綜合管廊工程中的強電設(shè)計問題探討

查　楨

[同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院(集團)有限公司, 上?！?00092]

0　引　言

綜合管廊作為一種現(xiàn)代化、集約化的城市公用基礎(chǔ)設(shè)施,根據(jù)工藝和結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計,結(jié)合當(dāng)?shù)匾?guī)劃,分為單艙到四艙不等(一般不超過200 m設(shè)置一個防火分區(qū))[1]。綜合管廊中電氣工程是管廊工程設(shè)計中的主要附屬工程,分為強電和弱電。綜合管廊電氣設(shè)計為照明、通風(fēng)、排水以及消防系統(tǒng)提供電力保障[2]。

綜合管廊的建設(shè)是十三五規(guī)劃中著力開發(fā)的工程,根據(jù)在不同的工程案例和各地各院的強電設(shè)計,發(fā)現(xiàn)很多有爭議或者值得商榷的地方。故根據(jù)實際工程中的一些經(jīng)驗以及和系統(tǒng)集成商、廠家、施工單位的溝通,探索綜合管廊高低壓系統(tǒng)設(shè)計、變壓器選型方案、高低壓設(shè)備的選型和相關(guān)計算以及接地計算。

1　供電電源

以往工程中綜合管廊供電從變電所引入一路或兩路10 kV電源[3],對于下級管廊內(nèi)部的0.4 kV供電系統(tǒng)采用樹干式配電方式[4]。綜合管廊存在二級負(fù)荷,故單用一路10 kV不一定能滿足要求;此種低壓配電方式可用于支線的單倉或雙倉管廊,但對于一些干線或三倉、四倉管廊,低壓樹干式配電導(dǎo)致配電線路容量成倍增加,可能產(chǎn)生壓降問題。對于綜合管廊用電負(fù)荷,為保證低壓末端用電設(shè)備壓降不大于5%,故對用電設(shè)備較多、艙數(shù)較多的綜合管廊采用低壓放射式接線。

綜合管廊監(jiān)控中心的供電采用2路10 kV供電電源,其高壓出線可采用一路或兩路鏈?zhǔn)脚潆娊o下級綜合管廊供電,根據(jù)綜合管廊情況,配電方式可以組成環(huán)網(wǎng)。

綜合管廊本體的配電方式可針對不同管廊和當(dāng)?shù)厥姓闆r分類考慮:

(1) 方案一。發(fā)達(dá)地區(qū)的干線綜合管廊一般采用兩路10 kV供電方式,并且兩路10 kV由不同變電所或同一變電所的兩組不同回路母排引出。負(fù)荷等級的要求為消防和重要負(fù)荷為二級,其余為三級[1],但可酌情考慮。此種方式需要當(dāng)?shù)毓╇姴块T配合,需求較高。

(2) 方案二。一般城市的綜合管廊可采用一路10 kV供電,若10 kV供電條件困難,對于小型的支線管廊,可尋找道路照明箱式變壓器(0.4 kV)供電,但需要注意計費問題。此方式不建議用于含有較大容量消防風(fēng)機的負(fù)荷。

(3) 方案三?，F(xiàn)階段的綜合管廊建設(shè)以新建綜合管廊為主,以后將更多發(fā)展老城改造的綜合管廊建設(shè),故若10 kV供電困難,而商業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)有較多0.4 kV供電電源,因此可采用10 kV和0.4 kV組合供電,對于防火分區(qū)一路采用市政0.4 kV供電,另一路為管廊內(nèi)10 kV變壓后0.4 kV供電,其負(fù)載為二級負(fù)荷,下級低壓供電進(jìn)行切換以滿足要求。但需要注意的是此方式用于周邊具有較多0.4 kV的地區(qū),因0.4 kV供電半徑有限(壓降)。

(4) 方案四。采用單臺變壓器10 kV環(huán)網(wǎng)供電,從而達(dá)到較高的可靠性。

以上不同方案各有優(yōu)劣和適用場合,可針對具體工程而定。

2　綜合管廊變壓器選型

綜合管廊變壓器多采用干式變壓器,并且在進(jìn)出線方式上采用環(huán)網(wǎng)柜型。干式變壓器用于綜合管廊的日常負(fù)載較低,故很難依賴自身發(fā)熱方式消除凝露,故需要加熱器;若設(shè)置一用一備方式,則另一臺需要很好的維護,才能保證上電安全。以往使用的高壓柜主要采用普通的空氣柜,占地大,并且也存在凝露的問題。因此根據(jù)多地的情況,采用如下解決方案。

(1) 方案一,采用環(huán)網(wǎng)柜加地埋變壓器組合。傳統(tǒng)的氣體柜在出線短路故障狀態(tài)下,氣體泄放后毒性較大,故采用氮氣柜較安全。此種方案造價較高,但是能完成環(huán)網(wǎng)功能,且下級的高壓故障不影響上級,基本解決環(huán)境影響。

(2) 方案二,即四工位刀和油浸式變壓器整合一體化的方案。此方案優(yōu)點是四工位刀和變壓器整合為一個地埋變壓器整體,四工位T型刀可實現(xiàn)環(huán)網(wǎng)、單路供電以及變壓器離線檢修等功能,基本不需要日常維護,且占地最少,完全解決環(huán)境影響;缺點是當(dāng)變壓器出現(xiàn)短路故障或四工位刀出現(xiàn)問題時,斷開上級10 kV部分,甚至斷開全部的供電網(wǎng)絡(luò)。

(3) 方案三,采用油浸式變壓器和連接器(負(fù)荷開關(guān))分開方式,負(fù)荷開關(guān)和熔斷器也采用油浸式。這種方案優(yōu)化方案二中的變壓器故障情況下對環(huán)網(wǎng)的影響,并且維護變壓器不影響整個10 kV鏈路,但負(fù)荷開關(guān)出線問題也將影響上級。

綜上,方案一的保護最全面;方案二最簡潔,結(jié)合供配電方案二和四,可很好地用于偏遠(yuǎn)地區(qū)的支線綜合管廊方案;方案三可用于一些規(guī)模不大地區(qū)的干線綜合管廊。

很多地區(qū)早已采用一臺10 kV變壓器,不滿足新規(guī)范對燃?xì)馀撛O(shè)備負(fù)荷等級的要求,故可采用相鄰10 kV變壓器互備的補救措施。

3　電容補償

綜合管廊的負(fù)荷特點是輕載,負(fù)荷周期變化大。故電容補償容量在不同時段變化較大?，F(xiàn)階段在綜合管廊內(nèi)主要采用電容補償,對于給10 kV/0.4 kV變配電間供電的10 kV監(jiān)控中心,其10 kV中壓系統(tǒng)仍需要補償。以往項目中有采用無功補償裝置,而一些因管廊正常運行時較長的自用中低壓電纜電容電流較大,存在容性無功倒送的情況,故在10 kV母線上集中設(shè)置并聯(lián)電抗器,補償母線上過大的容性無功[4]。這兩種均存在問題,則單獨采用無功補償裝置,在10 kV處于輕載的環(huán)境下電纜的電容電流主要為分布式電容電流。

設(shè)三相對地電容分別為Ca、Cb、Cc,正常情況下系統(tǒng)中電容電流分別為

(1)

(2)

(3)

式中:UU、UV、UW——各相相電壓,V;

UN0——中性點對地電壓,V。

(4)

式中:ρ——電網(wǎng)不平衡度。

此時若三相平衡,電網(wǎng)不平衡度ρ=0,通常電網(wǎng)不對稱度≤0.02[5]。對于10 kV系統(tǒng),不對稱情況下中性點對地電壓為120 V左右。管廊內(nèi)部主要負(fù)載為電動機負(fù)載,故主要負(fù)荷平衡。因此,正常情況下電纜電容電流很小。

因此,管廊10 kV變配電間供電的上級10 kV監(jiān)控中心正常運行情況下無功功率倒送的情況并不嚴(yán)重,出現(xiàn)明顯無功倒送時主要是單相接地故障情況下。因此,單純采用電容補償不能解決故障情況下的問題,而在正常工況下單獨采用并聯(lián)電抗器效果不佳,且不利于日后對10 kV系統(tǒng)的擴展。采用調(diào)相機,能同時滿足無功倒送和吸收無功的需求,若無法滿足,設(shè)置無功補償則是較經(jīng)濟的方案,但需和當(dāng)?shù)毓╇姴块T溝通。

4　斷路器選型

綜合管廊配電負(fù)荷較小,供電距離長,設(shè)備單體容量差別較大,變壓器容量較小。對于綜合管廊低壓的配電情況,先是通過分變電所內(nèi)的低壓配電柜進(jìn)線開關(guān)至出線開關(guān),后至管廊分區(qū)配電間內(nèi)的進(jìn)出線開關(guān)。其中單個斷路器需滿足短路故障情況下的靈敏性和可靠性。

以某工程為例,其最小情況下高壓側(cè)短路容量為100 MVA,變壓器規(guī)格為200 kVA,Dyn11接線方式,分變電所出線電纜規(guī)格為YJV-1 kV-3×7+2×35,長為600 m,分區(qū)配電間出線電纜為YJV-1 kV-5×16,長為200 m。

最小情況下線路末端低壓單相接地短路電流[6]計算過程如下

(5)

(6)

式中:Rphp·S、Rphp·T、Rphp·l1、Rphp·l2——系統(tǒng)、變壓器、線路1段、線路2段的相保電阻;

Xphp·S、Xphp·T、Xphp·l1、Xphp·l2——系統(tǒng)、變壓器、線路1段、線路2段的相保電抗;

Id——單相接地短路電流。

最小情況下低壓三相短路電流[6]計算過程如下:

(9)

(10)

式中:RS、RT、Rl1、Rl2——系統(tǒng)、變壓器、線路1段、線路2段的短路電阻;

XS、XT、Xl1、Xl2——系統(tǒng)、變壓器、線路1段、線路2段的短路電抗;

ID——三相短路電流。

因此,根據(jù)最小短路電流要求,斷路器在綜合管廊分區(qū)配電間一般采用2段保護,故斷路器瞬時或短延時整定電流Iset3如下[7]:1.3Iset3≤ID,得Iset3≤451.5 A;1.3Iset3≤Id,得Iset3≤109 A。但斷路器的瞬時過電流脫扣器兼作接地故障保護時,考慮線路上同類設(shè)備可能同時起動[4],起動設(shè)備不考慮所有電動機負(fù)荷同時起動,因PLC能按照時序分別起動電動機類負(fù)荷,防止同時輸出起動信號導(dǎo)致多臺電動機起動產(chǎn)生的瞬時尖峰電流,故斷路器負(fù)載按照最大運行方式下且最大一臺電動機起動時的總電流計算。

按照三艙管廊容量,其中2臺14 kW燃?xì)馀摗?臺5.5 kW電力艙、2臺11 kW綜合艙為主要負(fù)荷計算,其余水泵和照明以及控制設(shè)備為10 kW。Iset3≥1.3×[2×(11×2+8×2+14+10)+14×2×12=598 A。

按照雙艙管廊容量,其中2臺5.5 kW風(fēng)機電力艙、2臺11 kW綜合艙為主要負(fù)荷計算,其余水泵和照明以及控制設(shè)備為7.5 kW。因此,Iset3≥1.3×[2×(11+8×2+10)+11×2×12=439.4 A。

對于不同形式的綜合管廊,因總計算容量和風(fēng)機容量的區(qū)別,斷路器的瞬時脫扣可能存在靈敏度和可靠性相沖突的情況,嚴(yán)重情況下甚至?xí)c三相短路電流相沖突;考慮到管廊出現(xiàn)3艙的情況,設(shè)備臺數(shù)較多,需要再次校驗斷路器的正常情況下的負(fù)荷:根據(jù)Iset3≤109 A,若采用C型斷路器,按照短路瞬時整定電流與額定電流5倍關(guān)系,得In≤21.8 A。若作為分區(qū)配電間的進(jìn)線斷路器,則按照雙艙的負(fù)荷條件是難以滿足的。故通過短路和起動電流的校驗,斷路器仍會出現(xiàn)額定電流小于計算電流的情況。

根據(jù)以上不同情況,可采用以下方案解決:

(1) 當(dāng)斷路器在計算電流以及電動機起動對于最小瞬動整定的要求與低壓三相短路電流所鉗制的最大瞬動電流相沖突時,可以采取電動機加裝起動器,增大電纜截面以增加短路電流,合理增加變壓器容量以增大短路電流,分割多個回路供電以減少單個斷路器計算電流的方式來解決問題。需要注意的是,電動機加裝起動器后仍需要計算在火災(zāi)情況下切旁路運行時斷路器是否滿足起動條件。

(2) 當(dāng)斷路器在電動機起動對于最小瞬動整定的要求與低壓單相接地短路電力所鉗制的最大瞬動電流沖突時,可以采用帶有接地保護功能的斷路器,也可采用零序電流互感器和動作于分勵的繼電器組合。

以上方案能夠解決在管廊TN-S系統(tǒng)下斷路器選型的細(xì)節(jié)問題。

對于綜合管廊斷路器的選擇性,分區(qū)配電間的出線斷路器采用小型斷路器,進(jìn)線采用塑殼斷路器以進(jìn)行短延時保護,而對于分變電所內(nèi)的斷路器均采用塑殼斷路器,通過時序整定以滿足選擇性。

5　風(fēng)機選型與保護

以往工程在管廊內(nèi)對風(fēng)機的保護采用傳統(tǒng)的斷路器和熱繼電器的組合,但是管廊內(nèi)平時進(jìn)排風(fēng)風(fēng)機在消防時均需運行且為二級負(fù)荷[1]。

有些項目中采用雙速風(fēng)機以達(dá)到節(jié)能效果;根據(jù)管廊通風(fēng)的風(fēng)量在高速和低速情況下不同,通過雙速風(fēng)機的高低功率搭配達(dá)到節(jié)能效果[8]。

管廊通風(fēng)與樓宇通風(fēng)不同,管廊屬于少人環(huán)境,故其通風(fēng)總量是根據(jù)管廊內(nèi)部溫/濕度達(dá)標(biāo)以及人為標(biāo)定的,所以其通風(fēng)是周期性運行,達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)即可停止。樓宇不間斷運行,故采用雙速風(fēng)機節(jié)能計算如下:一個防火分區(qū)內(nèi),設(shè)所需通風(fēng)風(fēng)量1 200 m3/h,在此通風(fēng)風(fēng)量下均能保證溫/濕度達(dá)標(biāo)。參考HTF(GYF)-Ⅱ型雙速風(fēng)機,假設(shè)其通風(fēng)風(fēng)量在高速情況下為12 000 m3/h,低速為6 000 m3/h,故W1=4×1 200/12 000=0.4 kWh,W2=3×1 200/6 000=0.6 kWh。

可見,雙速風(fēng)機大大增加運行時間,卻不能實現(xiàn)節(jié)能,并且增加設(shè)備回路和風(fēng)機成本,且高速抽頭需要定期維護,以保證消防正常上電。因此,采用單速風(fēng)機。

6　防雷接地

考慮雷電波入侵,進(jìn)線側(cè)加裝電涌保護裝置,接地形式采用TN-S。管廊通道較狹窄,其接地可靠性直接影響?yīng)M窄區(qū)域人員操作的安全性[9]。管廊內(nèi)的兩側(cè)側(cè)壁通長敷設(shè)40 mm×4 mm的熱鍍鋅扁鋼,并且在管廊每隔100 m將接地扁鋼連接。管廊結(jié)構(gòu)縫處預(yù)埋100 mm×100 mm×10 mm的熱鍍鋅鋼板,并且將熱鍍鋅扁鋼與鋼板可靠焊接。另外,結(jié)構(gòu)縫處可以考慮采用銅帶連接。

7　設(shè)備環(huán)境防護

綜合管廊在某些季節(jié)潮氣較大,而且存在爆炸危險環(huán)境;管廊內(nèi)敷設(shè)有中壓甚至高壓電纜,故管廊的接地要求除可靠外,還應(yīng)要求設(shè)備的EMC環(huán)境,故電氣設(shè)備的防護至關(guān)重要。變壓器等級為IP68,柜體等級主要為IP54、IP55,采用不銹鋼鋼板或者進(jìn)口玻纖加強型聚碳酸酯材質(zhì)。

在綜合艙內(nèi)的設(shè)備分區(qū)變電所以及管廊內(nèi)的控制箱和按鈕箱均需采取防腐措施,所以控制箱和按鈕箱宜采用雙門安裝,外設(shè)有機玻璃。分區(qū)變電所內(nèi)設(shè)備的接線端子可采用鍍鋅處理,以減緩腐蝕。繼電器可采用封裝式而非普通的繼電器。

燃?xì)馀擁敳恳约伴y門接口處均為爆炸危險環(huán)境2區(qū),為安全起見,燃?xì)馀搩?nèi)均采用防爆設(shè)備,且安裝位置需按爆炸危險環(huán)境來定。

高壓艙預(yù)留安裝110 kV、220 kV電纜,對檢修電源箱和相關(guān)開關(guān)元件的動作會產(chǎn)生影響,故此類設(shè)備安裝于電纜不同側(cè)。進(jìn)出線電纜的連接應(yīng)做好EMC屏蔽措施?，F(xiàn)階段工程主要采用玻璃鋼,高壓或超高壓電纜出現(xiàn)絕緣下降時會在玻璃鋼支架上出現(xiàn)危險電壓,建議當(dāng)設(shè)置于高壓艙時采用熱鍍鋅角鋼支架,但需做消磁處理,防止鐵磁性材質(zhì)在支撐同回路不同相電纜時產(chǎn)生渦流損耗,同樣也對靠近高壓艙高壓電纜的接地扁鋼和鋼筋材質(zhì)做消磁處理。

8　結(jié)　語

通過對不同工程經(jīng)驗的總結(jié)和理論計算,得出以下結(jié)論:

(1) 電源的供電方式不單獨采用1路10 kV,而是針對不同的地區(qū)條件采用10 kV與0.4 kV組合使用。

(2) 推薦使用地埋變壓器,高壓進(jìn)線系統(tǒng)組合方式分為3種不同方式,根據(jù)當(dāng)?shù)貤l件和供電部門需求優(yōu)化選擇。

(3) 無功補償,推薦采用調(diào)相機,對于IT系統(tǒng)單相短路情況下的無功倒送問題,可與當(dāng)?shù)毓╇姴块T協(xié)商。

(4) 斷路器選型時由于管廊特殊性,要通過短路電流計算和運行以及啟動狀態(tài)相結(jié)合,根據(jù)不同的問題采用調(diào)整系統(tǒng)短路阻抗的方式或增加斷路器的速斷功能。

(5) 管廊內(nèi)風(fēng)機的保護采用帶接口的電動機保護器,必須滿足正常與火災(zāi)時不同的控制方式,風(fēng)機運行方式與大樓不同,采用單速即可。

(6) 管廊接地內(nèi)部要形成籠型可靠接地,在外部也需要預(yù)留接地端口。

(7) 管廊內(nèi)設(shè)備要考慮凝露、腐蝕、爆炸危險以及EMC的環(huán)境防護情況。不同的艙室采用加熱、涂鍍、安裝位置調(diào)整和消磁等方式來降低風(fēng)險。

收稿日期：2018-03-21