加速器类大科学装置建筑电气设计要点分析

2022-12-02何俊裕

现代建筑电气 2022年6期

何俊裕

(广州市设计院集团有限公司, 广东广州 510620)

0 引言

随着国家的科学水平飞速发展,越来越多的高精尖科学装置投入工程建设。电气系统设计为科学装置整体设计的重要环节,决定了装置运行是否能做到稳定而精确。目前,国内的大科学装置均无统一电气设计标准,而且很多装置的研发和工程设计建设同步进行,电气系统往往要根据装置具体的使用需求进行个性化设计。通过工程实例分析不同装置的电气设计方案,为大科学装置尤其是加速器类装置的电气设计提供经验和参考。

1 变配电系统

1.1 明确界面划分

大科学装置设计工作纷繁复杂,整体设计任务通常需要多家设计单位的合作。作为设计人员,首先应该明确的是自身专业的设计范围。在本文介绍的某加速器装置工程中,电气部分设计就有4家设计单位参与,分别负责10 kV～110 kV系统设计、通用设备供电系统设计、工艺设备供电系统设计、二次装修电气设计。在设计前期,各设计单位明确各自设计范围,了解建设方需求,制订互相提资的计划,为后续设计工作做好充分的准备。

1.2 明确供电需求

在设计科学装置的变配电系统之前,首先对其供电需求要有清晰详细的了解。设计者应先收集科学装置项目的《项目可行性研究报告》等前期重要文件。设计人员也应该了解项目的设计条件和电气需求,其中包括当地电网条件、设备供电的电压等级、供电连续性要求、供电电能质量要求等。

建筑设备的负荷分级除了需要依照国家规范标准[1],还需以建设方需求作为依据。本文举例两个工程实例的负荷分类:加速器项目A的负荷分级如表1所示;加速器项目B的负荷分级如表2所示。

设计者要了解装置内的负荷分级和工艺负荷供电可靠性的详细要求。项目A要求装置全年运行10个月,运行期间全负荷运行。项目B要求装置每年连续运行约7 000 h,公共配套系统要求每年连续运行大于7 000 h。这对高低压供电系统可靠性提出很高的要求,配电系统须具备极低的故障率和较短的维护时间。

表1 加速器项目A的负荷分级

表2 加速器项目B的负荷分级

1.3 保障供配电系统的高可靠性

为了满足科学装置工艺供电高可靠性需求,设计人员需要制订合理的供电方案。项目A的变压器总装机容量达到55 420 kVA,需要高可靠性供电负荷达到约40 000 kVA;项目B变压器总装机容量高达87 500 kVA,需要高可靠性供电达到约60 000 kVA,其中还包括10 kV高压电动机(4×775.6+550 kW)的运行。

针对上述负荷统计及供电需求,供电方案需要因地制宜,进行多方案比较。市政电源、自备柴油发电机、UPS、EPS各有不同特点,能满足不同类型负荷的需求[2]。各类电源特点如表3所示。

由于两个加速器项目存在大量的确保负荷与10 kV高压负荷,且供电持续性要求很高,供电中断不能超过5 s,所以柴油发电机不满足第二电源的要求。经过与供电部门协商,全部负荷采用市政电源供电,要求市政电源全年无故障运行,检修不间断切换,每路10 kV电源及变压器实现100%备用。

表3 各类电源特点

重要的计算机系统和安防系统供电,如真空/低温站控制系统、数据机房等用电设置UPS不间断电源保障供电。

应急照明电源采用EPS供电,市电停电及火灾状态下切换至EPS。

1.4 保证电能质量措施

大科学装置的各类工艺对电能质量有着不同的要求。工艺设备往往由大型的电动机、高频设备,铁芯设备组成。这些设备对电压偏差、电压不平衡度、电压波动、谐波含量都提出了很高的要求。

工程设计中,为了提高装置供电电能质量,采用技术手段包括:

(1) 采用变压器供电。对于高频装置采用专用变压器供电,变压器采用DYn-11接线形式,以减少高频设备运作对电网的影响。

(2) 采用动态电压调节器(DVR)。在供电系统与用电设备接口处安装附加DVR来补偿电压暂降,在正常供电状态下,DVR处于低损耗备用状态,在供电电压发生突变时,DVR可在几毫秒内产生一个与电网同步的三相交流电压,该电压与原电网相串联,来补偿故障电压与正常电压差,从而把馈电电压恢复到正常值。

(3) 采用减少谐波影响的技术措施。不同设备采用的措施应该根据谐波达标水平、效果、经济性和技术成熟度等综合比较。减少谐波的技术措施对比如表4所示。

表4 减少谐波的技术措施对比

2 电气消防系统

2.1 设计依据

大科学装置的电气消防系统设计主要依据国家现行的主要规范[3]、规程及相关行业标准,以及消防论证会专家组评审意见。由于该类型项目通常包含多种建筑形式,如隧道、综合管廊、电缆隧道、科学实验室等。在开展设计前,首先要分清建筑类型,以采取相对应规范中的措施设计电气消防系统。对于有超长隧道的建筑物,一般需要经过消防专项评审或性能化报告,其评审意见结论也将成为工程设计的依据。

2.2 系统构成

电气消防系统主要包含火灾探测报警系统、消防联动控制系统及火灾预警系统三大部分。

火灾探测报警系统含火灾报警控制器、火灾探测器、手动火灾报警器、火灾声光警报器等。

消防联动控制系统包含消防联动控制器、消防控制室图形显示装置、消火栓按钮、消防泵控制箱、防排烟风机控制箱、消防应急广播装置、防火门监控器、气体灭火控制器、消防应急照明控制器、防火卷帘控制器、消防电话、大空间灭火装置专用控制器等。

火灾预警系统包含电气火灾监控系统、消防设备电源监控系统等。

2.3 设计重点难点

大科学装置火灾报警系统重点及难点即为火灾探测探测器选择,综合考虑项目特点,按环境特点设置相应类型的火灾探测器。

不同场所火灾探测器类型选用如表5所示。

表5 不同场所火灾探测器类型选用

3 接地系统

3.1 需求分析

大科学装置中常见的接地类型有防雷接地、电源工作接地、保护接地、智能化系统接地。由于科学装置中存在大量的精密仪器,接地电平微小波动可能对信号造成影响,所以科学装置通常还对工艺设备接地提出要求。为了满足实验精确度的需求,接地系统在常规建筑接地系统的基础上,需要达到更低的工频电阻值。此外,重要仪器接地系统还要与其他接地系统建立防干扰屏障。

接地电阻值规范要求如表6所示。

表6 接地电阻值规范要求

3.2 接地网设计

为了达到接地系统的要求,接地网设计通常有三种形式:联合接地网、单独接地网、分区域的联合接地网。三种接地网各有优劣。其中,单独接地网能保证接地系统的独立性,做到互不干扰,但需要接地网的数量繁多,而且占地面积很大,通常很难实现。联合接地网是目前大多数建筑采取的接地形式,即建筑物共用接地装置,联合接地网往往是利用建筑基础结构钢筋作为接地体,接地电阻达到1 Ω或者要求的更低工频电阻值即可达标,但对于精密仪器往往起不到隔离干扰源的效果。

分区域的联合接地网能解决大科学装置接地系统的问题,在装置建筑群内普通的实验楼,可采用常规的联合接地。精密仪器的实验室区域,应设置单独的工艺接地网,并且做好与防雷接地网、电源接地网有效的隔离,以避免故障电流及雷电流干扰信号地。同时,设计师也要增加有效的措施使两个地网联合接通,以降低电位差,保障人身安全。