专业足球场供配电系统分析

窦 晓 斌

[同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司, 上海 200092]

0 引 言

高标准的专业足球场对电气设计提出高要求。赛时稳定、可靠的电源供应可以保证停电故障状态下赛事能够连续进行而不间断;同时,平时的场地赛后运营与高效维护同样离不开电气设计的提前考虑与预留。

1 工程概况

某工程以满足亚洲杯赛事要求为导则,结合国际足联(FIFA)和亚足联(AFC)的足球场设计标准,致力于建设国际化高标准的专业足球场。结合看台分区,按东西南北主要分为球迷互动、联动等竞技文化板块,运动员、官员、媒体等核心竞赛板块,餐饮与运营、安保、办公等后勤服务板块,以及健身、培训等健康生活板块。此外,在与主体脱开的外环还设有与场馆错位运营的商业,通过架空连桥与主体相连。

工程包含1座专业足球场、3个室外训练场、1处地下停车库及1座体育公园,总用地面积300亩,建筑面积13.49万m2。其中,专业足球场观众席容量为4.5万座,建筑高度46.8 m,主体地上共5层。

依据JGJ 31—2003《体育建筑设计规范》[1]中表1.1.7及表5.1.1,该足球场按国家体育建筑甲级标准、大型规模定位,满足举办全国性和单项国际比赛使用要求。

2 供配电系统

专业足球场作为重要用电单位及敏感用户,中断供电将造成严重的负面影响,安全可靠、技术先进且经济合理的供配电系统至关重要。

2.1 负荷分级

JGJ 354—2014《体育建筑电气设计规范》[2]中表3.2.1针对不同等级的体育建筑负荷分级做出规定;GB 50052—2009《供配电系统设计规范》[3]第3.0.1.1条文说明也有表述,即大型国际比赛场馆的记分系统以及监控系统等属于一级负荷中的特别重要负荷,同时阐明各行业可据此规范确定用电设备或用户的负荷级别;JGJ 16—2008《民用建筑电气设计规范》[4]第3.2.1规定,重要国际活动的大量人员集中的公共场所用电,中断供电将造成公共场所秩序严重混乱时应定义为一级负荷,实时处理重要的计算机及计算机网络正常工作以及特别重要场所中不允许中断供电的负荷为一级负荷中的特别重要负荷;此外,结合国际足联文献[5](简称《FIFA足球场》)第9章对人身安全、赛事用电等重要负荷的电源供应要求,同时考虑中足协及组委会的指导意见,对案例足球场进行负荷分级如下。

(1) 一级负荷中的特别重要负荷。包括场地照明,观众席照明,主席台、贵宾室及其接待室、新闻发布厅等用电,LED大屏,摄像机,计时记分,成绩处理,影像采集及回放,竞赛实时信息发布,升旗控制,标准时钟,媒体评论,场地扩声,同声传译等用电;国际转播机房,场地运营中心,灯光控制中心,音视频控制中心,5G弱电机房,医务室,安保现场指挥部,应急指挥中心公安设备机房,功放机房,网络总机房,电视转播机房,裁判视频机房等机房用电;应急照明和消防控制中心,消防风机房、消防水泵房等消防负荷;以及核心竞赛板块相关用电负荷。

(2) 一级负荷。包括建筑设备管理系统、售检票系统等用电,场地通风设备,自动喷灌设备,VVIP及VIP载客电梯,媒体载客电梯,无障碍载客电梯,送餐梯、垃圾梯及货梯等设备,主要通道照明等。

(3) 二级负荷。普通包厢、生活水泵、污水泵等用电。

(4) 三级负荷。后勤储藏,景观用电及健康生活板块相关的健身、培训、外环商业及其他等用电。

2.2 市电电源

为满足工程用电需求,从城市电网不同上一级电业站申请两路10 kV双重电源,每一路安装容量为7 750 kVA。在足球场主体东南角靠外墙以方便进线的位置,设置10 kV配电中心,内设10 kV开关柜、计量屏、直流屏、信号屏、监控屏等设备。10 kV双重电源采用室外电缆井加电力排管结合方式埋地进入站内电缆井,之后沿井边墙面桥架竖向敷设至梁下后转水平敷设,以上进线方式接入10 kV开关柜。

2.2.1 10 kV配电系统

两路10 kV双重电源采用单母线分段接线方式,同时供电,分列运行,不设联络。当一路电源检修或发生故障时,另一路电源应不致同时受到损坏,且能承担全部一级负荷中的特别重要负荷和一级、二级负荷用电需求。

10 kV出线回路采用上出线方式,沿高压电缆防火金属桥架敷设至各分变电所。Ⅰ段10 kV电气主接线如图1所示。Ⅱ段10 kV接线同Ⅰ段,放射式供电至各分变电所内与Ⅰ段对应设置的10/0.4 kV变压器。

图1 Ⅰ段10 kV电气主接线图

2.2.2 10/0.4 kV变配电系统

结合不同功能板块的各级用电负荷分布,同时根据JGJ 354—2014《体育建筑电气设计规范》表4.2.5规定的配电变压器赛时负载率不超过60%的要求[2],在足球场主体1F东南和西北角各设置1处10/0.4 kV工艺、动照合用变电所,内部各成对设置2台工艺变压器及2台动照变压器;在外环西北角设置一处空调专用变电所,成对设置2台空调专用变压器;在地下车库设置一处车库变电所,成对设置2台动照变压器,供电于整个地下车库所有用电负荷。供配电系统主机房位置示意图如图2所示。

图2 供配电系统主机房位置示意图

10/0.4 kV变配电所设置如表1所示。

表1 10/0.4 kV变配电所设置

0.4 kV侧采用单母线分段加手动联络方式,平时分列运行,当一台变压器检修或电源故障停电时,另外一台变压器可保证全部一级负荷中特别重要负荷和一、二级负荷的用电需求。2台主开关和联络开关之间连锁,任何情况下只能有两个开关处在闭合状态,同时与应急电源采取防止并列运行的措施。

10/0.4 kV工艺变配电系统接线图如图3所示。

10/0.4 kV动照变配电系统接线图如图4所示。

图4 10/0.4 kV动照变配电系统接线图

2.3 应急电源

当城市电源发生故障而中断供电时,应急电源既要在设备允许断电时间内立即投入使用,又能够持续一定时长,以保证赛时场地照明、电视转播、计时记分等用电负荷电源的不间断供应。国内标准JGJ 354—2014《体育建筑电气设计规范》第3.3节及第6章,国际足联标准《FIFA足球场》第9章,以及亚足联标准《AFC Stadium Lighting Guidelines 2018》第16章,均对专业足球场应急电源供应提出相关要求[2,5,6]。据此,案例工程设置应急柴油发电机组、UPS及EPS作为应急电源。

2.3.1 应急柴油发电机组

为满足FIFA和AFC的相关技术要求,同时保证重要负荷的供电可靠性,设置柴油发电机组作为应急电源。结合建筑功能布局,在足球场外环东南及西北角,与工艺动照合用变电所呼应的位置分别设置一座柴油发电机房。按消防负荷与非消防重要负荷不同时满足,取其大者确定柴油发电机容量。内部各设置2台PRP功率1 000 kW的柴油发电机组并机运行,分别为对应的工艺动照合用变电所的工艺重要负荷和消防动照负荷提供应急电源。每座柴发机房内设置1 m3的储油箱,室外设置5 m3的埋地储油罐,满足供油时间大于3 h。柴油发电机组低压配电接线如图5所示。

图5 柴油发电机组低压配电接线图

柴油发电机组起动采样信号包括变压器低压侧主开关失压信号和ATS的常用电源失电信号。采集到起动信号后柴油发电机组应立即起动,并在15 s内投入正常带负荷运行,与之联络的变压器应急电源能够立即投切以保证重要负荷的连续供电。柴油发电机组与电力系统联锁,不得与其并列运行。当市电恢复时,机组应能自动退出工作或根据预先设定的程序延时停机。

结合图3～图5,确定柴油发电机起动信号逻辑关系和送电次序主要为,市电A或市电B失电,起动柴油发电机(热备)并完成并机;市电A和市电B均失电,则合闸送电;一路市电恢复,柴油发电机组停止提供应急电源,返回热备状态。柴发与工艺变联络起动控制逻辑如表2所示。柴油发电机组与动照变联络起动控制逻辑如表3所示。

表2 柴发与工艺变联络起动控制逻辑

表3 柴油发电机组与动照变联络起动控制逻辑

2.3.2 UPS电源

为保证对要求恢复供电时间不超过0.5 s的体育工艺用电、消防报警用电、安防通信用电等重要负荷的供电连续性,采用UPS提供备用电源,蓄电池持续工作时间不小于15 min。UPS主机及电池设置于靠近服务区域负荷中心的强电间或设备机房内。

《FIFA足球场》第297页～第350页按类别排序部分,对各功能区域是否设置UPS做出明确要求[5]。结合案例足球场核心竞赛区及其他各层赛事工作区用电负荷。用电负荷及UPS设置依据如表4所示。

由表4可知,大量UPS及电池散落在足球场各处,为实现综合管理和集中监控,设置UPS及电池监控系统,实时监测UPS运行输出相电压及相电流、输出线电压、旁路线电压、电池电压及电流、视在功率、有功功率、输出负载率、电池充电容量及后备时间、电池温度、旁路及逆变频率、中性线电流等参数及逆变器、旁路、整流器、电池充电、风扇故障等状态。一般不通过监控系统对UPS进行控制,避免由此带来的断电风险。通过设备的RS-485/RS-232通信接口将设备数据读出并上传至云端服务器实时监测,能够通过APP或者Web端进行实时查看。UPS及电池监控系统如图6所示。

图6 UPS及电池监控系统

表4 用电负荷及UPS设置依据

2.3.3 EPS电源

应急照明及疏散指示采用集中电源集中控制型应急照明和疏散指示系统,场地及观众席的应急照明采用集中设置EPS电源、集中控制器、AC 220 V灯具(设不燃烧材料制作的保护罩,并符合国家标准GB 17945—2018《消防应急照明和疏散指示系统》的有关规定)相结合的形式,EPS电源、配电箱柜、控制系统及应急照明灯具均应通过消防CCCF认证。EPS电源持续供电时间为90 min,切换时间不大于1.5 s。

3 低压配电系统

在足球场主体对角线四角1F～5F设置强电间,竖井上下对齐。各用电负荷配电设备靠近负荷中心设置于就近强电间或服务机房内,机房面积考虑各箱柜操作检修空间及末端有源滤波装置安装空间,同时考虑管线竖向敷设及水平转换空间。照明插座、空调、动力及特殊用电设备分开配电,分项计量,按负荷重要程度及负荷大小和分布情况采用放射式或树干式配电。

3.1 工艺用电配电系统

作为一级负荷中特别重要负荷的部分体育工艺用电,其低压配电系统主要包括进线配电箱、UPS主机、UPS电池、出线配电箱等设备,进线箱两路进线电源引接自市电和柴发切换后的工艺变电所低压馈电回路,出线箱出线至下级配电箱或直接接驳至工艺用电设备。同时对LED大屏、场地照明、大功率UPS、变频调速设备等谐波电流较严重的负荷,设置就地有源滤波装置以减少谐波对电网及设备的影响。工艺用电低压配电系统接线如图7所示。

图7 工艺用电低压配电系统接线

在进线箱自动ATS后面增设手动ATS,常用电源端接至自动ATS出线侧,备用电源端接至自动ATS备用电源进线侧。当自动ATS故障拒动作时,可将手动ATS切换至备用电源侧,绕过自动ATS断点以持续供电。

维修旁路开关QA2常开加锁,当UPS需要整体脱出维修时,切换到外置旁路的步骤为,首先将UPS主机切换到静态旁路;其次将UPS主机进线切换至内旁路进线;然后先闭合QA2,再断开QA1,切换到外置维修旁路;最后切断UPS进线开关,UPS整体脱出维修。

3.2 演艺用电配电系统

足球场除承办足球赛事以外,也常用于举办大型临时文艺演出活动,舞台机械、灯光等演艺用电条件预留是设计阶段不可疏漏的关键问题[7]。JGJ 354—2014《体育建筑电气设计规范》第4.2.1条规定,对于经常有文艺演出的体育场馆,演出类负荷宜与体育工艺负荷共用一组变压器;第7.1.2条规定,当体育建筑兼有文艺演出功能时,宜在场地四周预留配电箱或配电间[2]。案例工程在足球场东南和西北场地入口附近分别设置演艺用电接驳间,内外各设置电缆井,通过预埋套管连通直至场地边缘电缆井,用于大型演出用电设备就近接驳电源。

按照运营计划安排,西北角演艺用电接驳间自就近工艺变电所引来四路演艺临时用电,东南角演艺用电接驳间自就近工艺变电所引来两路演艺临时用电,每路容量均为500 kW。每个演艺用电配电柜内按不同电流等级分别设置若干出线备用回路,以备将来用电单位视需求自行接驳;同时,接驳间内各设置两个双回路配电箱,电源取自成对的演艺用电配电柜出线回路,用于对电源供应有额外需求的演艺用电设备使用。

3.3 场地补光系统

通过分析足球场内外年平均光照时间,结合足球场罩棚产生的阴影区域变化做针对性分析研究,将比赛场地平均分为18个等面积区域,每个分区按照设置一套场地补光装置考虑,用以弥补太阳辐射不足时草坪生长所需要的能量。

工程采用高压钠灯可移动方式补光系统,作用范围为一次性半场覆盖,半场配置9个大型补光灯,补光灯高度距地约2 m,采用专用的草坪轮胎,每个灯具覆盖面积约为400 m2。补光装置可折叠存放,场地附近接电。

每组大型的补光灯需要2个5芯63 A工业插座,额定电压380 V。考虑到演艺用电和场地补光系统错时使用,从场地东南和西北角演艺用电配电柜内各配出9个三相63 A带剩余电流保护装置回路,电缆穿钢管自场地边缘的电力接驳井,引至天然草坪铺设范围外缘均匀分布的工业插座。

场地补光系统灯具布置如图8所示。

图8 场地补光系统灯具布置

场地补光系统工作示意图如图9所示。

图9 场地补光系统工作示意图

4 结 语

专业足球场以其承接赛事的专业性,形成其特有的专项技术要求。本文从供电连续性和可靠性角度出发,结合国内外规范标准要求,介绍供配电系统全过程设计方法,并对可能出现的故障状况或检修工况下的处理措施作简要分析,较好地保证足球场赛时工艺用电及平时运营用电需求。