上海国际舞蹈中心供配电系统设计

2018-12-28邹琪

现代建筑电气 2018年11期

关键词：舞台灯光变电所容量

邹琪

(上海市建工设计研究总院有限公司, 上海 200235)

0 引言

上海国际舞蹈中心是国际一流的舞蹈艺术的演出场所、教育和培训中心,总建筑面积为84 930 m2,建筑高度为24 m,项目内有上戏舞蹈学院、上戏舞蹈学校、上海芭蕾舞团、上海歌舞团,此外还有一个1 200座的舞蹈剧院和300座的合成排演厅。

该工程具有以下特点:

(1) 学校、办公、剧院等多业态组合的综合体,建筑功能多且空间复杂。

(2) 剧院定位高端,设备先进。

(3) 该项目内存在4家单位,负荷特性和管理要求不同。

根据以上特点,本文按供配电系统的设计流程对供电电源、变压器容量选择、变电所位置和低压配电系统进行了介绍。

1 供电电源

1.1 负荷分级

该项目内的剧院定位为国际一流的舞蹈专用演出场馆,其供电要求按甲级剧院实施。根据民用建筑电气设计规范,剧院内的舞台照明、贵宾室、演员化妆室、舞台机械设备、消防设备、电声设备、安防系统电源、客梯电力、生活泵、排污泵及消防电源等按一级负荷要求供电[1]。

该项目内其他建筑单体属于多层学校和办公楼,其安防系统电源、客梯电力、生活泵、排污泵及消防电源等按二级负荷要求供电。

1.2 供电方案

根据以上负荷等级的划分,该工程采用两路引自双端的10 kV专线,两路10 kV进线分段运行,不设母联。每一路10 kV电源均能承担项目所有的一、二级负荷,以保证供电的可靠性。

1.3 应急电源

该项目剧院规模按观众容量划分为中型剧院,根据图集D800-1～3《民用建筑电气设计与施工》[2]的建议,两路10 kV电源已经满足互为备用的要求,中型剧院不固定设置应急柴油发电机。

另外,为了满足一些重要演出项目的供电可靠性要求,并且也为了适应国外演出团体自带特殊舞台设备及灯光供电(110 V/60 Hz),在地面设置临时租用柴油发电机电源引入端子箱。采用这种方式,可以在几乎不增加建设初投资的情况下增加供电的可靠性和灵活性。

1.4 变压器容量选择

负荷统计和需要系数取值的大小决定该项目变压器选择的合理性:如变压器选择偏小,将减少建筑物用电的扩展性,甚至影响正常使用;如变压器选择过大,造成设备容量的闲置,产生不必要的空载损耗。

该项目各栋建筑的负荷统计可以按学校、办公楼、地下车库和剧院4种类型划分。剧院和合演中心用电量分别占项目总量的35%和20%。而在剧院和合演中心,舞台工艺用电是最主要的部分,舞台工艺用电的负荷计算将很大程度上影响变压器选择。因此,本文主要介绍剧院舞台工艺设备容量的确定以及需要系数的取值。

1.5 剧院负荷容量计算

通过对剧院舞台工艺进行分析。剧院的舞台设备由舞台灯光、舞台音响、上舞台机械和下舞台机械4部分组成。

1.5.1 舞台灯光

在前期设计时舞台工艺尚未完全确定的情况下,只能在参考以往类似项目的经验和工程手册,如国家建筑标准设计图集D800-1《民用建筑电气设计与施工》(中型剧院舞台照明用电量在300～600 kW之间,需要系数取0.8)。

舞台工艺往往受舞台演出类型、剧院规模以及舞台工艺发展的影响。根据舞台灯光承包商提供的工艺资料,舞台灯光用电包括设置在硅箱房内的5台96路调光/直通柜(2 880 kW)、场灯/工作照明/临时照明(250 kW)、观众厅LED屏幕(12 kW)、灯光控制室(14 kW)、总计3 156 kW,这与图集中提供的数据出入很大,因此在首先满足现实中舞台灯光工艺的前提下,更要进一步确认图集中提到的需要系数(0.8)的正确性。

经过考察,包括国家大剧院、上海大剧院、文化广场等多个剧院的主舞台配电情况,其舞台灯光回路的配出断路器规格一般取2 000～2 500 A,折合可用计算功率为1 000～1 250 kW。按主舞台设备灯光安装功率3 000～4 000 kW考虑,得出一般舞台灯光回路需要系数应在0.3～0.4。在与外方舞台设计师和国内舞台设备承包商多次沟通中也得到确认。最终确定该项目舞台调光回路需要系数取值为0.3。

1.5.2 舞台音响

根据舞台工艺要求,功放室为100 kW,音响控制室为14 kW,需要系数取值0.8。

1.5.3 上舞台机械

剧院在舞台顶部设置100多个吊杆以及大幕、二幕机、活动台口等设备。上舞台机械除了大幕、二幕机等少量设备外大部分只在演出前作布景使用。根据工艺要求,上舞台机械最多同时动作10道杆。因此,上舞台机械的同时使用率很低,需要系数仅0.2左右。

1.5.4 下舞台机械

下舞台机械包括乐池升降台(34 kW)和布景升降台(15 kW)。此部分机械在舞台中同时运行可能性较大,需要系数取0.8左右。

1.6 时间与负荷关系特点

通过调研,发现剧院和办公楼的用电高峰是错开的。剧院与办公用电峰时差异如表1所示。

表1 剧院与办公用电峰时差异

根据上述情况,不能通过负荷密度法将项目中各单体用电容量进行计算后叠加,而需要考虑将两类负荷设置于同一变压器组中,取容量大的负荷计入总容量中,这样可以有效降低总变压器安装容量。

1.7 变压器容量

剧院的用电量占比较大,因此对剧院负载率高而办公楼负载率低的情况进行负荷计算。通过对剧院的负荷以及办公楼的设备情况分析,采用需要系数法计算得到总视在功率为6 400 kVA。

在得出计算负荷后,按合理的变压器负载率,计算取整后即得出变压器实际安装容量,但在此过程中尚需考虑地区供电条件限制。选择变压器在理想情况下长期负载率为70%～80%。考虑到上海地区10 kV供电容量上限为8 000 kVA,虽然增加变压器容量可以使该项目的负载率降低至70%(运行更趋经济),但将导致超过10 kV供电容量上限,从而加设35 kV变电所,大大增加项目初投资。

综上所述,该项目变压器最后确定为4台2 000 kVA干式变压器,长期负载率为80%。设计满足一路电源时,另一路电源承担所有一级、二级负荷的要求。

2 变电所位置

变电所的设置首先需要分析用电负荷分布,尽可能将变电所设置于负荷中心处,这样可以通过低压供电半径来降低电能损耗、节约线路建设初投资、减少压降满足供电质量要求[1-2]。另外,还需要考虑业态管理的要求。

该项目对于变电所的设置有如下特点:

(1) 根据业态管理,上戏舞蹈学校和上戏舞蹈学院属于教育局系统行政管理,芭蕾舞团、歌舞团和剧院属于文广系统行政管理。配电系统分开设置利于产权、管理和责任的区分。

(2) 项目占地面积较大,基地跨度接近310 m。作为主要负荷中心的剧院和合演中心分布地块的左右两侧。如设置一个变电所,由于建筑的限制,变电所只能偏向一侧,将使部分回路供电半径超过200 m,并且离开其中一个负荷中心较远,这将大大增加电缆投资和运行损耗[3-4]。

综上所述,将项目分为两个区块:上戏舞蹈学校和上戏舞蹈学院及合演中心组成一个供电区块,在3#楼-1F合演中心旁设置总变电所,内设2台2 000 kVA干式变压器。上海芭蕾舞团和上海歌舞团(1#、2#楼)及剧院组成一个供电区块,在2#楼-1F剧院旁设置分变电所,内设2台2 000 kVA干式变压器。变电所位置及配电区域如图1所示。

3 低压配电系统

在确定变压器容量和台数后,就可以确定低压系统的主接线形式。该项目2个变电所内变压器2个为一组,低压侧采用单母线分段方式运行。

配电系统示意图如图2所示。

图1 变电所位置及配电区域

图2 配电系统示意图

低压侧设置母联开关,当任意一台变压器故障或检修时,可以通过母联由另一台变压器保证所有一、二级负荷的供电[5-6]。

根据用电负荷的分类,在满足计量、维修、管理和安全性、可靠性的前提下,确定各用电负荷的配电方式。该项目低压系统采用放射与树干混合方式配电。根据末端负荷的分布情况,在剧院和合演中心的舞台两侧及其他4栋建筑物设置强电竖井。重要设备和单台容量较大负荷(舞台设备、冷冻机房、泵房等)的配电方式采用放射式供电。每层楼的一般照明动力设备的配电方式采用树干式配电。所有回路均从各楼层的强电井引出。

为保证重要负荷供电的可靠性,对于重要的舞台灯光、舞台音响和舞台机械采用双回路供电,末端切换方式。对切换时间要求较低的其他一、二级负荷,如舞台化妆区等采用单电源供电,低压母联处切换,以保证供电。所有消防负荷均采用双回路末端自切的方式供电[7-8]。

该工程作为公共建筑,大量配备电子镇流器的荧光灯、电子设备、气体放电灯及变频调速装置等非线性设备,谐波电流较大,尤其是剧院内的舞台晶闸管调光系统,其谐波的干扰不容忽视。为控制谐波对配电系统造成的损害,并保证为剧院内的电声设备、控制设备以及办公楼和学校内的大量信息用弱电机房提供纯净电源,考虑采用以下措施:

(1) 用户配电采用的是10/0.4 kV主变压器,Δ/yn-11接线。

(2) 功率因数补偿电容器串接消谐电抗器,以避免发生电网谐振。

(3) 采用脉宽调制(PWM)控制的高功率因素整流器,减少产生谐波。

(4) 舞台灯光等含谐波源的变压器与舞台音响等敏感回路的变压器分开。

(5) 舞台照明干线的中性线截面为相线截面的2倍。

(6) 在硅箱房和变电所低压母线段设置有源滤波器。