国家大剧院的变配电设计

邵 凯

（国家大剧院 工程部，北京 100031）

国家大剧院主要包括三大建筑实体：歌剧院、戏剧场、音乐厅。每个实体设有观众厅、舞台、台仓、管理（办公）室、演员化妆室、休息室、走道通廊等。三个实体处于钛合金和玻璃的圆形壳体之下，壳体下部为共用的公共大厅。实体的地下设有设备机房及技术用房等。在建设期通过系统应用变配电新技术，为剧院工作者、演员、观众创造出了高水准的观演场所。

1 负荷等级高、运行方式独特

按规范确定国家大剧院为一级负荷，局部特级。内设2个10 kV高压总站，引入4路10 kV高压电源。下设9个分变电站：1#、2#站供歌剧院和车库等一般配套，3#站供戏剧场，4#站供音乐厅，5#站供冷冻机房，6#、7#、8#、9#站供景观水池（见图1）。9个分变电站分别位于各负荷中心。共安装12台2 500 kVA，2台1 000 kVA，2台400 kVA变压器，总安装功率为32 800 kVA。

由“三站四线”供给的10 kV电源，正常运行方式为2个高压站4段母线分别由4条10 kV电缆进线受电，两站间采用双联络环网系统。消防负荷及特别重要负荷及三个剧场内的舞台机械、灯光、音响、观众厅照明均考虑双电源交叉供电（见图2）。

10 kV电源备自投的基本原则：当某一段母线由于电源侧故障而失压时，在检查备用进线或者另一段母线电压正常的条件下，经一短延时跳开本段进线断路器。投入备用电源，若备自投不成功，则立刻投入第二备用电源。备自投装置考虑了下游侧故障的闭锁措施。

10 kV母线分段柜设两台备自投方式转换开关，分别控制4号、5号母线的备自投，每只备自投切换开关的位置与上述各种运行方式相对应。

在2个10 kV高压总站设合环解列装置，实现不断电切换操作。每个站需要合环解列的断路器共5台，分别是201、202、245、203及204，每站只设一只合环选跳开关设在母线提升柜上。在进行切换操作时可以根据选取跳的断路器确定开关的位置。

2 减振降噪及净化电源

为满足国家大剧院安静的声学环境要求，配电系统干式变压器铁芯选用0.27 mm进口优质硅钢片，5步进叠片工艺，本体噪声低于国家低噪音变压器标准（见表1）。同时，在底部加装了减振阻尼弹簧装置，由于设备会产生50 Hz及其谐频段的振动，在支撑系统的尺寸和参数上做了精心的设计，保证其自振频率低于5 Hz，静态载荷下的下沉度大于10 mm，有效地阻隔了物体传导振动。

同时，所有机电设备均选用节能降噪环保产品，并在现场采取减振措施。

剧场设备非线性负荷较多，特别是舞台灯光、变频器、软启动器的广泛使用，均会引起电源波形畸变，高次谐波问题突出。为此，变压器接线组别采用Dyn11方式，在低压配电线路上中性线与相线使用同截面。施工中合理布线，降低干扰，并进行屏蔽。所有调光设备和变频器均采取了抑制谐波措施。

为确保扩声系统不被其他变频设备产生的噪音（如电梯、舞台机械及灯光用电）干扰，在三个剧场为扩声系统采用单独相线供电。同时为保障供电质量，在舞台音响、功放等共16处供电回路末端（配电箱前级）专门配置了隔离变压器，并在线圈间装设屏蔽铜板，以使供电电源更洁净（见图3）。

表1 变压器技术参数

使用低压智能电力监控仪表对所有低压回路的三相相电压、线电压、电流，中性线电流、有功、无功、视在功率，以及有功电度、无功电度、频率、电流、电压总谐波含量、电压三相不平衡度等进行监控。同时，在三个剧场的重要设备，重点回路加装电能质量监测装置，实时监测运行状态、分析指标，为治理方案的制定积累数据。

3 安全高效的接线

鉴于经过交联改性的聚乙烯可使其性能得到大幅度的改善，不仅能提高聚乙烯的力学、耐环境应力开裂、耐化学药品腐蚀、抗蠕变性和电性能等综合性能，而且可明显提高耐温等级，使聚乙烯的耐热温度从70℃提高到100 ℃以上。为最大限度地确保剧场安全高效运行，大剧院高低压系统配电干线及支干线长度共计100 km，全部使用交联聚乙烯电力电缆。并根据用电区域不同分别使用钢带铠装低烟无卤阻燃、金属屏蔽低烟无卤阻燃等类别电缆。长度达48 km多的消防系统低压干线则全部选用氧化镁矿物绝缘电缆（见表2）。

低压配电系统使用基于德国墨勒公司技术生产的紧凑型MODAN6000配电柜和与之配套的密集母线，采用上进上出接线方式，解决了剧院用电负荷大、建筑结构复杂、有效使用空间狭小等问题（见表3）。

4 特殊的防雷接地体系

国家大剧院工程属于第二类防雷建筑，防雷接地体系包括防雷接地、建筑物等电位接地、雷击电磁脉冲防护等项。

防雷接地采用整体独立的钢结构肋架作为防雷网。利用钛板屋面及玻璃幕墙构架作为接闪器。防雷引下线地上采用钢网架，地下采用95 mm2铜绞合裸铜导线。二者结合部采用95 mm2铜绞合裸铜导线放热式焊接。每四品（或三品）钢结构设一个引下点，沿整个椭圆肋架外圈引下至基础。接地极利用基础底板主筋，建筑物外围敷设一圈95 mm2铜绞合镀锡裸铜线环形接地体和室外护坡桩工字钢。基础底板内上下层被利用主筋按一定间距采用Φ20以上钢筋可靠焊接为一体。

表2 配电线路电缆分布表

表3 封闭母线设置位置及规格型号

表4 供电线路智能监控数量

表5 配电线路智能监控数量

共设6处等电位接地母排（即MEB端子箱）。由于防雷引下铜线与连续墙主筋可靠焊接，钢筋已被利用于防雷及接地。以上6处接地点，其接地预埋件与环形接地极之间，以95 mm2+ 240 mm2铜线焊接，铜线沿途与钢筋可靠焊接。且MEB引出接地端子板就分别设在预埋件处，并与其可靠焊接。每一电源进线都作等电位联结，各个等电位联结端子板互相连通。

为防止直击雷和感应雷对设备造成损坏，在低压进线开关处及供室外末端装置的配电盘加装第一级电涌保护器。保护电压等级Up = 2 kV，最大放电电流 Imax= 65 kA。在重要负荷和消防、楼宇、安防、通信、有线电视、录音录像、音响、灯光控制、舞台监督控制等弱电机房的总配电盘加装第二级电涌保护器。保护电压等级Up = 1.8 kV，最大放电电流 Imax= 40 kA。

在环绕大剧院四周的接地体附近绿地上，分别设置了8个接地井，以便于接地电阻的检测，及将来加打接地极。

5 智能监控系统

国家大剧院变配电设备配置了智能监控系统，高压北站和高压南站采用RCS-9000系列综合保护测控单元，采集高压系统信号。设置专用远动通讯管理机，通过光纤路由与城区配网自动化主站系统实现通信。所有低压回路配置独立的三相综合电力监控仪表，具有遥测、遥信、遥控、远方参数设置及网络通讯一体化功能。

系统采用分层分布式结构，分为站控层、前置层和间隔层。站控层负责整体配电系统的集中监控。前置层具有数据处理及通信功能，用以实现间隔层设备和站控层设备之间信息的“上传下发”，并监视和管理各保护及测控单元等设备。间隔层负责各间隔就地监控，测控单元通过现场总线网络与现场通讯管理机连接及通信。

供配电线路智能监控数量见表4及表5。

通过精心设计和施工，采取的多种技术措施确保了国家大剧院供电质量，投入使用两年来，系统运行安全可靠，为8个演出季（周）共2 417场演出提供了电力保障。

国家大剧院的变配电系统设计实践为今后新建剧院确定供电等级、确保供电质量，抑制高次谐波提供洁净电源、防雷接地以及选用高效、环保、减振降噪设备和智能监控、项目管理、演出成本分析等方面系统地提供了可参考借鉴的经验。