綜合管廊工程中的強電設計問題探討

查　楨

[同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司, 上?！?00092]

0　引　言

綜合管廊作為一種現代化、集約化的城市公用基礎設施,根據工藝和結構的具體設計,結合當地規劃,分為單艙到四艙不等(一般不超過200 m設置一個防火分區)[1]。綜合管廊中電氣工程是管廊工程設計中的主要附屬工程,分為強電和弱電。綜合管廊電氣設計為照明、通風、排水以及消防系統提供電力保障[2]。

綜合管廊的建設是十三五規劃中著力開發的工程,根據在不同的工程案例和各地各院的強電設計,發現很多有爭議或者值得商榷的地方。故根據實際工程中的一些經驗以及和系統集成商、廠家、施工單位的溝通,探索綜合管廊高低壓系統設計、變壓器選型方案、高低壓設備的選型和相關計算以及接地計算。

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],對于下級管廊內部的0.4 kV供電系統采用樹干式配電方式[4]。綜合管廊存在二級負荷,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,低壓樹干式配電導致配電線路容量成倍增加,可能產生壓降問題。對于綜合管廊用電負荷,為保證低壓末端用電設備壓降不大于5%,故對用電設備較多、艙數較多的綜合管廊采用低壓放射式接線。

綜合管廊監控中心的供電采用2路10 kV供電電源,其高壓出線可采用一路或兩路鏈式配電給下級綜合管廊供電,根據綜合管廊情況,配電方式可以組成環網。

綜合管廊本體的配電方式可針對不同管廊和當地市政情況分類考慮:

(1) 方案一。發達地區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。負荷等級的要求為消防和重要負荷為二級,其余為三級[1],但可酌情考慮。此種方式需要當地供電部門配合,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機的負荷。

(3) 方案三?，F階段的綜合管廊建設以新建綜合管廊為主,以后將更多發展老城改造的綜合管廊建設,故若10 kV供電困難,而商業發達地區有較多0.4 kV供電電源,因此可采用10 kV和0.4 kV組合供電,對于防火分區一路采用市政0.4 kV供電,另一路為管廊內10 kV變壓后0.4 kV供電,其負載為二級負荷,下級低壓供電進行切換以滿足要求。但需要注意的是此方式用于周邊具有較多0.4 kV的地區,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環網供電,從而達到較高的可靠性。

以上不同方案各有優劣和適用場合,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,并且在進出線方式上采用環網柜型。干式變壓器用于綜合管廊的日常負載較低,故很難依賴自身發熱方式消除凝露,故需要加熱器;若設置一用一備方式,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。因此根據多地的情況,采用如下解決方案。

(1) 方案一,采用環網柜加地埋變壓器組合。傳統的氣體柜在出線短路故障狀態下,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,但是能完成環網功能,且下級的高壓故障不影響上級,基本解決環境影響。

(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型刀可實現環網、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,完全解決環境影響;缺點是當變壓器出現短路故障或四工位刀出現問題時,斷開上級10 kV部分,甚至斷開全部的供電網絡。

(3) 方案三,采用油浸式變壓器和連接器(負荷開關)分開方式,負荷開關和熔斷器也采用油浸式。這種方案優化方案二中的變壓器故障情況下對環網的影響,并且維護變壓器不影響整個10 kV鏈路,但負荷開關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,結合供配電方案二和四,可很好地用于偏遠地區的支線綜合管廊方案;方案三可用于一些規模不大地區的干線綜合管廊。

很多地區早已采用一臺10 kV變壓器,不滿足新規范對燃氣艙設備負荷等級的要求,故可采用相鄰10 kV變壓器互備的補救措施。

3　電容補償

綜合管廊的負荷特點是輕載,負荷周期變化大。故電容補償容量在不同時段變化較大?，F階段在綜合管廊內主要采用電容補償,對于給10 kV/0.4 kV變配電間供電的10 kV監控中心,其10 kV中壓系統仍需要補償。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母線上集中設置并聯電抗器,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處于輕載的環境下電纜的電容電流主要為分布式電容電流。

設三相對地電容分別為Ca、Cb、Cc,正常情況下系統中電容電流分別為

(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——電網不平衡度。

此時若三相平衡,電網不平衡度ρ=0,通常電網不對稱度≤0.02[5]。對于10 kV系統,不對稱情況下中性點對地電壓為120 V左右。管廊內部主要負載為電動機負載,故主要負荷平衡。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監控中心正常運行情況下無功功率倒送的情況并不嚴重,出現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電抗器效果不佳,且不利于日后對10 kV系統的擴展。采用調相機,能同時滿足無功倒送和吸收無功的需求,若無法滿足,設置無功補償則是較經濟的方案,但需和當地供電部門溝通。

4　斷路器選型

綜合管廊配電負荷較小,供電距離長,設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的低壓配電柜進線開關至出線開關,后至管廊分區配電間內的進出線開關。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短路容量為100 MVA,變壓器規格為200 kVA,Dyn11接線方式,分變電所出線電纜規格為YJV-1 kV-3×7+2×35,長為600 m,分區配電間出線電纜為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、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、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、變壓器、線路1段、線路2段的短路電阻;

XS、XT、Xl1、Xl2——系統、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,根據最小短路電流要求,斷路器在綜合管廊分區配電間一般采用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,考慮線路上同類設備可能同時起動[4],起動設備不考慮所有電動機負荷同時起動,因PLC能按照時序分別起動電動機類負荷,防止同時輸出起動信號導致多臺電動機起動產生的瞬時尖峰電流,故斷路器負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燃氣艙、2臺5.5 kW電力艙、2臺11 kW綜合艙為主要負荷計算,其余水泵和照明以及控制設備為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風機電力艙、2臺11 kW綜合艙為主要負荷計算,其余水泵和照明以及控制設備為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,因總計算容量和風機容量的區別,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,嚴重情況下甚至會與三相短路電流相沖突;考慮到管廊出現3艙的情況,設備臺數較多,需要再次校驗斷路器的正常情況下的負荷:根據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倍關系,得In≤21.8 A。若作為分區配電間的進線斷路器,則按照雙艙的負荷條件是難以滿足的。故通過短路和起動電流的校驗,斷路器仍會出現額定電流小于計算電流的情況。

根據以上不同情況,可采用以下方案解決:

(1) 當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情況下切旁路運行時斷路器是否滿足起動條件。

(2) 當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系統下斷路器選型的細節問題。

對于綜合管廊斷路器的選擇性,分區配電間的出線斷路器采用小型斷路器,進線采用塑殼斷路器以進行短延時保護,而對于分變電所內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　風機選型與保護

以往工程在管廊內對風機的保護采用傳統的斷路器和熱繼電器的組合,但是管廊內平時進排風風機在消防時均需運行且為二級負荷[1]。

有些項目中采用雙速風機以達到節能效果;根據管廊通風的風量在高速和低速情況下不同,通過雙速風機的高低功率搭配達到節能效果[8]。

管廊通風與樓宇通風不同,管廊屬于少人環境,故其通風總量是根據管廊內部溫/濕度達標以及人為標定的,所以其通風是周期性運行,達到標準即可停止。樓宇不間斷運行,故采用雙速風機節能計算如下:一個防火分區內,設所需通風風量1 200 m3/h,在此通風風量下均能保證溫/濕度達標。參考HTF(GYF)-Ⅱ型雙速風機,假設其通風風量在高速情況下為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,雙速風機大大增加運行時間,卻不能實現節能,并且增加設備回路和風機成本,且高速抽頭需要定期維護,以保證消防正常上電。因此,采用單速風機。

6　防雷接地

考慮雷電波入侵,進線側加裝電涌保護裝置,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狹窄區域人員操作的安全性[9]。管廊內的兩側側壁通長敷設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。管廊結構縫處預埋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,結構縫處可以考慮采用銅帶連接。

7　設備環境防護

綜合管廊在某些季節潮氣較大,而且存在爆炸危險環境;管廊內敷設有中壓甚至高壓電纜,故管廊的接地要求除可靠外,還應要求設備的EMC環境,故電氣設備的防護至關重要。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口玻纖加強型聚碳酸酯材質。

在綜合艙內的設備分區變電所以及管廊內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,外設有機玻璃。分區變電所內設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。

燃氣艙頂部以及閥門接口處均為爆炸危險環境2區,為安全起見,燃氣艙內均采用防爆設備,且安裝位置需按爆炸危險環境來定。

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

8　結　語

通過對不同工程經驗的總結和理論計算,得出以下結論:

(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,高壓進線系統組合方式分為3種不同方式,根據當地條件和供電部門需求優化選擇。

(3) 無功補償,推薦采用調相機,對于IT系統單相短路情況下的無功倒送問題,可與當地供電部門協商。

(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相結合,根據不同的問題采用調整系統短路阻抗的方式或增加斷路器的速斷功能。

(5) 管廊內風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時不同的控制方式,風機運行方式與大樓不同,采用單速即可。

(6) 管廊接地內部要形成籠型可靠接地,在外部也需要預留接地端口。

(7) 管廊內設備要考慮凝露、腐蝕、爆炸危險以及EMC的環境防護情況。不同的艙室采用加熱、涂鍍、安裝位置調整和消磁等方式來降低風險。

收稿日期：2018-03-21