综合管廊工程中的强电设计问题探讨

查　桢

[同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司, 上海　200092]

0　引　言

综合管廊作为一种现代化、集约化的城市公用基础设施,根据工艺和结构的具体设计,结合当地规划,分为单舱到四舱不等(一般不超过200 m设置一个防火分区)[1]。综合管廊中电气工程是管廊工程设计中的主要附属工程,分为强电和弱电。综合管廊电气设计为照明、通风、排水以及消防系统提供电力保障[2]。

综合管廊的建设是十三五规划中着力开发的工程,根据在不同的工程案例和各地各院的强电设计,发现很多有争议或者值得商榷的地方。故根据实际工程中的一些经验以及和系统集成商、厂家、施工单位的沟通,探索综合管廊高低压系统设计、变压器选型方案、高低压设备的选型和相关计算以及接地计算。

1　供电电源

以往工程中综合管廊供电从变电所引入一路或两路10 kV电源[3],对于下级管廊内部的0.4 kV供电系统采用树干式配电方式[4]。综合管廊存在二级负荷,故单用一路10 kV不一定能满足要求;此种低压配电方式可用于支线的单仓或双仓管廊,但对于一些干线或三仓、四仓管廊,低压树干式配电导致配电线路容量成倍增加,可能产生压降问题。对于综合管廊用电负荷,为保证低压末端用电设备压降不大于5%,故对用电设备较多、舱数较多的综合管廊采用低压放射式接线。

综合管廊监控中心的供电采用2路10 kV供电电源,其高压出线可采用一路或两路链式配电给下级综合管廊供电,根据综合管廊情况,配电方式可以组成环网。

综合管廊本体的配电方式可针对不同管廊和当地市政情况分类考虑:

(1) 方案一。发达地区的干线综合管廊一般采用两路10 kV供电方式,并且两路10 kV由不同变电所或同一变电所的两组不同回路母排引出。负荷等级的要求为消防和重要负荷为二级,其余为三级[1],但可酌情考虑。此种方式需要当地供电部门配合,需求较高。

(2) 方案二。一般城市的综合管廊可采用一路10 kV供电,若10 kV供电条件困难,对于小型的支线管廊,可寻找道路照明箱式变压器(0.4 kV)供电,但需要注意计费问题。此方式不建议用于含有较大容量消防风机的负荷。

(3) 方案三。现阶段的综合管廊建设以新建综合管廊为主,以后将更多发展老城改造的综合管廊建设,故若10 kV供电困难,而商业发达地区有较多0.4 kV供电电源,因此可采用10 kV和0.4 kV组合供电,对于防火分区一路采用市政0.4 kV供电,另一路为管廊内10 kV变压后0.4 kV供电,其负载为二级负荷,下级低压供电进行切换以满足要求。但需要注意的是此方式用于周边具有较多0.4 kV的地区,因0.4 kV供电半径有限(压降)。

(4) 方案四。采用单台变压器10 kV环网供电,从而达到较高的可靠性。

以上不同方案各有优劣和适用场合,可针对具体工程而定。

2　综合管廊变压器选型

综合管廊变压器多采用干式变压器,并且在进出线方式上采用环网柜型。干式变压器用于综合管廊的日常负载较低,故很难依赖自身发热方式消除凝露,故需要加热器;若设置一用一备方式,则另一台需要很好的维护,才能保证上电安全。以往使用的高压柜主要采用普通的空气柜,占地大,并且也存在凝露的问题。因此根据多地的情况,采用如下解决方案。

(1) 方案一,采用环网柜加地埋变压器组合。传统的气体柜在出线短路故障状态下,气体泄放后毒性较大,故采用氮气柜较安全。此种方案造价较高,但是能完成环网功能,且下级的高压故障不影响上级,基本解决环境影响。

(2) 方案二,即四工位刀和油浸式变压器整合一体化的方案。此方案优点是四工位刀和变压器整合为一个地埋变压器整体,四工位T型刀可实现环网、单路供电以及变压器离线检修等功能,基本不需要日常维护,且占地最少,完全解决环境影响;缺点是当变压器出现短路故障或四工位刀出现问题时,断开上级10 kV部分,甚至断开全部的供电网络。

(3) 方案三,采用油浸式变压器和连接器(负荷开关)分开方式,负荷开关和熔断器也采用油浸式。这种方案优化方案二中的变压器故障情况下对环网的影响,并且维护变压器不影响整个10 kV链路,但负荷开关出线问题也将影响上级。

综上,方案一的保护最全面;方案二最简洁,结合供配电方案二和四,可很好地用于偏远地区的支线综合管廊方案;方案三可用于一些规模不大地区的干线综合管廊。

很多地区早已采用一台10 kV变压器,不满足新规范对燃气舱设备负荷等级的要求,故可采用相邻10 kV变压器互备的补救措施。

3　电容补偿

综合管廊的负荷特点是轻载,负荷周期变化大。故电容补偿容量在不同时段变化较大。现阶段在综合管廊内主要采用电容补偿,对于给10 kV/0.4 kV变配电间供电的10 kV监控中心,其10 kV中压系统仍需要补偿。以往项目中有采用无功补偿装置,而一些因管廊正常运行时较长的自用中低压电缆电容电流较大,存在容性无功倒送的情况,故在10 kV母线上集中设置并联电抗器,补偿母线上过大的容性无功[4]。这两种均存在问题,则单独采用无功补偿装置,在10 kV处于轻载的环境下电缆的电容电流主要为分布式电容电流。

设三相对地电容分别为Ca、Cb、Cc,正常情况下系统中电容电流分别为

(1)

(2)

(3)

式中:UU、UV、UW——各相相电压,V;

UN0——中性点对地电压,V。

(4)

式中:ρ——电网不平衡度。

此时若三相平衡,电网不平衡度ρ=0,通常电网不对称度≤0.02[5]。对于10 kV系统,不对称情况下中性点对地电压为120 V左右。管廊内部主要负载为电动机负载,故主要负荷平衡。因此,正常情况下电缆电容电流很小。

因此,管廊10 kV变配电间供电的上级10 kV监控中心正常运行情况下无功功率倒送的情况并不严重,出现明显无功倒送时主要是单相接地故障情况下。因此,单纯采用电容补偿不能解决故障情况下的问题,而在正常工况下单独采用并联电抗器效果不佳,且不利于日后对10 kV系统的扩展。采用调相机,能同时满足无功倒送和吸收无功的需求,若无法满足,设置无功补偿则是较经济的方案,但需和当地供电部门沟通。

4　断路器选型

综合管廊配电负荷较小,供电距离长,设备单体容量差别较大,变压器容量较小。对于综合管廊低压的配电情况,先是通过分变电所内的低压配电柜进线开关至出线开关,后至管廊分区配电间内的进出线开关。其中单个断路器需满足短路故障情况下的灵敏性和可靠性。

以某工程为例,其最小情况下高压侧短路容量为100 MVA,变压器规格为200 kVA,Dyn11接线方式,分变电所出线电缆规格为YJV-1 kV-3×7+2×35,长为600 m,分区配电间出线电缆为YJV-1 kV-5×16,长为200 m。

最小情况下线路末端低压单相接地短路电流[6]计算过程如下

(5)

(6)

式中:Rphp·S、Rphp·T、Rphp·l1、Rphp·l2——系统、变压器、线路1段、线路2段的相保电阻;

Xphp·S、Xphp·T、Xphp·l1、Xphp·l2——系统、变压器、线路1段、线路2段的相保电抗;

Id——单相接地短路电流。

最小情况下低压三相短路电流[6]计算过程如下:

(9)

(10)

式中:RS、RT、Rl1、Rl2——系统、变压器、线路1段、线路2段的短路电阻;

XS、XT、Xl1、Xl2——系统、变压器、线路1段、线路2段的短路电抗;

ID——三相短路电流。

因此,根据最小短路电流要求,断路器在综合管廊分区配电间一般采用2段保护,故断路器瞬时或短延时整定电流Iset3如下[7]:1.3Iset3≤ID,得Iset3≤451.5 A;1.3Iset3≤Id,得Iset3≤109 A。但断路器的瞬时过电流脱扣器兼作接地故障保护时,考虑线路上同类设备可能同时起动[4],起动设备不考虑所有电动机负荷同时起动,因PLC能按照时序分别起动电动机类负荷,防止同时输出起动信号导致多台电动机起动产生的瞬时尖峰电流,故断路器负载按照最大运行方式下且最大一台电动机起动时的总电流计算。

按照三舱管廊容量,其中2台14 kW燃气舱、2台5.5 kW电力舱、2台11 kW综合舱为主要负荷计算,其余水泵和照明以及控制设备为10 kW。Iset3≥1.3×[2×(11×2+8×2+14+10)+14×2×12=598 A。

按照双舱管廊容量,其中2台5.5 kW风机电力舱、2台11 kW综合舱为主要负荷计算,其余水泵和照明以及控制设备为7.5 kW。因此,Iset3≥1.3×[2×(11+8×2+10)+11×2×12=439.4 A。

对于不同形式的综合管廊,因总计算容量和风机容量的区别,断路器的瞬时脱扣可能存在灵敏度和可靠性相冲突的情况,严重情况下甚至会与三相短路电流相冲突;考虑到管廊出现3舱的情况,设备台数较多,需要再次校验断路器的正常情况下的负荷:根据Iset3≤109 A,若采用C型断路器,按照短路瞬时整定电流与额定电流5倍关系,得In≤21.8 A。若作为分区配电间的进线断路器,则按照双舱的负荷条件是难以满足的。故通过短路和起动电流的校验,断路器仍会出现额定电流小于计算电流的情况。

根据以上不同情况,可采用以下方案解决:

(1) 当断路器在计算电流以及电动机起动对于最小瞬动整定的要求与低压三相短路电流所钳制的最大瞬动电流相冲突时,可以采取电动机加装起动器,增大电缆截面以增加短路电流,合理增加变压器容量以增大短路电流,分割多个回路供电以减少单个断路器计算电流的方式来解决问题。需要注意的是,电动机加装起动器后仍需要计算在火灾情况下切旁路运行时断路器是否满足起动条件。

(2) 当断路器在电动机起动对于最小瞬动整定的要求与低压单相接地短路电力所钳制的最大瞬动电流冲突时,可以采用带有接地保护功能的断路器,也可采用零序电流互感器和动作于分励的继电器组合。

以上方案能够解决在管廊TN-S系统下断路器选型的细节问题。

对于综合管廊断路器的选择性,分区配电间的出线断路器采用小型断路器,进线采用塑壳断路器以进行短延时保护,而对于分变电所内的断路器均采用塑壳断路器,通过时序整定以满足选择性。

5　风机选型与保护

以往工程在管廊内对风机的保护采用传统的断路器和热继电器的组合,但是管廊内平时进排风风机在消防时均需运行且为二级负荷[1]。

有些项目中采用双速风机以达到节能效果;根据管廊通风的风量在高速和低速情况下不同,通过双速风机的高低功率搭配达到节能效果[8]。

管廊通风与楼宇通风不同,管廊属于少人环境,故其通风总量是根据管廊内部温/湿度达标以及人为标定的,所以其通风是周期性运行,达到标准即可停止。楼宇不间断运行,故采用双速风机节能计算如下:一个防火分区内,设所需通风风量1 200 m3/h,在此通风风量下均能保证温/湿度达标。参考HTF(GYF)-Ⅱ型双速风机,假设其通风风量在高速情况下为12 000 m3/h,低速为6 000 m3/h,故W1=4×1 200/12 000=0.4 kWh,W2=3×1 200/6 000=0.6 kWh。

可见,双速风机大大增加运行时间,却不能实现节能,并且增加设备回路和风机成本,且高速抽头需要定期维护,以保证消防正常上电。因此,采用单速风机。

6　防雷接地

考虑雷电波入侵,进线侧加装电涌保护装置,接地形式采用TN-S。管廊通道较狭窄,其接地可靠性直接影响狭窄区域人员操作的安全性[9]。管廊内的两侧侧壁通长敷设40 mm×4 mm的热镀锌扁钢,并且在管廊每隔100 m将接地扁钢连接。管廊结构缝处预埋100 mm×100 mm×10 mm的热镀锌钢板,并且将热镀锌扁钢与钢板可靠焊接。另外,结构缝处可以考虑采用铜带连接。

7　设备环境防护

综合管廊在某些季节潮气较大,而且存在爆炸危险环境;管廊内敷设有中压甚至高压电缆,故管廊的接地要求除可靠外,还应要求设备的EMC环境,故电气设备的防护至关重要。变压器等级为IP68,柜体等级主要为IP54、IP55,采用不锈钢钢板或者进口玻纤加强型聚碳酸酯材质。

在综合舱内的设备分区变电所以及管廊内的控制箱和按钮箱均需采取防腐措施,所以控制箱和按钮箱宜采用双门安装,外设有机玻璃。分区变电所内设备的接线端子可采用镀锌处理,以减缓腐蚀。继电器可采用封装式而非普通的继电器。

燃气舱顶部以及阀门接口处均为爆炸危险环境2区,为安全起见,燃气舱内均采用防爆设备,且安装位置需按爆炸危险环境来定。

高压舱预留安装110 kV、220 kV电缆,对检修电源箱和相关开关元件的动作会产生影响,故此类设备安装于电缆不同侧。进出线电缆的连接应做好EMC屏蔽措施。现阶段工程主要采用玻璃钢,高压或超高压电缆出现绝缘下降时会在玻璃钢支架上出现危险电压,建议当设置于高压舱时采用热镀锌角钢支架,但需做消磁处理,防止铁磁性材质在支撑同回路不同相电缆时产生涡流损耗,同样也对靠近高压舱高压电缆的接地扁钢和钢筋材质做消磁处理。

8　结　语

通过对不同工程经验的总结和理论计算,得出以下结论:

(1) 电源的供电方式不单独采用1路10 kV,而是针对不同的地区条件采用10 kV与0.4 kV组合使用。

(2) 推荐使用地埋变压器,高压进线系统组合方式分为3种不同方式,根据当地条件和供电部门需求优化选择。

(3) 无功补偿,推荐采用调相机,对于IT系统单相短路情况下的无功倒送问题,可与当地供电部门协商。

(4) 断路器选型时由于管廊特殊性,要通过短路电流计算和运行以及启动状态相结合,根据不同的问题采用调整系统短路阻抗的方式或增加断路器的速断功能。

(5) 管廊内风机的保护采用带接口的电动机保护器,必须满足正常与火灾时不同的控制方式,风机运行方式与大楼不同,采用单速即可。

(6) 管廊接地内部要形成笼型可靠接地,在外部也需要预留接地端口。

(7) 管廊内设备要考虑凝露、腐蚀、爆炸危险以及EMC的环境防护情况。不同的舱室采用加热、涂镀、安装位置调整和消磁等方式来降低风险。

收稿日期：2018-03-21