廈門海滄湖水秀公園供配電系統(tǒng)解析*

王洪銓， 高學(xué)文

(1.廈門海投國際航運(yùn)中心開發(fā)有限公司，廈門 361026；2.中國建筑設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100044)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，人民的物質(zhì)生活及精神文化生活水平逐步提高，同時(shí)帶動(dòng)了各個(gè)城市旅游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，各地依托自然風(fēng)景及當(dāng)?shù)靥厣宋纳?，開始大力開發(fā)各種配套旅游資源，比如主題公園、水秀表演、主題文化表演等。此類建筑的設(shè)計(jì)及施工需與各相關(guān)單位均進(jìn)行有效地溝通以滿足工藝要求，供配電設(shè)計(jì)更加需要精準(zhǔn)滿足各類設(shè)備的負(fù)荷需求并進(jìn)行合理負(fù)荷分配。

1 項(xiàng)目概況

海滄湖水秀公園項(xiàng)目選址于海滄內(nèi)湖南湖區(qū)域，東側(cè)為東南國際航運(yùn)中心總部大廈(廈門中心)，西側(cè)為海滄體育中心，規(guī)劃總用地面積約為38萬m2，由1座大型音樂噴泉、1個(gè)約2 150座的觀眾席及配套聲、光、電設(shè)施的實(shí)景水秀組成，項(xiàng)目總投資約3億元，通過高科技手段將噴泉、燈光、視頻、音響和舞蹈、音樂等藝術(shù)形式相結(jié)合，極具震撼力和影響力。本項(xiàng)目供電系統(tǒng)包括：看臺(tái)(含戶外觀眾席、設(shè)備房及其他功能室)、水中表演區(qū)(淺水區(qū)舞臺(tái)、中景區(qū)、表演區(qū)舞臺(tái)、主景區(qū))、圍堤、氣源站、投影島等，規(guī)模很大，所以如此大型水秀公園的供配電系統(tǒng)的可靠性、經(jīng)濟(jì)性及安全性至關(guān)重要。

2 負(fù)荷分類

2.1 水下噴泉系統(tǒng)

水下噴泉設(shè)備分為普通噴泉泵、水火噴泉泵、氣爆噴泉泵(圖1)等，水下噴泉泵數(shù)量達(dá)1 400多臺(tái)，水下燈及其他特效設(shè)備5 000多個(gè)，主要分布于中景區(qū)和主景區(qū)內(nèi)。由變配電室引44路電源至噴泉控制室配電控制柜，為噴泉泵、水下燈及其他特效設(shè)備供電，進(jìn)線電源及給設(shè)備的配出線采用上進(jìn)下出接線方式?？刂乒窨倲?shù)為207臺(tái)，其中設(shè)備配電控制柜197臺(tái)，信號(hào)機(jī)柜10臺(tái)，分28排布置。總功率約為15 000kW，為本項(xiàng)目的主要用電負(fù)荷。

圖1 各類噴泉泵

2.2 空壓機(jī)組系統(tǒng)

空壓機(jī)組系統(tǒng)由3臺(tái)工作壓力為7.5MPa的無油活塞式空壓機(jī)組成，此大型無油活塞式空氣壓縮機(jī)組產(chǎn)生的壓縮空氣通過中高壓力管道輸送至儲(chǔ)氣罐收集后供水秀公園氣爆泉使用。單臺(tái)功率為450kW，2用1備，總裝設(shè)備容量1 350kW，使用容量900kW，為本項(xiàng)目單機(jī)功率最大的設(shè)備，雖然采用了軟啟動(dòng)，并分時(shí)啟動(dòng)，但對(duì)其他負(fù)荷的影響仍然很大。

2.3 燈光及音響系統(tǒng)

燈光系統(tǒng)包括背景燈光、環(huán)湖燈光、激光、追光特效，主要分布于看臺(tái)觀眾席兩側(cè)、投影島上及環(huán)湖沿線，其中投影島及環(huán)湖沿線燈光距離變配電室距離為300～500m，總功率約為1 100kW。

音響系統(tǒng)負(fù)荷主要分布于看臺(tái)觀眾席兩側(cè)，總功率約為120kW。

2.4 投影系統(tǒng)

投影系統(tǒng)負(fù)荷主要分布于海滄內(nèi)湖中的2個(gè)人工投影島，距離變配電室直線距離300m左右，通過海底電纜由變配電室引至2個(gè)人工島，總共采用48臺(tái)高亮度投影機(jī)，整個(gè)投影系統(tǒng)的總功率約為500kW。

水秀公園負(fù)荷種類較多，總的設(shè)備功率非常大，僅以上幾項(xiàng)的總設(shè)備功率已超過18 000kW，除了以上主要負(fù)荷外，還有水秀公園看臺(tái)建筑等用電負(fù)荷。

3 供配電方案特點(diǎn)及解析

水秀公園的建筑主要由看臺(tái)及附屬設(shè)施建筑和2個(gè)人工投影島組成，建筑面積約為4 470m2，建筑物分散。

3.1 變配電室選址

變配電室位置選擇主要考慮2種方案：方案一，變配電室集中設(shè)置于觀眾看臺(tái)下的地下一層，集中設(shè)置方便管理，并且主要用電設(shè)備均設(shè)于地下1層，靠近負(fù)荷中心，但由于設(shè)于地下1層且看臺(tái)建筑緊靠海滄南湖，變配電室及其他重要設(shè)備房存在進(jìn)水的風(fēng)險(xiǎn)。方案二，根據(jù)負(fù)荷位置分散布置變配電室并設(shè)于地面上，提高安全性，更接近負(fù)荷中心減少電壓損失及電纜銅損耗，但變配電室較多，增加初投資，并且影響沿湖景觀及建筑布局。

受沿湖景觀及建筑布置影響，經(jīng)綜合比選，最終采用地下1層集中設(shè)置方案。針對(duì)方案一的缺陷采用如下措施應(yīng)對(duì)：(1)抬高地下1層變配電室的地面標(biāo)高，高于地下1層基準(zhǔn)標(biāo)高0.6m；(2)在變配電室內(nèi)設(shè)置防水檢測(cè)報(bào)警裝置，一旦變配電室進(jìn)水立即報(bào)警處理；(3)加大地下1層排水泵的功率并在雙路供電的基礎(chǔ)上引接臨近建筑柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源；(4)針對(duì)負(fù)荷分散供電半徑超出250m，適當(dāng)加大電纜截面積降低電纜電壓損失；(5)變配電室內(nèi)設(shè)置有除濕功率分布式空調(diào)，確保變配電室的干燥。

3.2 空壓機(jī)組配電

無油活塞式空壓機(jī)單臺(tái)功率為450kW，單體設(shè)備功率大，2用1備，共3臺(tái)，每次演出所需壓縮空氣均由此空壓機(jī)組在表演前一次性儲(chǔ)備到位，表演過程中不需要啟動(dòng)空壓機(jī)組。

(1)供電電壓選擇：方案一，選用10kV或6kV高壓電機(jī)，采用高壓10kV直供，電流小電纜截面小，現(xiàn)場(chǎng)敷設(shè)方便，但高壓柜數(shù)量多，高壓空壓機(jī)價(jià)格較貴，高壓繼電保護(hù)系統(tǒng)復(fù)雜；方案二，選用0.4kV低壓電機(jī)，采用0.4kV供電，電流大電纜截面大，現(xiàn)場(chǎng)敷設(shè)難度大，變壓器容量要求高，但相比空壓機(jī)便宜，經(jīng)綜合比選，本建筑采用0.4kV供電方案。

(2)啟動(dòng)方式選擇：交流電機(jī)啟動(dòng)一般分為全壓?jiǎn)?dòng)、變頻啟動(dòng)、降壓?jiǎn)?dòng)和軟啟動(dòng)。1)450kW電機(jī)全壓?jiǎn)?dòng)會(huì)產(chǎn)生超過10%的線路電壓降，易引起其他電氣設(shè)備工作不正常，而且5～8倍的瞬時(shí)啟動(dòng)電流有可能造成變壓器過負(fù)荷跳閘，且全壓?jiǎn)?dòng)的電機(jī)的容量不宜大于變壓器容量的20%～30%，因此不考慮全壓?jiǎn)?dòng)；2)變頻啟動(dòng)可以同時(shí)改變電壓和頻率，保持V/F不變，既能降壓，又能保持一定的啟動(dòng)力矩，是目前最好的啟動(dòng)設(shè)備，但成本過高；3)若采用降壓?jiǎn)?dòng)，如自耦變壓器、星/三角啟動(dòng)器、串接啟動(dòng)電阻等，其原理是降低電機(jī)啟動(dòng)電壓，減少對(duì)電網(wǎng)沖擊，但這些傳統(tǒng)的啟動(dòng)方法均存在以下缺陷：主回路電壓切換，會(huì)對(duì)電機(jī)及機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生沖擊，降低設(shè)備使用壽命；主回路耗能元件(如起動(dòng)電阻)增加能耗，設(shè)備體積較大；降低電壓的同時(shí)，啟動(dòng)力矩相應(yīng)減少；4)若采用軟啟動(dòng)，啟動(dòng)電流一般為額定電流的2～3倍，電網(wǎng)電壓波動(dòng)一般在10%以內(nèi)，對(duì)其他設(shè)備的影響非常小，能很好地克服傳統(tǒng)降壓?jiǎn)?dòng)的缺點(diǎn)，投資較小，但軟啟動(dòng)會(huì)產(chǎn)生大量的高次諧波；5)壓縮空氣表演前一次性儲(chǔ)備到位，過程中不需要頻繁啟動(dòng)。經(jīng)綜合考慮，空壓機(jī)組采用軟啟動(dòng)方式，在實(shí)際運(yùn)行中可提前啟動(dòng)空壓機(jī)并在表演前運(yùn)行儲(chǔ)氣到位，與噴泉泵分時(shí)使用，有效地降低總的變壓器裝機(jī)容量，提高變壓器的使用效率。

(3)由于變配電室與空壓機(jī)房分成兩個(gè)建筑單體，室內(nèi)配電采用封閉母線槽，室外部分由母線槽轉(zhuǎn)換成電纜，有效地降低現(xiàn)場(chǎng)敷設(shè)難度。

3.3 噴泉泵配電

為了配合水秀噴泉、音響、視頻等效果要求，水下噴泉泵需要準(zhǔn)確控制水柱高低起伏并且需要頻繁啟停，對(duì)比各類控制方式后，最終采用變頻控制，故變頻器的正確選擇對(duì)于控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行也是至關(guān)重要的。

(1)所有噴泉泵控制柜設(shè)于看臺(tái)下的噴泉控制室，而噴泉泵則分布于180m×30m的噴泉主景區(qū)內(nèi)，需要100～200m不等的長電纜聯(lián)接變頻器和噴泉泵，此時(shí)應(yīng)該采用對(duì)應(yīng)措施抑制長電纜對(duì)地耦合電容的影響，避免變頻器功率不夠，故變頻器應(yīng)放大一、兩檔選擇或在變頻器的輸出端安裝輸出電抗器?？紤]到噴泉泵高開關(guān)頻率，將導(dǎo)致變頻器的降容，變頻器也需放大一檔選擇。故在水秀公園項(xiàng)目中最大泵功率為92kW，最小泵功率為3kW，3kW的泵采用5.5kW的變頻器，92kW的中空射水泵采用132kW的變頻器，以此類推，變頻器的功率均比噴泉泵的功率大一級(jí)或二級(jí)，后期項(xiàng)目的實(shí)際運(yùn)營情況證明，這樣的控制條件使實(shí)際運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

(2)變頻器的輸出含有大量的高次諧波，會(huì)使電動(dòng)機(jī)效率降低，電流和溫升均會(huì)增加。所以在選擇電動(dòng)機(jī)和變頻器時(shí)應(yīng)留有余量，以防止溫升過高，影響電動(dòng)機(jī)和變頻器的使用壽命，另外變配電室內(nèi)設(shè)有無功補(bǔ)償及有源濾波，在對(duì)眾多感性負(fù)載進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)也對(duì)變頻器進(jìn)行了有效的諧波抑制。

(3)所有噴泉泵控制柜集中設(shè)置于地下1層控制室，且設(shè)備功率達(dá)15 000kW，從變配電室低壓出線柜至噴泉控制柜均為大功率回路，為保證噴泉泵的正常啟動(dòng)及減少電壓損失，除個(gè)別小負(fù)荷回路外均采用密集母線槽供電。

3.4 負(fù)荷分配及供配電方案

(1)除了消防負(fù)荷為二級(jí)負(fù)荷外，其他負(fù)荷均為三級(jí)負(fù)荷，為保證二級(jí)負(fù)荷的可靠供電，從市政變電站引來兩路10kV雙重電源，雙重電源分別引自不會(huì)同時(shí)損壞的上級(jí)電源，兩路10kV雙重電源同時(shí)工作，互為備用，每路均能承擔(dān)本工程全部二級(jí)負(fù)荷。高壓供電系統(tǒng)接線型式及運(yùn)行方式(圖2)為：高壓為單母線分段運(yùn)行，中間設(shè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)，平時(shí)兩路電源同時(shí)分列運(yùn)行，互為熱備用，當(dāng)一路電源故障時(shí)，通過手動(dòng)/自動(dòng)操作聯(lián)絡(luò)開關(guān)，另一路電源可承擔(dān)全部二級(jí)負(fù)荷。高壓主進(jìn)開關(guān)與聯(lián)絡(luò)開關(guān)之間設(shè)電氣聯(lián)鎖，任何情況下只能合其中2個(gè)開關(guān)。

(2)本項(xiàng)目共設(shè)置8臺(tái)變壓器，總裝機(jī)容量為13 600kVA。T1～T8每組變壓器配出的低壓系統(tǒng)分別采用單母線分段運(yùn)行，僅T1、T2、T7、T8變壓器中間設(shè)置聯(lián)絡(luò)開關(guān)，聯(lián)絡(luò)開關(guān)設(shè)自投自復(fù)、自投手復(fù)、自投停用3種功能。聯(lián)絡(luò)開關(guān)自投時(shí)有一定的可調(diào)延時(shí)，其投入延時(shí)時(shí)間大于自動(dòng)斷開低壓供電母線上非保證三級(jí)負(fù)荷的切斷動(dòng)作時(shí)間，保證了另1臺(tái)變壓器的正常運(yùn)行。當(dāng)電源主斷路器因過載或短路故障分閘時(shí)，母聯(lián)斷路器不允許自動(dòng)合閘。主進(jìn)開關(guān)與聯(lián)絡(luò)開關(guān)之間設(shè)電氣聯(lián)鎖，任何情況下只能合其中的2個(gè)開關(guān)。供給噴泉表演用動(dòng)力負(fù)荷的4臺(tái)變壓器T3、T4、T5、T6不設(shè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)。

(3)如表1所示，供看臺(tái)用房建筑的普通負(fù)荷及消防負(fù)荷由2×800kVA變壓器T1、T2供電；噴泉及空壓機(jī)等表演動(dòng)力設(shè)備負(fù)荷由4×2 500kVA的變壓器T3～T6供電；燈光及視頻等非表演動(dòng)力設(shè)備負(fù)荷由2×1 000kVA變壓器T7、T8供電。T3～T6的負(fù)荷分配及計(jì)算最為復(fù)雜，變壓器總裝機(jī)容量10 000kVA，設(shè)備的總功率16 000kVA，空壓機(jī)總功率1 350kW與噴泉15 000kW分時(shí)錯(cuò)開使用。前期設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)過與噴泉工藝單位反復(fù)溝通，由噴泉工藝單位提出具體表演水效種類，并提供每種表演水效的功率總負(fù)荷。因并不是所有表演水效都同時(shí)運(yùn)行，其中有3種表演水效的負(fù)荷最大，設(shè)計(jì)時(shí)將最大的3種表演水效盡量均分到T3～T64臺(tái)變壓器上，實(shí)際運(yùn)行時(shí)噴泉水泵加上附屬設(shè)備最大同時(shí)使用功率約8 000kW，4臺(tái)2 500kVA變壓器滿足供電負(fù)荷要求。

圖2 供配電系統(tǒng)圖

變壓器裝機(jī)容量 表1

(4)燈光及音視頻裝置均為電子產(chǎn)品，噴泉均采用變頻啟動(dòng)及空壓機(jī)采用軟啟動(dòng)裝置，此部分設(shè)備運(yùn)行過程中將會(huì)產(chǎn)生大量高次諧波，且燈光及音視頻分散布置于各個(gè)角落，噴泉控制箱也分散布置于300m2的噴泉控制室內(nèi)，高次諧波及無功功率對(duì)公共電網(wǎng)的影響需要減少，故燈光及音視頻專用變壓器T7,T8和噴泉及空壓機(jī)等表演動(dòng)力專用變壓器T3～T6低壓側(cè)集中進(jìn)行有源濾波處理及有功補(bǔ)償。其中T3～T6每臺(tái)2 500kVA變壓器每臺(tái)配置APF-300A有源濾波裝置和750kVar自動(dòng)無功補(bǔ)償裝置，T7，T8每臺(tái)1 000kVA變壓器配置APF-150A有源濾波裝置和300kVar自動(dòng)無功補(bǔ)償裝置。

4 結(jié)束語