一种基于智能配电系统在医疗建筑中应用的低压母联自动切换方案

李沛岩

(中衡设计集团股份有限公司, 北京 100044)

0 引言

在二级、三级医院的电气配电系统中，存在一级负荷和一级负荷中的特别重要负荷设备，采用双重电源为成组的变压器供电，当其中一台变压器断开时，另一台变压器的容量应能满足这组变压器的全部二级及以上负荷的供电。因此，医院的配电系统一般采用“两路高压进线，低压单母线分段、中间设置联络开关，并设有可切换至柴油机供电的消防应急母线段和医疗保障应急母线段”的接线型式。这种接线型式可以保证在一路电源故障时，由另一路电源所带的变压器来承担供电负荷，但因一台变压器容量有限，无法承担全部负荷，而二级及以上负荷比较重要，突然停电后将造成比较严重的损失，所以，为保证二级及以上负荷的供电，传统的方式是卸载所有三级负荷的供电。这种电源转换方案安全可靠，然而在医院建筑内，三级负荷所包含的部分医疗设备、以及大部分门诊和病房等区域用电，虽在供电重要性上不及二级及以上负荷，但如停止供电，仍可能会导致部分诊疗过程的中止，或造成医生和病患的心理恐慌，所以从医院运营角度，维持某些三级负荷的供电也是有意义的。

在医疗建筑电气的设计阶段，一路电源故障时可带的二级及以上全部负荷，按不超过另一路电源变压器带载能力进行核算，理论上有一定带载能力的剩余。另外，还考虑到目前设计阶段变压器选型和实际运行情况存在偏差(比如，依据规范要求，按配电变压器的长期工作负载率≤85%进行变压器选型)，而在实际使用情况下，变压器的负载率常常远低于此值，也就是说，按现有的计算方式，变压器的容量普遍偏大，而在进行变压器一路故障时所带二级及以上全部负荷的计算时，也是按同样的方式，从这个角度，也会有部分带载能力的富余。以上这些因素都可以为保障部分三级负荷的供电提供条件。

随着智能配电系统的推广使用，供配电系统自动化水平也越来越高，在传统的供配电方案基础上，通过对大量数据的采集、分析和逻辑判断，进而自动进行电源转换，可以充分利用变压器尚未使用的带载能力，以维持部分三级负荷的供电，从而减小因电源检修或故障造成的停电事故范围。

1 低压配电主接线

医疗建筑低压配电系统主接线见图1，当1#市政电源失电时，三级负荷卸载，低压母联投切，由2#市政电源所带变压器为所有二级及以上负荷供电；当2#市政电源失电时，三级负荷卸载，低压母联投切，由1#市政电源所带变压器为所有二级及以上负荷供电；当两路电源同时故障，两台变压器均停用时，柴油发电机启动，TSE1和TES2切换至柴油机电源(两路电源同时故障的情况下，变压器停止供电，不涉及到低压母联自动转换，本文不再进行进一步讨论)。

图1 医疗建筑低压配电系统主接线图

2 低压母线自动切换方案

在医院建筑的三级负荷中，虽然负荷等级相同，但其重要性仍存在差异，可以根据重要性进行分组处理。在工程设计中，具体分组需要与院方就运行维护的管理方面进行深入探讨，本文仅提供一种分组思路。依据重要性，将三级负荷分为A、B、C、D四组，其中A组主要为与医疗流程相关的负荷，可包含门诊和医疗区域的照明插座、医疗设备、医疗水处理设备、制氧站、污水处理设备；B组可包含非医疗功能性区域，包括厨房及餐厅设备、办公区的照明插座；C组主要为保证医患区舒适性相关的负荷，包括制冷机房、冷却塔、空调系统、新风及排风设备，热水供水设备；D组包括车库充电桩等其他不重要的场所。

将以上负荷分组后，通过智能配电系统对分组电流进行累加统计及记录，如一路电源发生故障，可将故障前一段时间(推荐10min以内)的数据，进行加权平均处理，并作为统计值，A、B、C、D四组负荷电流累加统计值分别为ΣI3Ai、ΣI3Bi、ΣI3Ci、ΣI3Di。同时，要采集统计二级及以上负荷电流累加统计值ΣIZi，主进线电流IJ1、IJ2，并要输入低压主进线开关的长延时整定电流Ir。需要说明的是，功率因数不同的负荷的电流值不能直接相加，但因工程中大多数负荷电流的功率因数差别不是很大，且在转换方案中作为判据使用的精确性要求不高，故在累加过程中忽略了功率因数差异的影响。

引入K1和K2两个调整系数。K1是为了保证投入后的电流略小于主进线开关，避免造成主进线开关跳闸，K1取值可为0.95≤K1<1。K2是考虑功率因数的影响，因为主进线开关电流是低压负荷经集中无功补偿后的电流值，且各组统计负荷的功率因数不同可能引起误差，所以累加的电流和相对于主进线开关偏大，要进行一定程度的修正。如果统计过程不采用电流值累加，而是直接用有功和无功分别累加，并计入实际无功补偿，计算数值可不用K2值修正。K2计算公式见式(1)。

K2=cosφ2/cosφ1

(1)

式中，cosφ1为负载预估平均功率因数；cosφ2为系统无功补偿后功率因数。

K2可直接计算，也可以依据表1进行选择，或可根据实际经验取1.05≤K2≤1.2。

K2取值对应表 表1

自动投切用以下公式进行逻辑判断。

(1)当K1Ir≥IJ1+IJ2时，说明两台变压器总的负载率较低，三级负荷无需卸载。

(2)当K1Ir

1)当ΣIZi+ΣI3AiΣI3Bi+ΣI3Ci≤K2Ir<ΣIZi+ΣI3Ai+ΣI3Bi+ΣI3Ci+ΣI3Di时，说明一台变压器的容量可以承担不包含D组负荷外的所有负荷，只需卸载D组负荷。

2)当ΣIZi+ΣI3Ai+ΣI3Bi≤K2Ir<ΣIZi+ΣI3Ai+ΣI3Bi+ΣI3Ci时，说明一台变压器的容量可以承担不包含C、D组负荷外的所有负荷，需卸载C、D组负荷。

3)当ΣIZi+ΣI3Ai≤K2Ir<ΣIZi+ΣI3Ai+ΣI3Bi时，说明一台变压器的容量可以承担不包含B、C、D组负荷外的所有负荷，仅保留A组负荷。

4)当ΣIZi≤K2Ir<ΣIZi+ΣI3Ai时，说明一台变压器的容量仅可以承担不包含三级负荷外的所有负荷，需卸载所有三级负荷。

5)当ΣIZi>K2Ir时，说明一台变压器的容量可能无法承担二级及以上负荷，需提示变电所维护人员，运维人员需在满足变压器一定过负荷能力的条件下及时采取相关措施。

K1和K2的取值，均由理论计算或经验取得，与实际值会存在偏差，在实际使用中，工程技术人员可以在正常使用情况下，通过数据模拟断电工况，并修正K1、K2，以更贴近实际工况，这样可以更充分地利用变压器的容量。在修正过程中，更可以依据运行大数据引入时间预测因子，以便更大程度地提高变压器容量的利用率。

结合以上所述，本文的低压母线自动切换方案是按以下过程进行：当1#市政电源失电时，智能配电系统进行相关电流值逻辑判断，按判断结果卸载部分三级负荷，而后低压母联自动投切，由2#电源所带变压器为所有二级及以上负荷和可维持的三级负荷供电；当2#市政电源失电时，智能配电系统进行相关电流值逻辑判断，按判断结果卸载部分三级负荷，而后低压母联自动投切，由1#电源所带变压器为所有二级及以上负荷和可维持的三级负荷供电。

为了电源备用自动投切装置的动作可靠，应保证在工作电源可靠断开后再投入备用电源，并应有一定延时，本方案在一路电源确认断开后，需经过一段时间延时，再进行备用电源投切。

电源复归是当主用电源恢复正常后，由备用电源再转换到主用电源供电的过程。因为电源复归是由一台变压器的负荷分配至两台变压器，在确认主电源可靠恢复后，不存在负荷过载的问题，故可以采用自动复归方式。自动复归有不断电复归和断电延时复归两种方式，两者各有优缺点，其中不断电复归供电连续性好，但要避免瞬间并联造成的环流问题；断电延时复归会影响供电的连续性，但其更为安全可靠。在医院供配电系统中，有需要保证供电连续性的场所已经在某区域集中或末端采用了大量双电源自动转换装置和UPS，其电源切换过程并不依托于低压母联的复归动作，而其他需由母联归复完成电源切换的负荷供电连续性要求并不高，因此，本方案采用断电延时复归电源的方式更合适。

3 需注意的其他问题

首先，母联开关自动投切，投入的负荷是在同一时间投入到一台变压器的，属于大负荷投入母线的情况，可能会造成母线电压的波动，需要依据式(2)进行校核，并在理论上满足配电母线的电压要求。

(2)

式中，ustB为负荷投入时配电母线电压相对值；us为电源母线电压相对值，取1.05；SscB为配电母线短路容量，MVA；QL为预接负荷的无功功率，MVar；Sst为接入母线负荷的计算启动容量。

其次，三级负荷存在较多大容量电机，尤其是制冷机组，其启动电流较大，投入母线时，对变压器保护整定和配电母线电压都有影响，如制冷机组较大，建议采用降低启动电流的启动方式，并对设备启动进行校验。如无法满足要求，则建议不采用本文的自动投切方案，要转由手动操作进行投切，并优先投切启动电流与额定电流差值较大的负荷。

另外，要就脱扣方式进行说明，因本方案采用有选择的分组卸载方式，故需在三级负荷回路设置分励脱扣装置。在一路电源故障的断电期间，智能配电系统进行逻辑判断，由智能配电系统发出分励信号，使负荷断路器跳闸，从而卸载相应的负荷回路，而后再进行母联投切。

最后，还要注意，单路电源故障时，另一路电源由于三级负荷的接入，带载容量可能会增大，并可能会对区域电网规划产生影响，需要提前与供电部门确认电源的应用情况。

4 结束语