国家高山滑雪中心造雪机的配电设计_张伯乐.pdf

2022 年 12 月第 16 卷 第 6 期智能建筑电气技术Electrical Technology of Intelligent Buildings国家高山滑雪中心造雪机的配电设计张伯乐,叶 芬,李国涛,刁明毅(华商国际工程有限公司,北京 100069)摘要 国家高山滑雪中心造雪机的数量多、配电距离远,电缆在平均坡度 4 40的山坡上敷设。为确保造雪机安全可靠地工作,在选择电缆截面时需要准确计算电压损失,且配电距离过长也必须对用电端接地故障保护进行校验。鉴于电缆的选择需要考虑山坡坡度对电缆产生的拉力及山地接地电阻大等问题,本文结合项目实例,采用了一种可靠经济的方式解决了造雪机金属外壳接地的问题。关键词 配电距离;电压损失;接地故障保护;等电位联结中图分类号:TU852文献标识码:A文章编号:1729-1275(2022)06-0065-04Power Distribution Design of Snow Maker in National Alpine Skiing CenterZhang Bole,Ye Fen,Li Guotao,Diao Mingyi(Huashang International Engineering Co.,Ltd,Beijing 100069,China)Abstract:The number of snow makers in the national alpine skiing center is large,the power distributiondistance is long,and the cables are laid on the hillside with an average slope of 4-40.In order toensure the safe and reliable operation of the snow maker,it is necessary to calculate the accurate voltageloss when selecting the cable section.If the distribution distance is too long,the ground fault protection atthe power end must also be verified.The selection of cables needs to consider the tensile force of hillsideslope on the cable.The grounding resistance in mountainous areas is large,so a reliable and economicway should be adopted to solve the grounding problem of the metal shell of the snow maker.Keywords:distribution distance;voltage loss;earth fault protection;equipotential bonding作者简介:张伯乐,本科,高级工程师,注册电气工程师(供配电),Email:zhangbole 。1工程概况 国家高山滑雪中心采用单一场馆模式、分散式布局,场馆内同时规划竞速、竞技两类场地,设有竞赛雪道及配套的训练雪道、联系雪道和技术雪道,是国内第一座按冬奥赛事标准建设的高山滑雪场馆,承接了北京 2022 年冬奥会和冬残奥会高山滑雪所有项目的比赛。国家高山滑雪中心位于延庆赛区核心区北部小海坨山南麓区域,整个用地近似菱形(图 1)。顶端最高点为小海坨峰(2 198.38m),以此峰向西南与东南沿山脊线方向延伸,底端汇聚于佛峪口沟上口(1 238m)。整个地势为各条沟谷从东北小海坨峰向下汇聚至西南角沟口,海拔高差约为 960m,山体坡度大多在 40%以上。雪道均处在山体南向坡,为保障本届赛事期间的雪道质量,延缓融雪速度,所有雪道均为人工造雪,竞赛雪道雪面须制造成为冰状雪以提高雪质硬度,雪质密度须达到 590kg/m3。竞赛雪道、训练雪道覆雪厚度 2m,技术雪道覆雪厚度 1m。项目采用了移动式、悬臂式、塔式等多种形式的造雪机沿赛道设置设备井为造雪机供水供电。图 1 小海坨山南麓地形三维数字模型56DOI:10.13857/11-5589/tu.2022.06.010智能建筑电气技术2022 年2设计概述本 项 目 共 设 置 1 台 1 250kVA 箱 变、2 台1 000kVA 箱变、3 台 800kVA 箱变、4 台 630kVA 箱变、4 台 400kVA 箱变,以及 77 台悬臂式雪炮、24 台6m 塔式雪炮、34 台 4.5m 塔式雪炮、35 台移动式雪炮,总计设备井 301 个。其中,1 台 1 250kVA 箱变(所带负荷最大的箱变)为 36 个设备井供电并预留100kW 电量,变压器的负载率为 0.79;1 台 400kVA箱变(所带负荷最小的箱变)为 7 个设备井供电并预留 100kW 电量,变压器的负载率为 0.74。造雪机配套设置的设备井内安装有 接箱,为供水管的电伴热、IP65 的工业连接器、造雪机悬臂提供电源。为了保证供电可靠性,确保电气安全,在室外设备井内安装的 接箱防护等级应不低于IP65,且采用下进下出的电缆敷设方式。此外,做好等电位联结、降低可导电金属外壳及 PE 线的接地电阻也是确保电气安全、防止电击的重要措施,采用-404 热镀锌扁钢沿设备井内圈明敷成环形,安装高度距井底300500mm,将井内 接箱的金属外壳、给水阀门、金属管道、电缆 PE 线,电缆的金属铠装壳、造雪机金属外壳均与井内明敷-404 热镀锌扁钢带可靠联结,并与水泥井内两根主筋可靠焊接。为了降低接地电阻,采用两根 10 热镀锌圆钢同电缆一起敷设,将每个设备井的等电位联结装置可靠联结,并与箱式变电站的接地形成电气通路,确保井内等电位联结装置的接地电阻不大于 4。面对如此大型的高山滑雪场,需要结合当地的地形地貌、安装条件设置数量较多的箱式变电站。鉴于造雪机的数量大且安装分散,无法以负荷中心作为确定箱变位置的依据,需要根据现场的实际情况确定箱变的位置(图 2)。这样一来,造雪机的布置要符合赛道使用的要求,就会沿着赛道延伸到末端,导致配电距离过长,从某个箱变到末端造雪设备最远的距离超过了 1km,大部分的配电距离也超过了 300m,因此需要格外注意线路的电压损失和用电端接地故障保护。本文以其中一组配电回路为例,就本项目配电回路的电压损失计算、接地故障保护的校验和电缆敷设进行解读。2.1 电压损失计算 图 2 中 T1 为室外箱变采用 TN-S 系统,1201图 2 造雪机布置图1213 为造雪机 接箱功率 28kW/台(造雪机为 I 类设备,单台功率 24.5kW;电伴热等功率为 3.5kW)。室外箱变 T1 的配电回路 T1-4a 为 1209、1211、1213号 接箱供电,T1-4a 回路的计算电流为 144A(见表 1),选择额定电流为 200A 的塑壳断路器作为此回路的保护电器。线路种类为三相平衡负荷线路,根据公式U%=Ua%IL,式中U%为线路电压损失百分数,%;Ua%为三相线路每 1Akm 的电压损失百分数,%/A km;I 为负荷计算电流,A;L 为线路长度,km,造雪机的 cos=0.8,基于 YJV32-3185+295 电缆的相关参数查得Ua%=0.064,得出表 1数据,满足电动机电压偏差允许值-5%额定电压的要求。T1-4a 回路用电负荷计算表表 1用电设备位置编号电缆长度/m实际使用数量/台设备电量/kW设备电量/kW计算电流/A电压损失/%1209255128841442.30121135012856960.61121345012828480.31总量4503841443.232.2 接地故障保护的校验 在 TN 系统内选用自动切断电源的保护电器和回路导体,应能满足用电设备发生接地故障时,在规定的时间内切断电源的要求。采用断路器的瞬时过电流脱扣器做接地故障保护时应满足 Id=UnomZs66第 16 卷 第 6 期张伯乐,等.国家高山滑雪中心造雪机的配电设计 1.3Iset3,ZS=Rph.p2+Xph.p2(Rph.p、Xph.p分别为相保回路电阻、电抗),对于电缆和穿管(或线槽)敷设的线路,当 PE 导体和相导体在同一电缆内或管内,故障点离变电站有一定距离时,可以忽略线路电抗和电源阻抗(一定条件下误差较大时应予校正),此时,可近似认为 ZSRph.pRph+RPE(Rph、RPE分别为相导体、RE 导体电阻)。由于 R=LS,得 Id=UnomZsUnomRph+RPE=UnomLSph+LSPE=UnomLSph1+SphSPE()=UnomSphL 1+SphSPE()。将Id取最小允许值 Id.min(即保证保护电器动作的最小值),则可得到线路长度L的最大允许值Lmax,则 LmaxUnomSph 1+SphSPE()Id.min,在计入故障时电阻温度系数1.5 和 校 正 系 数 K 和 Ks,则 变 为 LmaxUnomSphKKs1.5 1+SphSPE()Id.min。式中,Lmax为 被保护配电线路最大允许长度,m;Sph为被保护配电线路相导体截面积,mm2;SPE为被保护配电线路 PE 导体截面积,mm2;Unom为相导体对地的标称电压,V;为导体温度为 20时的电阻率,软铜线芯为 0.017 242mm2/m,铝线芯为 0.028 2mm2/m;Id.min为预期接地故障电流最小允许值:采用断路器时,取1.3Iset3;K 为忽略线路电抗时产生误差的校正系数,Sph95mm2取 1,Sph为 120mm2和 150mm2取 0.96,Sph185mm2取 0.92;Ks为忽略电源阻抗时产生误差的校正系数,取 0.81.0,故障点离配电变压器近时取低值、故障点离配电变压器远时取高值;Id为接地故障电流(交流方均根值),kA。额定电流为 200A 的塑壳断路器瞬时脱扣器整定电流 Iset3=2 000A,采用 185mm2的铜芯电缆,满足配电线路故障保护时,其最大配电距离 Lmax2201850.9211.50.017242 1+18595()1.32000=188.9m。从 T1箱变到 1209 号 接箱的距离为 255m,不符合断路器的切断要求(配电距离超过 188.9m,用电端发生接地故障时产生的 Id不能使断路器及时跳闸),通过设置辅助等电位联结使设备发生接地故障时接触电压降低到50V 以下,增加 RCD 迅速切断电源避免电击事故的同时也可满足切断时间的要求。图 3为 T1-4a 回路配电示意。图 3 T1-4a 回路配电示意图可以看到,图 3 中 12091213 号造雪机对应的设备井内设置 接箱,185mm2的铜芯电缆不变径从 1209 号 接箱连接到 1213 号 接箱,并采用300mA 的剩余电流保护器作为故障保护。图 4 为等电位联接示意图,设备井内设有等电位联结扁钢带。所有进出设备井的金属管道、电源PE 线、设备金属外壳等均应与扁钢带连接,并采用两根 10 热镀锌圆,将同一配电回路的设备井等电位联结装置可靠联结,并与箱式变电站的接地形成电气通路。图 4 等电位联结采用 RCD 做接地故障保护可以有效解决因配电距离过长,导致故障电流 Id过小而无法使断路器及时跳闸的问题,同时也要避免 RCD 误动作。额定剩余动作电流 In的确定依据剩余电流动作保护电器(RCD)的一般要求GB/T 68292017,即:在额定频率的交流剩余电流稳定增加时,C 型、A 型、F型和 B 型 RCD 应在表 2 规定的额定剩余不动作电76智能建筑电气技术2022 年流 Ino和额定剩余动作电流 In范围内动作。交流剩余电