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科技產業園供配電系統的設計探討

來源:中機院  時間:2021-09-09  點擊:
  文中結合某創新產業基地項目,通過對項目供配電系統的設計方案進行探討和總結,為相關科技產業園項目的設計提供參考。

  科技產業園是通過科學實驗、進行科技創新,轉化科技成果的的重要技術平臺,是當前國家產業政策引導下,不斷蓬勃發展的建筑業態。該類項目的供配電系統往往存在著巨大的不確定性。文中結合某創新產業基地項目,通過對項目供配電系統的設計方案進行探討和總結,為相關科技產業園項目的設計提供參考。
 
  近年來,隨著經濟的發展,以及科學技術創新的需要,各地區科技產業園類的項目在不斷興起。地方政府依據當地的產業規劃,通過政策及資金的支持,筑巢引鳳,引進先進的企業或者高校,通過技術引入、人才培養、科技創新、成果轉化帶動地方的經濟及科技的發展。
 
  科技產業園有建筑規模大、建筑高度低,多為多層建筑的特點。使用者以企業或者高校為主,功能主要以實驗及辦公為主。根據科學實驗等級的要求,其用電負荷等級要求較高。而產業園區的規劃建設往往快速、超前,而招商周期,由于洽談、對接、立項等則周期較長,與建設周期難以同步,因此各單體建筑具體使用者、實驗項目內容、用電容量需求往往難以確定,而在后期運行過程中,實驗室的劃分及使用功能也往往依據需求,需要不斷變更調整。
 
  這種不確定性的特點,決定了其供配電系統既要滿足使用方進行科學實驗供電的容量及可靠性需求,又要留有一定裕量,同時系統的結線又要具有一定的靈活性,以滿足未來發展的需要,方便未來使用功能及布局的調整。
 
  供配電系統如何能夠既滿足一定的基本需求,同時又能夠方便未來需求的調整,目前大家都是結合具體工程進行分析及總結,有對浙江某高校包括實驗室的各類負荷指標進行了統計和研究,也有對化工類科研建筑的電氣設計進行分析及研究,文中結合某創新產業孵化基地項目,就科技產業園類項目供配電系統的相關設計問題加以探討和總結。
 
  1、工程概況
  工程總建筑面積 223000m2,共分為 5 個地塊,17棟單體建筑,建筑高度不超過 24m,均為多層建筑。包括科研實驗樓、公寓、科創小鎮、科技展示中心等。科研實驗樓包括實驗室及科研辦公用房。科創小鎮包括商業、餐飲、體育、辦公培訓等功能。科技展示中心,包括展廳及庫房等。地上均為 5 層,地下為 1 層。地下室均為地下車庫、設備用房。工程共引入 9 所高等院校入住,主要從事電子、汽車、光學、生物醫藥、再生能源等實驗項目的研究。1號地塊為市政 110kV 區域變電站,2 號地塊為公寓,3~5 號每個科研地塊中均有 2~4 家高校,大部分實驗室均按國家重點實驗室標準建設。各科研實驗樓 1~3層為實驗室,4、5 層暫時為辦公。國家重點實驗室的數量及位置由于需要學校統一規劃,目前難以確定。而且未來根據發展的需要,4、5 層辦公功能也可能調整為實驗室使用。
 
  2、供電系統規劃
  2.1 負荷分級
  科技產業園內企業及高校建設的實驗室主要承擔國家或省市的重要科研項目,對供配電系統的安全及可靠性具有很高要求。根據 GB 51348- 2019《民用建筑電氣設計標準》,對供電連續性要求很高的國家重點實驗室用電為一級負荷中的特別重要負荷,對供電連續性要求較高的國家重點實驗室用電為一級負荷,對供電連續性要求較高的其他實驗室用電為二級負荷。工程根據使用方的要求,工程其中一部分實驗室為國家重點實驗室,因此,其供電負荷等級為一級。其中實驗樓、I 類汽車庫等處消防設備用電、安防用電、計算機系統、值班照明、警衛照明、國家重點實驗室負荷等為一級負荷;II 類汽車庫、公寓、能源站等處消防負荷用電、客梯用電、排污泵、生活水泵用電、計算機系統電源、計算機系統的空調用電等為二級負荷,其他為三級負荷。
 
  2.2 容量估算
  (1) 負荷指標的確定。目前各高校實驗項目的確立主要依托于專業導師,由于其研究方向及實驗項目的申報等因素,實驗項目也常常發生變化,實驗室容量也差別很大,從十幾千瓦到上百千瓦都有可能。因此如何確定實驗室的供電容量是此類項目的一個關鍵問題。容量預留過多,則前期設備投資過大,后期運行成本過高。而容量預留過少,又容易造成后期運行容量缺口,導致部分實驗項目難以運行或實現,如果申請增容,實施改造,又會增加成本,影響使用。某大學校園包含辦公、教學樓、實驗室、宿舍、食堂、體育館、圖書館等,其供電指標為 33VA/m2 [3 ]。某生物醫藥產業園其供電指標為 100VA/m2 [4 ]。西湖大學云棲校區實驗樓其供電指標則從 400~2000W/m2 。工程經與部分高校溝通確認,初步設計階段供電負荷確定按照建筑面積 100VA/m2 指標進行估算。
 
  (2) 容量計算。工程施工圖階段各類負荷統計計算如表 1 所示。
表1 負荷計算
 
  工程各地塊供電指標約為 100~150VA/m2 之間,整個項目供電指標為 108VA/m2。
 
  2.3 供電電源
  工程市電變壓器總裝機容量 24100kVA。采用雙重 10KV 電源供電,電源引自 1# 地塊 110kV 市政區域變電站。當地電業局規定:供電容量大于 5000kVA 時,需 設 置 開 閉 所 。 開 閉 所 每 路 10kV 供 電 容 量 為8100kVA,兩路 10kV 電源合計 16200kVA。因此工程在 13# 樓公寓的地下一層設置兩處開閉所。工程按照地塊分區配電,設置 5 處 10kV 室內變電所,分別設于 13(主供公寓), # 11(主供 # 11#、12#),9#(主供 8#~10#),2(主供 # 1#~3#),16# 公共服務中心(主供4#~7#、15#~17#)。每處變電所附近分別設置一處柴油發電機房,內設一臺常用功率 1200(1600)kW 柴油發電機組作為備用電源。
 
  2.4 供電系統
  10kV 采用單母線放射式供電,10kV 配電柜采用高壓中置柜柜;變壓器低壓側采用單母線分段方式運行;應急(備用)母線與主母線之間設有應急聯絡開關,當市電失電后,操作應急聯絡開關,起動柴油發電機組,保證重要負荷用電;低壓配電系統采用放射式與樹干式相結合的方式。一級負荷采用雙電源末端自動切換供電,并設機械電氣聯鎖,嚴禁應急電源與電力系統并列運行。
 
  3、實驗室配電系統的設計
  3.1 照明設計
  實驗室均采用 LED 節能日光燈,照度及功率密度值滿足 GB 50034- 2013《建筑照明設計標準》的要求。燈具布置及開關控制分別按照柱網單元配置,以便于后期實驗室根據需求進行分隔和調整。為避免互相干擾,實驗室照明與電力單獨回路配電,分別設置配電箱。實驗場所均設置應急照明,同時兼做警衛照明。
 
  3.2 電力設計
  根據規范要求,一級負荷應由雙重電源的兩個低壓回路在末端配電箱處切換供電,因此具有一級負荷及一級負荷中的特別重要負荷的實驗室配電均在樓層配電間內設置雙電源切換裝置,進行配電。二、三級負荷則可由變電所采用電纜敷設至末端,直接配電。
 
  (1) 由變電所至樓層配電間雙電源切換箱,可采用放射式及樹干式兩種配電方式,配電干線可選擇電纜、預分支電纜及封閉母線等多種方式。

圖 1 實驗室配電系統接線原理(放射式)
 
  圖 1 為采用電纜放射式配電方式,每層單獨配電,獨立干線,一級及一級中特別重要負荷在樓層設置雙電源切換裝置。其優點是造價較低、可靠性高、各樓層后期負荷級別改造調整靈活方便。尤其是前期實驗室負荷級別及重要性往往難以確認,因此可以通過調整低壓配電干線的饋出母線段(普通母線段或備用母線段),從而調整負荷的配電級別。工程 4、5 層現為辦公,前期按照實驗室功能預留配電電纜,后期可以隨時改造為實驗室使用。或者如果其他樓層需增加容量時,也可以直接利用其作為供電電源。其缺點是如果后期負荷增加較多,前期預留電纜及開關容量難以滿足要求時,需重新加設電纜。

圖 2 實驗室配電系統接線原理(樹干式)
 
  圖 2 為采用預分支電纜或母線的樹干式配電方式,當實驗室功能確定,設備容量也相對確定時,可采用預分支電纜樹干式配電,對于一級及一級負荷中特別重要負荷采用雙重電源樹干式供電,樓層設雙電源切換箱。其優點是配電回路少、配電柜數量較少、節省供配電空間、可靠性較高。其缺點是后期實驗室調整余地不大,當需要增加大容量時,需重新敷設電纜、改造系統,成本較高。
 
  采用封閉母線樹干式配電,是實驗室配電設計中較常用的配電方式,可采用兩條封閉母線,互為備用,其型式與預分支電纜樹干式配電相似,但造價較高,兩條干線可敷設至 5 層,相比預分支配電方式,每層均可設置插接箱,接線方便,便于實驗負荷的容量調整。但樹干式配電方式,對于不同負荷級別的負荷配電調整不如放射式方便靈活。
 
  (2) 由樓層雙電源切換箱饋出至實驗室的配電干線,也有放射式及樹干式兩種方式。放射式可采用電纜,沿線槽敷設至各實驗室。樹干式可采用封閉母線作為干線沿走廊明敷設,每間實驗室前需設置插接電源箱,由插接電源箱至實驗室仍采用電纜配電。放射式的優點是配線靈活、計量管理方便。缺點是容量線纜固定、較難擴展。樹干式的優點是干線容量統一使用,具有較大的容量、便于容量調配。缺點是造價較高、事故面影響較大。
 
  4、二次設計及預留技術措施
  4.1 實驗室的二次設計
  (1) 結合具體實驗項目,根據其對于供電可靠性的需求,設置相應 UPS 電源。
  (2) 實驗室設置明箱,便于后期二次施工時敷設線路。當實驗臺設置于實驗室中間時,實驗設備所需的電源開關、插座、接地端子箱等設備應與實驗臺的公用設施支架及管槽統一由二次工藝設計。
  (3) 出于保密需求的紅黑電源及電磁屏蔽等措施需待二次工藝根據需要設置。
  (4) 實驗室中還需要氦氣、氬氣、壓縮空氣等氣源,可燃氣體報警系統需待二次工藝根據需要設置。
 
      4.2 預留技術措施
  (1) 工程在地下變電所及柴油發電機房設置附近預留空間,以便后期增容擴展需要。
  (2) 變配電系統預留供電裕量,變電所預留配電柜安裝空間,開關柜預留備用回路,每層既要滿足當前使用要求,又要兼顧未來發展需求。
  (3) 每層設置單獨設置強、弱電間,均不小于6m2,另預留 1~2 處不小于 6m2 配電空間。(4) 4~5 層辦公樓層預留實驗負荷干線及總配電箱,辦公室預留接地端子箱,以便于未來作為實驗室的功能轉換。
  (5) 照明配電箱預留備用回路,照明回路按照柱網配置燈具及插座,以便于后期實驗室的擴展及重新劃分。
  (6) 科研建筑按具體要求,可設置實驗室工作接地、供電電源工作接地、保護接地、靜電接地、實驗室特殊防護接地及防雷接地。”工程采用共用接地裝置,接地電阻不大于 1Ω。另外每間實驗室均預留等電位聯結端子箱,防靜電措施由后期實驗工藝設計安裝。
 
  5、結語
  科技產業園類項目應依據其使用功能,確定負荷等級,并以此確定供電電源。大型項目宜按照地塊劃分供配電系統,分區域配置應急(備用)電源。實驗室的配電方案需考慮實驗室的負荷級別、供電容量以及未來功能的調整變化,合理確定配電方式,并應考慮多種預留措施。當實驗室有明確的使用方及確定的電氣要求時,應根據使用方的具體要求進行配置。沒有具體要求時,應按照一定的原則進行統一規劃設計,一般用電容量可以暫按建筑面積100~150VA/m2 的指標預留。
 
  科技產業園類項目在全國各地不斷蓬勃興起,科技產業園依據各地的產業發展方向也包含各種不同業態,具有不同功能。具體設計過程中,不僅要依據規范,更要充分聽取甲方意見,了解需求,不僅要滿足當前的建設要求,更要考慮未來的發展空間和余地。因此,希望文中研究可為科技產業園類項目的配電系統設計提供借鑒及參考。(作者:劉曉峰)

 
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