厦门海沧湖水秀公园供配电系统解析*

王洪铨， 高学文

(1.厦门海投国际航运中心开发有限公司，厦门 361026；2.中国建筑设计院有限公司，北京 100044)

0 引言

随着我国经济的迅猛发展，人民的物质生活及精神文化生活水平逐步提高，同时带动了各个城市旅游产业的发展，各地依托自然风景及当地特色人文生活，开始大力开发各种配套旅游资源，比如主题公园、水秀表演、主题文化表演等。此类建筑的设计及施工需与各相关单位均进行有效地沟通以满足工艺要求，供配电设计更加需要精准满足各类设备的负荷需求并进行合理负荷分配。

1 项目概况

海沧湖水秀公园项目选址于海沧内湖南湖区域，东侧为东南国际航运中心总部大厦(厦门中心)，西侧为海沧体育中心，规划总用地面积约为38万m2，由1座大型音乐喷泉、1个约2 150座的观众席及配套声、光、电设施的实景水秀组成，项目总投资约3亿元，通过高科技手段将喷泉、灯光、视频、音响和舞蹈、音乐等艺术形式相结合，极具震撼力和影响力。本项目供电系统包括：看台(含户外观众席、设备房及其他功能室)、水中表演区(浅水区舞台、中景区、表演区舞台、主景区)、围堤、气源站、投影岛等，规模很大，所以如此大型水秀公园的供配电系统的可靠性、经济性及安全性至关重要。

2 负荷分类

2.1 水下喷泉系统

水下喷泉设备分为普通喷泉泵、水火喷泉泵、气爆喷泉泵(图1)等，水下喷泉泵数量达1 400多台，水下灯及其他特效设备5 000多个，主要分布于中景区和主景区内。由变配电室引44路电源至喷泉控制室配电控制柜，为喷泉泵、水下灯及其他特效设备供电，进线电源及给设备的配出线采用上进下出接线方式。控制柜总数为207台，其中设备配电控制柜197台，信号机柜10台，分28排布置。总功率约为15 000kW，为本项目的主要用电负荷。

图1 各类喷泉泵

2.2 空压机组系统

空压机组系统由3台工作压力为7.5MPa的无油活塞式空压机组成，此大型无油活塞式空气压缩机组产生的压缩空气通过中高压力管道输送至储气罐收集后供水秀公园气爆泉使用。单台功率为450kW，2用1备，总装设备容量1 350kW，使用容量900kW，为本项目单机功率最大的设备，虽然采用了软启动，并分时启动，但对其他负荷的影响仍然很大。

2.3 灯光及音响系统

灯光系统包括背景灯光、环湖灯光、激光、追光特效，主要分布于看台观众席两侧、投影岛上及环湖沿线，其中投影岛及环湖沿线灯光距离变配电室距离为300～500m，总功率约为1 100kW。

音响系统负荷主要分布于看台观众席两侧，总功率约为120kW。

2.4 投影系统

投影系统负荷主要分布于海沧内湖中的2个人工投影岛，距离变配电室直线距离300m左右，通过海底电缆由变配电室引至2个人工岛，总共采用48台高亮度投影机，整个投影系统的总功率约为500kW。

水秀公园负荷种类较多，总的设备功率非常大，仅以上几项的总设备功率已超过18 000kW，除了以上主要负荷外，还有水秀公园看台建筑等用电负荷。

3 供配电方案特点及解析

水秀公园的建筑主要由看台及附属设施建筑和2个人工投影岛组成，建筑面积约为4 470m2，建筑物分散。

3.1 变配电室选址

变配电室位置选择主要考虑2种方案：方案一，变配电室集中设置于观众看台下的地下一层，集中设置方便管理，并且主要用电设备均设于地下1层，靠近负荷中心，但由于设于地下1层且看台建筑紧靠海沧南湖，变配电室及其他重要设备房存在进水的风险。方案二，根据负荷位置分散布置变配电室并设于地面上，提高安全性，更接近负荷中心减少电压损失及电缆铜损耗，但变配电室较多，增加初投资，并且影响沿湖景观及建筑布局。

受沿湖景观及建筑布置影响，经综合比选，最终采用地下1层集中设置方案。针对方案一的缺陷采用如下措施应对：(1)抬高地下1层变配电室的地面标高，高于地下1层基准标高0.6m；(2)在变配电室内设置防水检测报警装置，一旦变配电室进水立即报警处理；(3)加大地下1层排水泵的功率并在双路供电的基础上引接临近建筑柴油发电机作为备用电源；(4)针对负荷分散供电半径超出250m，适当加大电缆截面积降低电缆电压损失；(5)变配电室内设置有除湿功率分布式空调，确保变配电室的干燥。

3.2 空压机组配电

无油活塞式空压机单台功率为450kW，单体设备功率大，2用1备，共3台，每次演出所需压缩空气均由此空压机组在表演前一次性储备到位，表演过程中不需要启动空压机组。

(1)供电电压选择：方案一，选用10kV或6kV高压电机，采用高压10kV直供，电流小电缆截面小，现场敷设方便，但高压柜数量多，高压空压机价格较贵，高压继电保护系统复杂；方案二，选用0.4kV低压电机，采用0.4kV供电，电流大电缆截面大，现场敷设难度大，变压器容量要求高，但相比空压机便宜，经综合比选，本建筑采用0.4kV供电方案。

(2)启动方式选择：交流电机启动一般分为全压启动、变频启动、降压启动和软启动。1)450kW电机全压启动会产生超过10%的线路电压降，易引起其他电气设备工作不正常，而且5～8倍的瞬时启动电流有可能造成变压器过负荷跳闸，且全压启动的电机的容量不宜大于变压器容量的20%～30%，因此不考虑全压启动；2)变频启动可以同时改变电压和频率，保持V/F不变，既能降压，又能保持一定的启动力矩，是目前最好的启动设备，但成本过高；3)若采用降压启动，如自耦变压器、星/三角启动器、串接启动电阻等，其原理是降低电机启动电压，减少对电网冲击，但这些传统的启动方法均存在以下缺陷：主回路电压切换，会对电机及机械设备产生冲击，降低设备使用寿命；主回路耗能元件(如起动电阻)增加能耗，设备体积较大；降低电压的同时，启动力矩相应减少；4)若采用软启动，启动电流一般为额定电流的2～3倍，电网电压波动一般在10%以内，对其他设备的影响非常小，能很好地克服传统降压启动的缺点，投资较小，但软启动会产生大量的高次谐波；5)压缩空气表演前一次性储备到位，过程中不需要频繁启动。经综合考虑，空压机组采用软启动方式，在实际运行中可提前启动空压机并在表演前运行储气到位，与喷泉泵分时使用，有效地降低总的变压器装机容量，提高变压器的使用效率。

(3)由于变配电室与空压机房分成两个建筑单体，室内配电采用封闭母线槽，室外部分由母线槽转换成电缆，有效地降低现场敷设难度。

3.3 喷泉泵配电

为了配合水秀喷泉、音响、视频等效果要求，水下喷泉泵需要准确控制水柱高低起伏并且需要频繁启停，对比各类控制方式后，最终采用变频控制，故变频器的正确选择对于控制系统的正常运行也是至关重要的。

(1)所有喷泉泵控制柜设于看台下的喷泉控制室，而喷泉泵则分布于180m×30m的喷泉主景区内，需要100～200m不等的长电缆联接变频器和喷泉泵，此时应该采用对应措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器功率不够，故变频器应放大一、两档选择或在变频器的输出端安装输出电抗器。考虑到喷泉泵高开关频率，将导致变频器的降容，变频器也需放大一档选择。故在水秀公园项目中最大泵功率为92kW，最小泵功率为3kW，3kW的泵采用5.5kW的变频器，92kW的中空射水泵采用132kW的变频器，以此类推，变频器的功率均比喷泉泵的功率大一级或二级，后期项目的实际运营情况证明，这样的控制条件使实际运行稳定可靠。

(2)变频器的输出含有大量的高次谐波，会使电动机效率降低，电流和温升均会增加。所以在选择电动机和变频器时应留有余量，以防止温升过高，影响电动机和变频器的使用寿命，另外变配电室内设有无功补偿及有源滤波，在对众多感性负载进行无功补偿的同时也对变频器进行了有效的谐波抑制。

(3)所有喷泉泵控制柜集中设置于地下1层控制室，且设备功率达15 000kW，从变配电室低压出线柜至喷泉控制柜均为大功率回路，为保证喷泉泵的正常启动及减少电压损失，除个别小负荷回路外均采用密集母线槽供电。

3.4 负荷分配及供配电方案

(1)除了消防负荷为二级负荷外，其他负荷均为三级负荷，为保证二级负荷的可靠供电，从市政变电站引来两路10kV双重电源，双重电源分别引自不会同时损坏的上级电源，两路10kV双重电源同时工作，互为备用，每路均能承担本工程全部二级负荷。高压供电系统接线型式及运行方式(图2)为：高压为单母线分段运行，中间设联络开关，平时两路电源同时分列运行，互为热备用，当一路电源故障时，通过手动/自动操作联络开关，另一路电源可承担全部二级负荷。高压主进开关与联络开关之间设电气联锁，任何情况下只能合其中2个开关。

(2)本项目共设置8台变压器，总装机容量为13 600kVA。T1～T8每组变压器配出的低压系统分别采用单母线分段运行，仅T1、T2、T7、T8变压器中间设置联络开关，联络开关设自投自复、自投手复、自投停用3种功能。联络开关自投时有一定的可调延时，其投入延时时间大于自动断开低压供电母线上非保证三级负荷的切断动作时间，保证了另1台变压器的正常运行。当电源主断路器因过载或短路故障分闸时，母联断路器不允许自动合闸。主进开关与联络开关之间设电气联锁，任何情况下只能合其中的2个开关。供给喷泉表演用动力负荷的4台变压器T3、T4、T5、T6不设联络开关。

(3)如表1所示，供看台用房建筑的普通负荷及消防负荷由2×800kVA变压器T1、T2供电；喷泉及空压机等表演动力设备负荷由4×2 500kVA的变压器T3～T6供电；灯光及视频等非表演动力设备负荷由2×1 000kVA变压器T7、T8供电。T3～T6的负荷分配及计算最为复杂，变压器总装机容量10 000kVA，设备的总功率16 000kVA，空压机总功率1 350kW与喷泉15 000kW分时错开使用。前期设计时经过与喷泉工艺单位反复沟通，由喷泉工艺单位提出具体表演水效种类，并提供每种表演水效的功率总负荷。因并不是所有表演水效都同时运行，其中有3种表演水效的负荷最大，设计时将最大的3种表演水效尽量均分到T3～T64台变压器上，实际运行时喷泉水泵加上附属设备最大同时使用功率约8 000kW，4台2 500kVA变压器满足供电负荷要求。

图2 供配电系统图

变压器装机容量 表1

(4)灯光及音视频装置均为电子产品，喷泉均采用变频启动及空压机采用软启动装置，此部分设备运行过程中将会产生大量高次谐波，且灯光及音视频分散布置于各个角落，喷泉控制箱也分散布置于300m2的喷泉控制室内，高次谐波及无功功率对公共电网的影响需要减少，故灯光及音视频专用变压器T7,T8和喷泉及空压机等表演动力专用变压器T3～T6低压侧集中进行有源滤波处理及有功补偿。其中T3～T6每台2 500kVA变压器每台配置APF-300A有源滤波装置和750kVar自动无功补偿装置，T7，T8每台1 000kVA变压器配置APF-150A有源滤波装置和300kVar自动无功补偿装置。

4 结束语