“冬奧”速滑館場(chǎng)地照明供電可靠性關(guān)鍵技術(shù)分析與研究

張 林，申 偉

(北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100055)

引言

從2008到2022，北京成為世界首個(gè)“雙奧之城”，國內(nèi)體育產(chǎn)業(yè)得到迅猛發(fā)展，各項(xiàng)體育賽事也接踵而來。場(chǎng)地照明作為賽時(shí)直接面向運(yùn)動(dòng)員、觀眾及轉(zhuǎn)播媒體的末端用電設(shè)備，其配電系統(tǒng)的安全性與可靠性對(duì)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(chǎng)地照明配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)介紹，對(duì)比部分已建場(chǎng)館項(xiàng)目、在建場(chǎng)館項(xiàng)目的場(chǎng)地照明配電系統(tǒng)方案，對(duì)體育場(chǎng)館中場(chǎng)地照明配電系統(tǒng)的供電方案、供電可靠性以及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行探討。

1 場(chǎng)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(huì)唯一新建的冰上運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館，在本屆冬奧會(huì)期間，國家速滑館承擔(dān)了速度滑冰項(xiàng)目(Speed Skating)的比賽和訓(xùn)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(shè)計(jì)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(chǎng)館一共設(shè)置5個(gè)變電室，包括1個(gè)主變電室和4個(gè)分變電室，均設(shè)在場(chǎng)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(jí)及以上等級(jí)的體育建筑應(yīng)由雙重電源供電。本工程為特級(jí)場(chǎng)館，根據(jù)供電部門賽時(shí)分級(jí)，最終確定為三路高壓供電。從速滑館場(chǎng)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(huì)賽后根據(jù)場(chǎng)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(dān)全部用電負(fù)荷，如圖2所示。冬奧會(huì)期間，采用合環(huán)保護(hù)技術(shù)，以提高場(chǎng)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(chǎng)地照明低壓配電系統(tǒng)

本場(chǎng)館為特級(jí)體育場(chǎng)館，場(chǎng)地照明中的TV應(yīng)急照明負(fù)荷應(yīng)為一級(jí)負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷，其他場(chǎng)地照明負(fù)荷應(yīng)為一級(jí)負(fù)荷[2]。此次冬奧組委、奧林匹克廣播服務(wù)公司(Olympic Broadcasting Services，簡(jiǎn)稱OBS)及供電部門均提出，賽時(shí)要保障100%場(chǎng)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(jiǎn)單，便于維護(hù)。但存在單點(diǎn)故障，如UPS或相關(guān)線纜出現(xiàn)故障時(shí)，只能保證50%場(chǎng)地照明供電，因此從某種意義上看，此方案并不能滿足100%場(chǎng)地照明的要求。同時(shí)也不滿足一級(jí)負(fù)荷雙路互投供電的要求。根據(jù)使用需求、本場(chǎng)館條件及國家規(guī)范，對(duì)方案進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整及優(yōu)化。

3.1 供電區(qū)域劃分

根據(jù)場(chǎng)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(hào)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(shè)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(shè)置

本工程采用單母線分段運(yùn)行。低壓母聯(lián)斷路器采用自投手復(fù)方式，并設(shè)置自投自復(fù)、自投手復(fù)和手動(dòng)方式位置選擇開關(guān)，并采用低壓自動(dòng)補(bǔ)償，根據(jù)北京地區(qū)供電部門審圖要求，功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)?.95以上[4](另：此變壓器非場(chǎng)地照明專用變壓器，還帶了大量的非照明負(fù)荷[5])。低壓電容器選用干式全膜金屬化電容器，并設(shè)有過電壓可自動(dòng)切除的保護(hù)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(duì)電網(wǎng)的干擾。

低壓系統(tǒng)設(shè)置了重要母線段和應(yīng)急母線段。重要母線段電源取自市電和柴油發(fā)電機(jī)組(以下簡(jiǎn)稱柴發(fā))，兩類電源通過自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)電器ATSE進(jìn)行互投，確保兩類電源不并列運(yùn)行，重要母線段為比賽、轉(zhuǎn)播等關(guān)鍵負(fù)荷供電；應(yīng)急母線段的電源自市電和柴發(fā)，為消防類負(fù)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(chǎng)地照明均選用LED燈具)，最終按照每一處豎井內(nèi)場(chǎng)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(chǎng)地照明為800 kW。

將場(chǎng)館每一處豎井內(nèi)場(chǎng)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(hào)燈具供電，1#重要母線段主供，2#母線段備用；另一組為雙號(hào)燈具供電，2#母線段主供，1#重要母線段備用。兩個(gè)電源互為100%備用，各帶50%負(fù)荷。在平面布燈時(shí)，要求相位均勻，并在50%照度場(chǎng)景下，照度均勻[6]。

3.3 賽時(shí)柴發(fā)電源接口

冬奧會(huì)期間媒體服務(wù)區(qū)設(shè)有為電視轉(zhuǎn)播專用的媒體服務(wù)區(qū)專用應(yīng)急母線，由奧組委提供室外臨時(shí)發(fā)電機(jī)組供電，保證OBS要求的賽時(shí)媒體用電。

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

在主變電室及3號(hào)分變電室分別預(yù)留賽時(shí)臨時(shí)電源接駁柜，賽時(shí)可快速有效接駁，并在賽后拆除而不影響原場(chǎng)館配電系統(tǒng)。

3.4 供電冗余保護(hù)設(shè)置

3.4.1 供電冗余保護(hù)

UPS作為市電及柴發(fā)供電冗余保護(hù)，當(dāng)供電電源兩路切換時(shí)，由UPS的蓄電池組作為柴發(fā)啟動(dòng)時(shí)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(dāng)故障時(shí)投切出現(xiàn)短暫失電造成恐慌及不良政治影響。在奧運(yùn)賽時(shí)，OBS會(huì)自行租用臨時(shí)柴發(fā)，為場(chǎng)館50%場(chǎng)地照明供電，進(jìn)一步保證場(chǎng)地照明的供電可靠性。其次UPS電源為負(fù)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(dòng)，保證穩(wěn)壓供電?？紤]到市電故障時(shí)，冷備的柴發(fā)啟動(dòng)時(shí)間為15～30 s及10 kV系統(tǒng)故障時(shí)的投切時(shí)間，本場(chǎng)館UPS電源持續(xù)供電時(shí)間為不小于15 min。

3.4.2 供電冗余保護(hù)與經(jīng)濟(jì)性關(guān)系

UPS的設(shè)置越接近負(fù)載側(cè)，越可以減小線路配電系統(tǒng)中對(duì)末端設(shè)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(fù)荷總量為800 kW，UPS設(shè)置末端集中設(shè)置無法實(shí)現(xiàn)。采用分散設(shè)置會(huì)造成建設(shè)成本和后期維護(hù)成本大幅提高，故障點(diǎn)也會(huì)相對(duì)增加，過多分散設(shè)置會(huì)適得其反。結(jié)合本工程建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及成本控制與日后的維護(hù)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(shè)置一個(gè)UPS間，將UPS集中設(shè)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(gè)UPS間約為500 kVA，大量的電池集中設(shè)置也會(huì)帶來安全隱患。此方案對(duì)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(fēng)險(xiǎn)，并且嚴(yán)重增加了UPS裝機(jī)的造價(jià)成本。經(jīng)可靠性與經(jīng)濟(jì)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(dāng)電源或線路故障時(shí)，保證燈具不閃斷；并考慮UPS的故障檢修設(shè)置硬旁路，當(dāng)UPS故障時(shí)可短接或移除UPS，因此增設(shè)了一臺(tái)硬旁路配電柜，一進(jìn)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(shè)置接線端子(UPS電源前后均設(shè)置)，既便于UPS安裝調(diào)試，也可用于租賃UPS時(shí)快速接入和拆卸。

3.5 末端配電系統(tǒng)

場(chǎng)地照明即便分成四個(gè)區(qū)域，供電半徑仍舊比較遠(yuǎn)，尤其在外圈馬道處，所以在馬道上每個(gè)分區(qū)還需要設(shè)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(jìn)線處隔離開關(guān)加ATS，不增加線路開關(guān)保護(hù)級(jí)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(chǎng)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(gè)分區(qū)。

圖5 場(chǎng)地照明配電系統(tǒng)示意圖(1/4場(chǎng)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(hào)兩個(gè)系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)各帶50%照明負(fù)荷，單、雙號(hào)兩個(gè)系統(tǒng)配置所帶照明負(fù)荷要求100%設(shè)置備用發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)組不能在系統(tǒng)間共用。

(2)單、雙號(hào)兩個(gè)系統(tǒng)配置所帶照明負(fù)荷要求100%設(shè)置不間斷電源(UPS)，UPS要求供電時(shí)間不少于15 min，需具備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。UPS不能在系統(tǒng)間共用。

(3)其中單號(hào)燈具對(duì)應(yīng)50%照度的燈具，由臨時(shí)租賃柴發(fā)和市電供電；另一部分雙號(hào)燈具，由場(chǎng)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(fù)載過載，UPS就會(huì)切換到硬旁路方式運(yùn)行，此方案相對(duì)簡(jiǎn)單，雖有局限性，但完全滿足場(chǎng)地照明使用需求，且成本可控。

4 與其他場(chǎng)館方案對(duì)比

在速滑館場(chǎng)地照明配電設(shè)計(jì)過程中參考了現(xiàn)有的一個(gè)冬奧會(huì)改造場(chǎng)館A(圖6)、一個(gè)甲級(jí)改造場(chǎng)館B(圖7)、以及一個(gè)當(dāng)時(shí)在建的亞運(yùn)會(huì)場(chǎng)館C場(chǎng)地照明供電方案(圖8)，比對(duì)其特點(diǎn)相關(guān)內(nèi)容如下(各館場(chǎng)地照明燈具均采用LED燈具，故無二次啟動(dòng)等相關(guān)問題)。

圖6 場(chǎng)館A場(chǎng)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(chǎng)館B場(chǎng)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(chǎng)館C場(chǎng)地照明配電系統(tǒng)示意圖Fig.8 Pitch lighting power supply system diagram of stadium C

場(chǎng)館A為2008年期間奧運(yùn)場(chǎng)館，本次也承接冬奧會(huì)項(xiàng)目，并對(duì)場(chǎng)館進(jìn)行改造擴(kuò)建，本場(chǎng)館地下共一層，地上共兩層，變電室設(shè)置于地下一層。

首先場(chǎng)館A將場(chǎng)地照明燈具分為單雙號(hào)交叉供電，單號(hào)燈組一路電源引自1號(hào)變電室柴發(fā)應(yīng)急母線段，另一路引自2號(hào)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(hào)燈賽時(shí)引自2號(hào)變電室母線段(引自2號(hào)變電室母線段)，另一路引自1號(hào)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(chǎng)館場(chǎng)地照明配電分別引自兩個(gè)不同變電室，故無低壓側(cè)母聯(lián)，但通過應(yīng)急母線段及賽時(shí)臨時(shí)租用柴發(fā)，保障賽時(shí)故障狀態(tài)時(shí)100%場(chǎng)地照明。

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

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

場(chǎng)館B未做大規(guī)模改造，僅對(duì)燈具進(jìn)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(gè)變電室的一組不同變壓器的母線段，單號(hào)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(yīng)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(hào)燈組也同樣分為兩組，兩組均為單路供電，兩個(gè)末端配電柜間加聯(lián)絡(luò)電纜，聯(lián)絡(luò)電纜上開關(guān)與兩個(gè)配電柜進(jìn)線開關(guān)間兩兩互鎖，每路進(jìn)線均能保證兩個(gè)配電柜內(nèi)雙號(hào)燈具的全部容量，當(dāng)有重大比賽時(shí)其中一路改為由賽時(shí)臨時(shí)柴發(fā)供電，最終保證賽時(shí)單號(hào)燈組為市電、柴發(fā)互投加不間斷電源UPS,雙號(hào)燈組為臨時(shí)租賃柴發(fā)與市電的電源保障。此方案可保障賽時(shí)故障狀態(tài)時(shí)50%場(chǎng)地照明，如需保證100%場(chǎng)地照明時(shí)，需在兩個(gè)雙號(hào)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(diǎn)故障，供電方案可靠，節(jié)省了部分電纜敷設(shè)，但故障時(shí)電源切換相對(duì)復(fù)雜。

場(chǎng)館C為2022年杭州亞運(yùn)會(huì)新建場(chǎng)館，現(xiàn)已建成即將在亞運(yùn)會(huì)期間投入使用，本場(chǎng)館地下共兩層，地上共五層，變電室設(shè)置于地下一層。

場(chǎng)館C電源同樣由同一個(gè)變電室一組不同變壓器的母線段引來，單號(hào)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(yīng)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(hào)燈組與單號(hào)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(shí)將其中一路電源接入賽時(shí)臨時(shí)租賃柴發(fā)。賽時(shí)同樣可以保障場(chǎng)地照明的100%照度。

此方案適合中小型場(chǎng)館，供電可靠、簡(jiǎn)單、便于維護(hù)，UPS總?cè)萘坎淮?，?duì)結(jié)構(gòu)荷載影響較小，可設(shè)置于場(chǎng)館5層靠近馬道處，但UPS間設(shè)置于5層占用了寶貴的競(jìng)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(chǎng)館A、B、C及速滑館場(chǎng)地照明均可在一定的條件下滿足賽時(shí)事故情況下100%場(chǎng)地照明要求，根據(jù)各自場(chǎng)館的客觀條件，均為相對(duì)可靠的配電系統(tǒng)。場(chǎng)館A和場(chǎng)館B情況類似，均為老場(chǎng)館改造，其配電形式需根據(jù)土建條件限制。場(chǎng)館C及速滑館為新建場(chǎng)館，供電形式相對(duì)靈活，但也需根據(jù)場(chǎng)館自身特點(diǎn)做一定調(diào)整。

5 總結(jié)

(1)速滑館場(chǎng)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(chǎng)地照明負(fù)荷，并加裝UPS不間斷電源作為電源轉(zhuǎn)換時(shí)過渡電源，保障事故時(shí)電源轉(zhuǎn)換零切換，有充足時(shí)間使柴發(fā)啟動(dòng)。UPS裝配容量為100%場(chǎng)地照明容量，保障一路市電電源故障時(shí)，電源轉(zhuǎn)換期間場(chǎng)地照明100%照明。

(2)場(chǎng)地照明配套的UPS是作為市電與發(fā)電機(jī)電源轉(zhuǎn)換期間的過渡應(yīng)急電源，故UPS供電時(shí)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(hù)成本也高。UPS設(shè)置于干線線路中,能避免UPS單點(diǎn)故障對(duì)比賽造成重大影響。供電冗余保護(hù)的設(shè)置并非越多越全越好，經(jīng)濟(jì)性也是一項(xiàng)很重要參考指標(biāo)，需要結(jié)合自身場(chǎng)館特點(diǎn)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(gè)場(chǎng)館方案可以看出，各個(gè)場(chǎng)館均有各自特點(diǎn)，有改造、有新建，其場(chǎng)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(chǎng)地照明配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(chǎng)地照明配電系統(tǒng)一定是在考慮場(chǎng)館自身建筑特點(diǎn)、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(shí)施方案。