門賽時分級，最終確定為三路高壓供電。從速滑館場館園區(qū)東南側(cè)新建110 kV變電站引來兩路10 kV電源(1#、3#)，第三路電源(2#)是從市政引來一路10kV專用電源。建筑內(nèi)高壓電纜分界小室位于建筑物南側(cè)首層。冬奧會賽后根據(jù)場館自身使用需求，還將承辦大型國際賽事，故保留三路高壓供電。

10kV高壓配電系統(tǒng)為三路電源兩用一備，每路10 kV電源均能承擔全部用電負荷，如圖2所示。冬奧會期間，采用合環(huán)保護技術(shù)，以提高場館供電的可靠性。

圖2 高壓配電系統(tǒng)圖Fig.2 High-voltage power distribution system

3 場地照明低壓配電系統(tǒng)

本場館為特級體育場館，場地照明中的TV應急照明負荷應為一級負荷中特別重要的負荷，其他場地照明負荷應為一級負荷[2]。此次冬奧組委、奧林匹克廣播服務公司(Olympic Broadcasting Services，簡稱OBS)及供電部門均提出，賽時要保障100%場地照明，OBS及奧組委相關(guān)專家提出如圖3所示的供電方案[3]。

圖3 OBS供電方案Fig.3 OBS’s power supply scheme

此方案配電系統(tǒng)簡單，便于維護。但存在單點故障，如UPS或相關(guān)線纜出現(xiàn)故障時，只能保證50%場地照明供電，因此從某種意義上看，此方案并不能滿足100%場地照明的要求。同時也不滿足一級負荷雙路互投供電的要求。根據(jù)使用需求、本場館條件及國家規(guī)范，對方案進行了相應調(diào)整及優(yōu)化。

3.1 供電區(qū)域劃分

根據(jù)場館條件并結(jié)合供電半徑，把主館內(nèi)區(qū)域平均分成四部分I區(qū)、II區(qū)、III區(qū)、IV區(qū)，如圖4所示，I區(qū)與II區(qū)電源引自3號分變電室，III區(qū)與IV區(qū)電源引自主變電室，在每一部分中心部位設置電氣豎井，并引至馬道。

圖4 供電分區(qū)示意圖Fig.4 Schematic diagram of power supply partition

3.2 低壓配電系統(tǒng)的設置

本工程采用單母線分段運行。低壓母聯(lián)斷路器采用自投手復方式，并設置自投自復、自投手復和手動方式位置選擇開關(guān)，并采用低壓自動補償，根據(jù)北京地區(qū)供電部門審圖要求，功率因數(shù)補償?shù)?.95以上[4](另：此變壓器非場地照明專用變壓器，還帶了大量的非照明負荷[5])。低壓電容器選用干式全膜金屬化電容器，并設有過電壓可自動切除的保護裝置。此外，為保證供電質(zhì)量，在電容器組中串有電抗器，以抑制諧波對電網(wǎng)的干擾。

低壓系統(tǒng)設置了重要母線段和應急母線段。重要母線段電源取自市電和柴油發(fā)電機組(以下簡稱柴發(fā))，兩類電源通過自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器ATSE進行互投，確保兩類電源不并列運行，重要母線段為比賽、轉(zhuǎn)播等關(guān)鍵負荷供電；應急母線段的電源自市電和柴發(fā)，為消防類負荷供電。

根據(jù)燈具廠家提供的燈具相關(guān)參數(shù)(速滑館場地照明均選用LED燈具)，最終按照每一處豎井內(nèi)場地照明為200 kW(并留有余量，可滿足后續(xù)容量增加的可能),總共場地照明為800 kW。

將場館每一處豎井內(nèi)場地照明200 kW分為兩組(即每組100 kW)。兩組交叉供電，第一組為單號燈具供電，1#重要母線段主供，2#母線段備用；另一組為雙號燈具供電，2#母線段主供，1#重要母線段備用。兩個電源互為100%備用，各帶50%負荷。在平面布燈時，要求相位均勻，并在50%照度場景下，照度均勻[6]。

3.3 賽時柴發(fā)電源接口

冬奧會期間媒體服務區(qū)設有為電視轉(zhuǎn)播專用的媒體服務區(qū)專用應急母線，由奧組委提供室外臨時發(fā)電機組供電，保證OBS要求的賽時媒體用電。

50%的場地照明由賽時臨時租賃柴發(fā)與市電互投后供電。50%的場地照明由場館永久柴發(fā)與市電互投后供電[7]。

在主變電室及3號分變電室分別預留賽時臨時電源接駁柜，賽時可快速有效接駁，并在賽后拆除而不影響原場館配電系統(tǒng)。

3.4 供電冗余保護設置

3.4.1 供電冗余保護

UPS作為市電及柴發(fā)供電冗余保護，當供電電源兩路切換時，由UPS的蓄電池組作為柴發(fā)啟動時間內(nèi)的過渡電源供電。切換完畢，仍由市電或柴發(fā)供電，保持了供電的連續(xù)性，避免當故障時投切出現(xiàn)短暫失電造成恐慌及不良政治影響。在奧運賽時，OBS會自行租用臨時柴發(fā)，為場館50%場地照明供電，進一步保證場地照明的供電可靠性。其次UPS電源為負載供電，提供穩(wěn)定的輸出電壓。UPS電源能夠隔離電網(wǎng)波動，保證穩(wěn)壓供電?？紤]到市電故障時，冷備的柴發(fā)啟動時間為15～30 s及10 kV系統(tǒng)故障時的投切時間，本場館UPS電源持續(xù)供電時間為不小于15 min。

3.4.2 供電冗余保護與經(jīng)濟性關(guān)系

UPS的設置越接近負載側(cè)，越可以減小線路配電系統(tǒng)中對末端設備的影響。但國家速滑館是最大跨度正交雙向索網(wǎng)結(jié)構(gòu)大面積柔性屋面，頂層行架及馬道的荷載極其有限，末端照明的負荷總量為800 kW，UPS設置末端集中設置無法實現(xiàn)。采用分散設置會造成建設成本和后期維護成本大幅提高，故障點也會相對增加，過多分散設置會適得其反。結(jié)合本工程建筑結(jié)構(gòu)特點及成本控制與日后的維護便利性，確定在地下一層位于I區(qū)、II區(qū)、III區(qū)、IV區(qū)主豎井處，分別設置一個UPS間，將UPS集中設置于供電干線線路中。

根據(jù)末端照明容量，UPS裝配容量超過1 000 kVA，如果采用雙路干線，則安裝總?cè)萘砍^2 000 kVA，分到每個UPS間約為500 kVA，大量的電池集中設置也會帶來安全隱患。此方案對供電方案可靠性有一定提升，但無法完全規(guī)避線路故障風險，并且嚴重增加了UPS裝機的造價成本。經(jīng)可靠性與經(jīng)濟性權(quán)衡，最終確定僅在主用干線上加裝UPS。本工程選用在線式UPS電源，當電源或線路故障時，保證燈具不閃斷；并考慮UPS的故障檢修設置硬旁路，當UPS故障時可短接或移除UPS，因此增設了一臺硬旁路配電柜，一進兩出，一路為主用在線式UPS電源，另一路旁路出線開關(guān)加鎖，避免誤操作，并在主用線路上設置接線端子(UPS電源前后均設置)，既便于UPS安裝調(diào)試，也可用于租賃UPS時快速接入和拆卸。

3.5 末端配電系統(tǒng)

場地照明即便分成四個區(qū)域，供電半徑仍舊比較遠，尤其在外圈馬道處，所以在馬道上每個分區(qū)還需要設置若干末端配電柜，每路電源分別在三層至馬道的豎井處增加配電柜，電源從配電柜放射至馬道若干末端配電柜。進線處隔離開關(guān)加ATS，不增加線路開關(guān)保護級數(shù)，并能盡量縮短末端配電柜到燈具供電距離，保障燈具的電壓穩(wěn)定。

3.6 確定配電系統(tǒng)

速滑館場地照明最終配電系統(tǒng)示意如圖5所示，圖中僅為I區(qū)、II區(qū)、III區(qū)、IV區(qū)其中一個分區(qū)。

圖5 場地照明配電系統(tǒng)示意圖(1/4場地照明)Fig.5 Power supply system diagram of pitch lighting (Quarter of the pitch lighting)

(1)地照明供電系統(tǒng)分為單、雙號兩個系統(tǒng)，每個系統(tǒng)各帶50%照明負荷，單、雙號兩個系統(tǒng)配置所帶照明負荷要求100%設置備用發(fā)電機。發(fā)電機組不能在系統(tǒng)間共用。

(2)單、雙號兩個系統(tǒng)配置所帶照明負荷要求100%設置不間斷電源(UPS)，UPS要求供電時間不少于15 min，需具備實時監(jiān)測功能。UPS不能在系統(tǒng)間共用。

(3)其中單號燈具對應50%照度的燈具，由臨時租賃柴發(fā)和市電供電；另一部分雙號燈具，由場館內(nèi)柴發(fā)和市電供電。

(4)UPS采用在線式滿載冗余配置，如果UPS故障，或者負載過載，UPS就會切換到硬旁路方式運行，此方案相對簡單，雖有局限性，但完全滿足場地照明使用需求，且成本可控。

4 與其他場館方案對比

在速滑館場地照明配電設計過程中參考了現(xiàn)有的一個冬奧會改造場館A(圖6)、一個甲級改造場館B(圖7)、以及一個當時在建的亞運會場館C場地照明供電方案(圖8)，比對其特點相關(guān)內(nèi)容如下(各館場地照明燈具均采用LED燈具，故無二次啟動等相關(guān)問題)。

圖6 場館A場地照明配電系統(tǒng)示意圖Fig.6 Pitch lighting power supply system diagram of stadium A

圖7 場館B場地照明配電系統(tǒng)示意圖Fig.7 Pitch lighting power supply system diagram of stadium B

圖8 場館C場地照明配電系統(tǒng)示意圖Fig.8 Pitch lighting power supply system diagram of stadium C

場館A為2008年期間奧運場館，本次也承接冬奧會項目，并對場館進行改造擴建，本場館地下共一層，地上共兩層，變電室設置于地下一層。

首先場館A將場地照明燈具分為單雙號交叉供電，單號燈組一路電源引自1號變電室柴發(fā)應急母線段，另一路引自2號變電室母線段，經(jīng)過ATS互投柜后加裝在線式UPS引至末端燈具；雙號燈賽時引自2號變電室母線段(引自2號變電室母線段)，另一路引自1號變電室母線段，經(jīng)過ATS互投柜后加裝在線式UPS引至末端燈具。可以看到此場館場地照明配電分別引自兩個不同變電室，故無低壓側(cè)母聯(lián)，但通過應急母線段及賽時臨時租用柴發(fā)，保障賽時故障狀態(tài)時100%場地照明。

此方案2套場地照明配電實現(xiàn)了物理隔離，優(yōu)點是供電線路的可靠性提高，缺點是無法實現(xiàn)供電局提出的低壓合環(huán)保護，一次投資及后期管理維護成本相對較高。

場館B也是為2008年期間奧運場館，場館本次未作大規(guī)模改造，此場館地下共兩層，地上共四層，變電室設置于地下一層。

場館B未做大規(guī)模改造，僅對燈具進行更換，其配電系統(tǒng)采用原金鹵燈與鹵鎢燈供配電方案，電源引自同一個變電室的一組不同變壓器的母線段，單號燈組分為兩組，一組為引自1#變壓器母線段和2#變壓器柴發(fā)應急母線段經(jīng)過ATSE互投柜后加裝在線式UPS。另一組與其相同，電源使用主備用關(guān)系調(diào)換；雙號燈組也同樣分為兩組，兩組均為單路供電，兩個末端配電柜間加聯(lián)絡電纜，聯(lián)絡電纜上開關(guān)與兩個配電柜進線開關(guān)間兩兩互鎖，每路進線均能保證兩個配電柜內(nèi)雙號燈具的全部容量，當有重大比賽時其中一路改為由賽時臨時柴發(fā)供電，最終保證賽時單號燈組為市電、柴發(fā)互投加不間斷電源UPS,雙號燈組為臨時租賃柴發(fā)與市電的電源保障。此方案可保障賽時故障狀態(tài)時50%場地照明，如需保證100%場地照明時，需在兩個雙號燈組末端配電柜處增加不間斷電源即可。

此方案避免了50%燈具ASTE單點故障，供電方案可靠，節(jié)省了部分電纜敷設，但故障時電源切換相對復雜。

場館C為2022年杭州亞運會新建場館，現(xiàn)已建成即將在亞運會期間投入使用，本場館地下共兩層，地上共五層，變電室設置于地下一層。

場館C電源同樣由同一個變電室一組不同變壓器的母線段引來，單號燈組一路電源引自變電室1#變壓器母線段，另一路引自變電室2#變壓器柴發(fā)應急母線段，經(jīng)過ATSE互投柜后加裝在線式UPS引至末端燈具；雙號燈組與單號燈組配電電源相同，電源主備關(guān)系調(diào)換，在有重大比賽時將其中一路電源接入賽時臨時租賃柴發(fā)。賽時同樣可以保障場地照明的100%照度。

此方案適合中小型場館，供電可靠、簡單、便于維護，UPS總?cè)萘坎淮?，對結(jié)構(gòu)荷載影響較小，可設置于場館5層靠近馬道處，但UPS間設置于5層占用了寶貴的競賽層空間，且靠近觀眾席區(qū)域，其電池間也要考慮防爆問題。

可以看出場館A、B、C及速滑館場地照明均可在一定的條件下滿足賽時事故情況下100%場地照明要求，根據(jù)各自場館的客觀條件，均為相對可靠的配電系統(tǒng)。場館A和場館B情況類似，均為老場館改造，其配電形式需根據(jù)土建條件限制。場館C及速滑館為新建場館，供電形式相對靈活，但也需根據(jù)場館自身特點做一定調(diào)整。

5 總結(jié)

(1)速滑館場地照明配電系統(tǒng)高壓側(cè)采用三路市電供電，低壓側(cè)配電系統(tǒng)為雙路供電，雙路電源互為備用(100%備用)，兩路電源各帶50%場地照明負荷，并加裝UPS不間斷電源作為電源轉(zhuǎn)換時過渡電源，保障事故時電源轉(zhuǎn)換零切換，有充足時間使柴發(fā)啟動。UPS裝配容量為100%場地照明容量，保障一路市電電源故障時，電源轉(zhuǎn)換期間場地照明100%照明。

(2)場地照明配套的UPS是作為市電與發(fā)電機電源轉(zhuǎn)換期間的過渡應急電源，故UPS供電時間一般取10～15 min。不宜過大，否則前期安裝空間、荷載需求較高，后期維護成本也高。UPS設置于干線線路中,能避免UPS單點故障對比賽造成重大影響。供電冗余保護的設置并非越多越全越好，經(jīng)濟性也是一項很重要參考指標，需要結(jié)合自身場館特點及需求，在有限的資金下盡可能地提高供電安全可靠性。

(3)結(jié)合其他幾個場館方案可以看出，各個場館均有各自特點，有改造、有新建，其場地照明的配電系統(tǒng)都不相同，但最終都能滿足使用需求，場地照明配電系統(tǒng)的設計不能單純套用某一種方案，也并沒有一種所謂最優(yōu)方案。場地照明配電系統(tǒng)一定是在考慮場館自身建筑特點、市政供電條件、使用需求、投資限制等的基礎(chǔ)上，確定最終的實施方案。