智慧城轨建设中的低压配电系统设计

2022-12-02张振宇

现代建筑电气 2022年6期

张振宇, 林菁

(1.北京城建设计发展集团股份有限公司, 北京 100037;2.厦门轨道建设发展集团有限公司, 福建厦门 363100)

0 引言

伴随着轨道交通的快速发展,精细化服务设施设备的应用,能源、人力的短缺等对轨道交通的节能化、运维的智能化提出了更高的要求。近年来随着电力物联网和数字化的普及,智能配电技术得到了快速的发展,产生了各种采用云平台监控、智能运维的解决方案,智能绿色配电越来越受到行业的关注。在实际运行中,轨道交通机电系统设备的运维占很大比例,如通风空调设备、各类水泵、照明等设备。低压配电系统设备各类运行数据信息是智能运维系统云平台基础数据来源,低压配电系统设计方案的合理性直接影响上层获取数据的全面性,判据算法的准确性,运维的方便、快捷性。

轨道交通低压配电系统配电的主要设备有通风空调设备、给排水的各类水泵、自动扶梯、电梯、站台门、弱电系统设备、照明设备等。其中,弱电设备自成体系,自动扶梯、电梯及站台门属于特种设备,这些设备动力照明低压配电系统仅负责提供电源。通风空调、水泵、照明等设备动力照明需提供配电及控制(就地控制并预留远程控制接口)。轨道交通动力照明的设计难点为通风空调系统配电的通风空调电控柜,主要原因是通风空调设备数量众多、联锁、联动控制繁琐、性质不一、运行工况复杂。通过对轨道交通通风空调设备配电的通风空调电控柜采用智能低压系统做重点分析及阐述,开展对整个低压配电系统的智能化系统做拓展及展望。

1 智能低压通风空调电控柜

地下车站通风空调系统在车站两端设置通风空调机房,相应的动力照明专业负责给通风空调机房内设备提供电源及相应的控制,并预留BAS系统控制的接口。配电方案是在机房附近设置通风空调电控室,内设消防一级负荷电控柜、二级负荷电控柜及三级负荷电控柜,由通风空调电控柜集中给机房内通风空调设备提供电源。按照负荷分级不同配电,一级负荷电控柜采用双重电源互为备用方式配电,二级负荷电控柜采用双回路电源单电缆配电方式,三级负荷电控柜采用单电源单电缆配电方式。电控柜通过各自的低压母线给分散设置的通风空调设备配电,并提供就地控制及预留远方控制的接口条件。

1.1 传统通风空调电控柜的设计方案

通风空调设备多为电动机负荷,传统的方案采用断路器、接触器、热继电器、电流互感器及仪表等组成的控制回路。断路器采用单磁电动机保护型断路器,当控制回路发生短路故障或接地故障时,断路器保护动作切断故障回路,其整定值保证电动机起动时不误动作,一般整定值大于起动电流的2.0～2.5倍[1]。热继电器用于电动机的过载保护和断相保护,当所在控制回路发生过载或断相时,二次控制回路中的热继电器的常闭辅助触点断开,使得接触器线圈断电,切断一次控制回路;当热继电器给消防风机所在回路提供保护时,热继电器的辅助触点仅提供过载信号,不切断电路[2]。接触器是为风机起动、停止提供接通和断开主回路的元件,当接收到外部指令时,控制电动机回路的起动、停止,接收到热继电器故障信号时,切断回路,接触器需保证足够的辅助触点,用来给就地及远方提供起动、停止的返信信号,同时控制回路设置有转换开关,保证风机只能在一处进行控制,控制回路设置有电流互感器及测量仪表,用来测量回路电流等参数,传统通风空调设备一次控制图如图1所示。

风机通过热继电器、控制继电器、接触器、按钮及转换开关等二次控制回路对风机进行控制,并在控制柜的柜面及车控室BAS/FAS系统反馈风机运行信号、停止信号、故障信号、转换开关位置信号等,运维人员可在电控柜的柜面、现场及车控室对风机进行控制。风机控制回路至BAS/FAS系统均采用点对点的硬线联结,系统接线复杂,给BAS/FAS系统的返信信息量很小。车站风机数量多,建设时期现场施工、调试复杂,后续运营时维护工作量均很大,效率低下。

1.2 智能通风空调电控柜设计方案

1.2.1 风机回路采用电动机管理控制器方案

采用智能型电动机管理控制器一次回路方案,由断路器、接触器及电动机管理控制器组成,断路器的保护功能与传统方案一致。接触器主要接收电动机管理控制器的指令后起动和停止风机,同时其辅助触点接入二次回路就地返信风机的起停状态。智能型电动机管理控制器是具有保护、控制、监测为一体并带通信网口的智能综合保护测控装置。从单个控制回路角度来看,电动机管理控制器替代控制继电器、保护继电器、监控继电器、电流、电压互感器、变送器等元件,由于高度集成了二次元件及测量元件,并设有兼容性强的通信接口,使得二次接线及远程监控接线简单,采用电动机管理控制器一次控制图如图2所示。

电动机管理控制器的功能如下:

(1) 全面保护控制功能。电动机管理控制器通过所在回路提供过载保护、PTC热敏电阻保护、断相/相不平衡保护、电机堵转保护、起动时间过长保护、接地故障保护、起动过频保护、电压不平衡保护等,同时可根据电动机使用类型的不同增加或屏蔽部分保护功能。当所在风机回路故障或发生异常时,控制器保护模块输出信号给接触器,断开风机回路。智能电动机管理控制器保护测量定值范围较宽,如现场电动机容量做小幅度的调整,无需更换控制器,仅需现场调整或远方遥调相应参数即可。

(2) 测量功能。通过电动机管理控制器内置的电流、电压互感器可测量回路的相电流、相电压和线电压、有功功率、视在功率和功率因数、能耗、相不平衡和相序、接地故障电流、频率、电机温度等,并将数据通过自带通信口上传至BAS系统。

(3) 监视功能。可监视风机运行、停止状态、转换开关位置信号、故障状态、故障类型、风机的运行时间、风机命令次数、脱扣次数、每种保护类型的历史数据等。

1.2.2 专用消防风机设计方案

专用消防风机在火灾时运行,平时处于停机状态,运行模式比较单一,正常工况时不耗能。采用传统的断路器、接触器及热继电器的接线方式,FAS通过硬线对风机控制,即可满足要求。

1.2.3 断路器采用智能数字断路器

给风机配电的断路器除具备1.2.1所述的保护功能外,采用智能数字断路器的主要思路是通过深度挖掘配电回路的电气参数、断路器运行信息、结合断路器安装环境信息,对断路器进行全生命周期的运行状况数据跟踪记录及存储,根据数据信息进行健康跟踪及预判,对断路器进行主动维护管理,从而提高回路运行可靠性,延长断路器使用寿命。数字式断路器通过自带通信接口上传至BAS系统参数如表1所示。

表1 数字式断路器上传至BAS系统参数

通过系统组网至维护平台后,运维人员可实时掌握回路的运行参数,维护参数、能耗及保护参数等。通过提供维护参数,并根据开关所处的环境温度、污秽程度等外界条件、建模计算的形式及时了解系统断路器的健康状况,对开关设备进行定期体检、维护,确保系统稳定可靠运行;能耗指标的监测可掌握设备的耗能情况,并可直接纳入能源管理系统中,通过与同类车站能耗数据的对比分析,介入人工干预,达到节能目的;设计保护定值信息传输及跳闸曲线的模拟,可检验上下级保护定值合理性等。

1.2.4 系统防止电压波动的措施

(1) 电压波动对排烟风机控制影响。排烟风机为一级负荷,其电源引自通风空调电控柜的一级负荷双电源切换装置,排烟风机在火灾时由FAS系统远程模式控制,风机需连续运行不小于1 h。如排烟风机运行期间,双电源切换装置因一路电源失电切换至另一路电源供电时或电压有短暂的闪变时,可能使得排烟风机有短暂停电间隙,接触器在此短暂停电阶段线圈失电而脱扣,使得排烟风机发生停机故障。为防止这种工况,需FAS系统给排烟风机发出有源保持信号,当发生接触器脱扣事故时,FAS保持信号持续起动命令,使得风机再次起动。风机二次控制回路按照无源信号及有源脉冲信号预留FAS控制条件都是不合理的。

(2) 防止通风空调电控柜智能网关PLC上传数据丢失措施。智能环控系统的网关PLC主要负责将环控系统的数据实时上传至BAS系统。其电源也引自通风空调电控柜一级负荷电源,同样在一级负荷由主供电源切换至备用电源时,切换过程短暂失电期间,会使得存储及上传数据丢失。为解决此问题,一般要求PLC及电动机管理控制器电源引自BAS系统UPS电源或智能通风空调电控柜自带UPS电源。

1.2.5 部分电动机采用降压起动的误区

在常见设计文件中,区间事故风机(TVF风机)常采用软起动器,55 kW及以上的大系统排烟风机也可采用降压起动(软起动或星三角起动等)。采用软起动器的优势是风机起动时起动电流小,起动时对系统电网的冲击小,但直接起动是最可靠、最经济的起动方式,如电动机所在配电回路允许直接起动,尽可能采用直接起动。对消防类风机,增加软起动器不仅增加了投资造价,也增加了故障点。

TVF风机一般用电容量为90 kW,根据《工业与民用配电设计手册》第四版6.5.5.6电动机起动时电压暂降的计算,电动机全压起动时母线压降决定于母线短路容量、变压器容量、预接无功容量、电动机起动容量;母线短路容量一般较大、预接无功容量决定于变压器容量(一般功率因数补偿到0.9),对轨道交通来讲,母线短路容量大,变压器容量也在1 000 kVA左右(为地下站的变压器容量,地下线路才设置TVF风机),因此电动机起动时母线压降可按照变压器容量来估算,由于轨道交通风机均属于不经常起动设备,一般电动机容量在变压器容量30%以下时[1],均可采用直接起动。

1.2.6 联锁、联动设计

(1) 一般风机与电动风阀联锁控制。通风系统在风管的管道上设置电动阀门,电动阀门与风机有联动关系。当起动风机时,先将对应的阀门起动,才允许起动风机;当风机运行时,不允许关闭相应的阀门。在进行二次原理设计时,阀门行程开关辅助触点接入风机起动回路,当阀门开到位时,触点闭合,允许起动风机。同时风机运行信号需接入阀门的关阀控制回路,当风机运营时,阀门是无法关闭的。风机起动回路与阀门联锁控制原理图如图3所示。阀门关闭回路与风机联锁控制原理图如图4所示。

(2) 排烟风机与防火阀联锁。排烟风机入口处的总管上设置280°的排烟防火阀。在280°的排烟防火阀关闭时,防火阀辅助触点直接联动排烟风机关闭,排烟防火阀联动关闭排烟风机原理图如图5所示。

1.2.7 智能通风空调电控柜系统网络构架及优势

将车站每端的智能电动机管理控制器、智能数字式断路器等智能元件通过总线型式联结后通过网关PLC与BAS系统进行通信。现场设备运行状态、运行过程中各种参数可实时上传至BAS系统。运维人员对风机设备能耗、风机起动次数、运行时间、电机温度、各种故障次数、断路器的运行时间、脱扣电流、脱扣次数、脱扣形式等运维数据进行全面的了解,为智能运维系统提供自下而上数据资料。智能运维平台根据智能通风空调电控柜提供数据给出运维保养的方案或者故障时迅速解决的方案。

智能环控系统监控示意图如图6所示。

风机回路采用传统方案和智能通风空调电控柜方案保护、监控对比如表2所示。

2009年后,轨道交通通风空调系统也逐渐采用了电动机管理控制器方案,但是上传至BAS系统的监测数据与传统方案基本一致,运维数据简单,没有完全将电动机管理控制器的功能应用在工程之中。