加速器類大科學(xué)裝置建筑電氣設(shè)計要點分析

何 俊 裕

(廣州市設(shè)計院集團有限公司, 廣東 廣州 510620)

0 引 言

隨著國家的科學(xué)水平飛速發(fā)展,越來越多的高精尖科學(xué)裝置投入工程建設(shè)。電氣系統(tǒng)設(shè)計為科學(xué)裝置整體設(shè)計的重要環(huán)節(jié),決定了裝置運行是否能做到穩(wěn)定而精確。目前,國內(nèi)的大科學(xué)裝置均無統(tǒng)一電氣設(shè)計標(biāo)準,而且很多裝置的研發(fā)和工程設(shè)計建設(shè)同步進行,電氣系統(tǒng)往往要根據(jù)裝置具體的使用需求進行個性化設(shè)計。通過工程實例分析不同裝置的電氣設(shè)計方案,為大科學(xué)裝置尤其是加速器類裝置的電氣設(shè)計提供經(jīng)驗和參考。

1 變配電系統(tǒng)

1.1 明確界面劃分

大科學(xué)裝置設(shè)計工作紛繁復(fù)雜,整體設(shè)計任務(wù)通常需要多家設(shè)計單位的合作。作為設(shè)計人員,首先應(yīng)該明確的是自身專業(yè)的設(shè)計范圍。在本文介紹的某加速器裝置工程中,電氣部分設(shè)計就有4家設(shè)計單位參與,分別負責(zé)10 kV～110 kV系統(tǒng)設(shè)計、通用設(shè)備供電系統(tǒng)設(shè)計、工藝設(shè)備供電系統(tǒng)設(shè)計、二次裝修電氣設(shè)計。在設(shè)計前期,各設(shè)計單位明確各自設(shè)計范圍,了解建設(shè)方需求,制訂互相提資的計劃,為后續(xù)設(shè)計工作做好充分的準備。

1.2 明確供電需求

在設(shè)計科學(xué)裝置的變配電系統(tǒng)之前,首先對其供電需求要有清晰詳細的了解。設(shè)計者應(yīng)先收集科學(xué)裝置項目的《項目可行性研究報告》等前期重要文件。設(shè)計人員也應(yīng)該了解項目的設(shè)計條件和電氣需求,其中包括當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)條件、設(shè)備供電的電壓等級、供電連續(xù)性要求、供電電能質(zhì)量要求等。

建筑設(shè)備的負荷分級除了需要依照國家規(guī)范標(biāo)準[1],還需以建設(shè)方需求作為依據(jù)。本文舉例兩個工程實例的負荷分類:加速器項目A的負荷分級如表1所示;加速器項目B的負荷分級如表2所示。

設(shè)計者要了解裝置內(nèi)的負荷分級和工藝負荷供電可靠性的詳細要求。項目A要求裝置全年運行10個月,運行期間全負荷運行。項目B要求裝置每年連續(xù)運行約7 000 h,公共配套系統(tǒng)要求每年連續(xù)運行大于7 000 h。這對高低壓供電系統(tǒng)可靠性提出很高的要求,配電系統(tǒng)須具備極低的故障率和較短的維護時間。

表1 加速器項目A的負荷分級

表2 加速器項目B的負荷分級

1.3 保障供配電系統(tǒng)的高可靠性

為了滿足科學(xué)裝置工藝供電高可靠性需求,設(shè)計人員需要制訂合理的供電方案。項目A的變壓器總裝機容量達到55 420 kVA,需要高可靠性供電負荷達到約40 000 kVA;項目B變壓器總裝機容量高達87 500 kVA,需要高可靠性供電達到約60 000 kVA,其中還包括10 kV高壓電動機(4×775.6+550 kW)的運行。

針對上述負荷統(tǒng)計及供電需求,供電方案需要因地制宜,進行多方案比較。市政電源、自備柴油發(fā)電機、UPS、EPS各有不同特點,能滿足不同類型負荷的需求[2]。各類電源特點如表3所示。

由于兩個加速器項目存在大量的確保負荷與10 kV高壓負荷,且供電持續(xù)性要求很高,供電中斷不能超過5 s,所以柴油發(fā)電機不滿足第二電源的要求。經(jīng)過與供電部門協(xié)商,全部負荷采用市政電源供電,要求市政電源全年無故障運行,檢修不間斷切換,每路10 kV電源及變壓器實現(xiàn)100%備用。

表3 各類電源特點

重要的計算機系統(tǒng)和安防系統(tǒng)供電,如真空/低溫站控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)機房等用電設(shè)置UPS不間斷電源保障供電。

應(yīng)急照明電源采用EPS供電,市電停電及火災(zāi)狀態(tài)下切換至EPS。

1.4 保證電能質(zhì)量措施

大科學(xué)裝置的各類工藝對電能質(zhì)量有著不同的要求。工藝設(shè)備往往由大型的電動機、高頻設(shè)備,鐵芯設(shè)備組成。這些設(shè)備對電壓偏差、電壓不平衡度、電壓波動、諧波含量都提出了很高的要求。

工程設(shè)計中,為了提高裝置供電電能質(zhì)量,采用技術(shù)手段包括:

(1) 采用變壓器供電。對于高頻裝置采用專用變壓器供電,變壓器采用DYn-11接線形式,以減少高頻設(shè)備運作對電網(wǎng)的影響。

(2) 采用動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器(DVR)。在供電系統(tǒng)與用電設(shè)備接口處安裝附加DVR來補償電壓暫降,在正常供電狀態(tài)下,DVR處于低損耗備用狀態(tài),在供電電壓發(fā)生突變時,DVR可在幾毫秒內(nèi)產(chǎn)生一個與電網(wǎng)同步的三相交流電壓,該電壓與原電網(wǎng)相串聯(lián),來補償故障電壓與正常電壓差,從而把饋電電壓恢復(fù)到正常值。

(3) 采用減少諧波影響的技術(shù)措施。不同設(shè)備采用的措施應(yīng)該根據(jù)諧波達標(biāo)水平、效果、經(jīng)濟性和技術(shù)成熟度等綜合比較。減少諧波的技術(shù)措施對比如表4所示。

表4 減少諧波的技術(shù)措施對比

2 電氣消防系統(tǒng)

2.1 設(shè)計依據(jù)

大科學(xué)裝置的電氣消防系統(tǒng)設(shè)計主要依據(jù)國家現(xiàn)行的主要規(guī)范[3]、規(guī)程及相關(guān)行業(yè)標(biāo)準,以及消防論證會專家組評審意見。由于該類型項目通常包含多種建筑形式,如隧道、綜合管廊、電纜隧道、科學(xué)實驗室等。在開展設(shè)計前,首先要分清建筑類型,以采取相對應(yīng)規(guī)范中的措施設(shè)計電氣消防系統(tǒng)。對于有超長隧道的建筑物,一般需要經(jīng)過消防專項評審或性能化報告,其評審意見結(jié)論也將成為工程設(shè)計的依據(jù)。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

電氣消防系統(tǒng)主要包含火災(zāi)探測報警系統(tǒng)、消防聯(lián)動控制系統(tǒng)及火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)三大部分。

火災(zāi)探測報警系統(tǒng)含火災(zāi)報警控制器、火災(zāi)探測器、手動火災(zāi)報警器、火災(zāi)聲光警報器等。

消防聯(lián)動控制系統(tǒng)包含消防聯(lián)動控制器、消防控制室圖形顯示裝置、消火栓按鈕、消防泵控制箱、防排煙風(fēng)機控制箱、消防應(yīng)急廣播裝置、防火門監(jiān)控器、氣體滅火控制器、消防應(yīng)急照明控制器、防火卷簾控制器、消防電話、大空間滅火裝置專用控制器等。

火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)包含電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)、消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)等。

2.3 設(shè)計重點難點

大科學(xué)裝置火災(zāi)報警系統(tǒng)重點及難點即為火災(zāi)探測探測器選擇,綜合考慮項目特點,按環(huán)境特點設(shè)置相應(yīng)類型的火災(zāi)探測器。

不同場所火災(zāi)探測器類型選用如表5所示。

表5 不同場所火災(zāi)探測器類型選用

3 接地系統(tǒng)

3.1 需求分析

大科學(xué)裝置中常見的接地類型有防雷接地、電源工作接地、保護接地、智能化系統(tǒng)接地。由于科學(xué)裝置中存在大量的精密儀器,接地電平微小波動可能對信號造成影響,所以科學(xué)裝置通常還對工藝設(shè)備接地提出要求。為了滿足實驗精確度的需求,接地系統(tǒng)在常規(guī)建筑接地系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,需要達到更低的工頻電阻值。此外,重要儀器接地系統(tǒng)還要與其他接地系統(tǒng)建立防干擾屏障。

接地電阻值規(guī)范要求如表6所示。

表6 接地電阻值規(guī)范要求

3.2 接地網(wǎng)設(shè)計

為了達到接地系統(tǒng)的要求,接地網(wǎng)設(shè)計通常有三種形式:聯(lián)合接地網(wǎng)、單獨接地網(wǎng)、分區(qū)域的聯(lián)合接地網(wǎng)。三種接地網(wǎng)各有優(yōu)劣。其中,單獨接地網(wǎng)能保證接地系統(tǒng)的獨立性,做到互不干擾,但需要接地網(wǎng)的數(shù)量繁多,而且占地面積很大,通常很難實現(xiàn)。聯(lián)合接地網(wǎng)是目前大多數(shù)建筑采取的接地形式,即建筑物共用接地裝置,聯(lián)合接地網(wǎng)往往是利用建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)鋼筋作為接地體,接地電阻達到1 Ω或者要求的更低工頻電阻值即可達標(biāo),但對于精密儀器往往起不到隔離干擾源的效果。

分區(qū)域的聯(lián)合接地網(wǎng)能解決大科學(xué)裝置接地系統(tǒng)的問題,在裝置建筑群內(nèi)普通的實驗樓,可采用常規(guī)的聯(lián)合接地。精密儀器的實驗室區(qū)域,應(yīng)設(shè)置單獨的工藝接地網(wǎng),并且做好與防雷接地網(wǎng)、電源接地網(wǎng)有效的隔離,以避免故障電流及雷電流干擾信號地。同時,設(shè)計師也要增加有效的措施使兩個地網(wǎng)聯(lián)合接通,以降低電位差,保障人身安全。

4 結(jié) 語

大科學(xué)裝置電氣設(shè)計有一定的特殊性,從三個方面分析其設(shè)計要點。對于變配電系統(tǒng),要厘清負荷等級、選擇合理的供電方案、制訂措施以提高電能質(zhì)量。對于消防電氣系統(tǒng),明確設(shè)計依據(jù),針對不同建筑采用不同的電氣消防措施。對于接地系統(tǒng),分析接地需求,制訂合理的接地網(wǎng)設(shè)計方案,同時靈活運用措施降阻增效。