馬霄鵬， 趙心亮

(中國建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100044)

0 引言

當(dāng)今，處于全球經(jīng)濟(jì)相互滲透融合、高速發(fā)展的時(shí)代，無論是出游、商務(wù)、貨運(yùn)物流等都越來越依賴于飛機(jī)這種快速、便捷的交通工具，為了適應(yīng)客、貨流量的迅速增長，各地航站樓的建設(shè)規(guī)模也越來越大。根據(jù)2017年CADAS(Civil Aviation Data Analysis)民航數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我國國內(nèi)年旅客吞吐量超過1 000萬人次的Ⅰ類大型機(jī)場(chǎng)已達(dá)到32個(gè)，超過4 500萬人次的超大型機(jī)場(chǎng)達(dá)到5個(gè)，其中北京更是以9 500萬人次位居首位，龐大的客流量和貨運(yùn)量，對(duì)于機(jī)場(chǎng)的可靠運(yùn)轉(zhuǎn)不斷提出更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。而電力系統(tǒng)作為支撐這個(gè)龐大運(yùn)轉(zhuǎn)體系正常運(yùn)行的重要保障之一，對(duì)供電可靠性的要求也越來越高。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近10年來全球發(fā)生多起大型國際機(jī)場(chǎng)停電事件，每次停電均造成數(shù)千旅客的滯留，數(shù)百甚至上千次航班的取消，經(jīng)濟(jì)損失巨大。因此如何提高供電可靠性，是電氣設(shè)計(jì)人和電力系統(tǒng)運(yùn)維保障人員共同努力研究的方向。本文即以某大型航站樓為例，對(duì)如何提高供電可靠性進(jìn)行分析總結(jié)，以供參考。

1 供電可靠性分析

1.1 提高供電可靠性的必要性

以某大型國際機(jī)場(chǎng)航站樓(年客運(yùn)吞吐量 6 500 萬人次)為例，根據(jù)JGJ 243-2011《交通建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)Ⅰ類機(jī)場(chǎng)航站樓負(fù)荷等級(jí)的劃分，該航站樓總用電負(fù)荷約73 000kW，其中一級(jí)負(fù)荷中特別重要負(fù)荷占比20%，一級(jí)負(fù)荷占比32.5%，二級(jí)負(fù)荷占比28.5%，二級(jí)以上負(fù)荷占比高達(dá)81%。

而根據(jù)GB 50052-2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》，不同負(fù)荷等級(jí)對(duì)供電電源要求不同，一級(jí)負(fù)荷要求由雙重電源供電，其中當(dāng)一路電源發(fā)生故障時(shí)，另一路電源不應(yīng)同時(shí)受到損壞；對(duì)于一級(jí)負(fù)荷中特別重要負(fù)荷，除應(yīng)由雙路電源供電外，還應(yīng)增設(shè)應(yīng)急電源(如柴油發(fā)電機(jī)、電池或獨(dú)立于正常電源的專用饋電線路)；二級(jí)負(fù)荷宜由兩路電源供電。由此可知，我國對(duì)Ⅰ類大型機(jī)場(chǎng)航站樓的供電要求非常高。

1.2 影響供電電源可靠性的因素

在幾乎任何一個(gè)設(shè)備、設(shè)施運(yùn)行都需要電力驅(qū)動(dòng)的今天，完全杜絕短路、漏電現(xiàn)象幾乎是不可能的，用電設(shè)備及線路超負(fù)荷運(yùn)行造成絕緣老化而引起的短路、火災(zāi)，雷電流引起的過電壓，大型設(shè)備投入或退出電網(wǎng)引起的電源電壓波動(dòng)，維護(hù)人員的誤操作，甚至幾滴水滴都有可能引起系統(tǒng)短路、保護(hù)開關(guān)動(dòng)作。筆者統(tǒng)計(jì)了近10年來新聞報(bào)道的幾個(gè)大型機(jī)場(chǎng)停電的典型案例，調(diào)查出的故障原因參見表1。

2009年以來各大型國際機(jī)場(chǎng)發(fā)生故障停電的典型案例 表1

圖1 供電系統(tǒng)分解示意圖

從表1的統(tǒng)計(jì)中不難看出，停電原因從電源到用電設(shè)施以及線路敷設(shè)，任何一個(gè)環(huán)節(jié)都有可能出現(xiàn)問題。而故障一旦發(fā)生，作為電力系統(tǒng)的保障——保護(hù)開關(guān)就要?jiǎng)幼鳎皇潜Ｗo(hù)人員、用電設(shè)施的安全，二是防止故障范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大。但是，切斷電源時(shí)需要著重的關(guān)鍵問題在于如何在有效切除故障點(diǎn)的同時(shí)不影響到其他用電設(shè)施的正常運(yùn)行，將應(yīng)急措施與供電系統(tǒng)快速接駁。

對(duì)于一個(gè)大型機(jī)場(chǎng)航站樓的供電系統(tǒng)來說，雖然系統(tǒng)龐大、繁雜，卻有其一致性和可復(fù)制性。結(jié)合我國國家規(guī)范對(duì)大型航站樓的供電要求，筆者對(duì)機(jī)場(chǎng)供配電系統(tǒng)進(jìn)行了分解，并針對(duì)每一個(gè)環(huán)節(jié)采取相應(yīng)的保障措施，以提高整體的供電可靠性。

對(duì)此，筆者將供電系統(tǒng)分解成7個(gè)環(huán)節(jié)，即：市電電源、110kV(35kV)專用變電站、室外高壓線纜敷設(shè)、中心變電室的配電架構(gòu)、由變電室至配電間的線纜敷設(shè)、低壓配電架構(gòu)、末端設(shè)備，重點(diǎn)需要考慮的是前6個(gè)環(huán)節(jié)，如圖1所示。針對(duì)每一個(gè)環(huán)節(jié)在系統(tǒng)中的重要性和影響范圍提出相應(yīng)的保障措施。

2 供電可靠性的保障措施

以上述航站樓為例，該航站區(qū)的整體供電方案可參見圖2。

圖2 某機(jī)場(chǎng)航站樓供電方案示意圖

圖2中，在航站區(qū)設(shè)置一座110kV變電站，作為整個(gè)航站區(qū)的專用變配電站，并在東工作區(qū)預(yù)留一座110kV變電站的建設(shè)條件，作為第二中心變電站。由航站區(qū)專用變電站向航站區(qū)內(nèi)各用電戶提供10kV電源，每個(gè)用電用戶設(shè)置自己的10kV變電站，并向其內(nèi)部低壓用電負(fù)荷供電。在航站樓設(shè)置4處中心變電站，GTC和能源中心各設(shè)置一處中心變電站。由110kV專用變電站沿南北兩側(cè)的綜合管廊引至各建筑內(nèi)的10kV中心變電站。

2.1 市電電源

根據(jù)國家規(guī)范的要求，對(duì)于一級(jí)用電用戶，需提供兩路市政電源，該航站區(qū)110kV專用變電站由上一級(jí)的220kV變電站引來兩路110kV電源。兩個(gè)電源分別取自兩個(gè)不同方向的220kV變電站。電纜經(jīng)市政專用電纜溝敷設(shè)，以滿足當(dāng)一路電源發(fā)生故障時(shí)，另一路電源不同時(shí)受損的要求。

2.2 110kV變電站選址及供電方案

在航站區(qū)建設(shè)一座110kV專用變電站位于機(jī)場(chǎng)西側(cè)滑路，負(fù)責(zé)用地東北側(cè)的航站區(qū)、飛行區(qū)等用房供電；同時(shí)在東工作區(qū)預(yù)留建設(shè)第二座110kV專用變電站的條件，以提高整個(gè)航站區(qū)專用變電站的供電可靠性。

新建110kV專用變電站選址靠近電源側(cè)，兼顧考慮供電部門可單獨(dú)管理的需求。變電站內(nèi)設(shè)置3臺(tái)63MVA變壓器，考慮預(yù)留航站區(qū)內(nèi)二、三期航站樓建設(shè)的冗余。

由專用變電站至航站區(qū)各中心變電站采用放射式供電，每個(gè)中心變電站由專用變電站引兩路10kV電源，且兩路電源要求由專用變電站的不同母線段引出；因考慮到現(xiàn)階段10kV電源由同一個(gè)專用變電站引來，為提高其供電可靠性，要求110kV變電站的各母線段做到純物理隔離，確保不同時(shí)受到火災(zāi)、水災(zāi)等影響。

2.3 航站區(qū)線路敷設(shè)

由110kV專用變電站引至航站樓、GTC(交通中心)各中心變電站的2路10kV電源均要求分別由南北綜合管廊引入，確保不同路由接駁，提高供電線路的可靠性。對(duì)于用電等級(jí)要求不是很高的能源中心，則2路10kV電源均由南側(cè)管廊沿同一路由敷設(shè)，減少前期的投資。

室外10kV電氣線纜主干路由敷設(shè)在綜合管廊的電氣倉中，電氣倉相對(duì)獨(dú)立，不受其他管路的影響。該管廊在航站區(qū)南北道路兩側(cè)由西向東貫通直至機(jī)場(chǎng)110kV變電站，并與市政管廊接駁。管廊內(nèi)設(shè)有火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)和消防設(shè)施，并可監(jiān)測(cè)線纜的溫度。

2.4 中心變電站配電架構(gòu)

2.4.1 高壓供電系統(tǒng)

為節(jié)省投資，同時(shí)滿足供電可靠性的要求，根據(jù)每路10kV電源線路的承載能力，在航站樓共設(shè)置4處中心變電站，并根據(jù)低壓供電半徑控制在200～250m的原則，設(shè)置若干10kV分變電室。分變電室分布在中央?yún)^(qū)和指廊區(qū)，10kV電源由就近中心變電站的不同母線段引出。

中心變電站采用單母線分段方式運(yùn)行，設(shè)母聯(lián)開關(guān)。平時(shí)兩段母線同時(shí)分列運(yùn)行，當(dāng)一路電源故障時(shí)，通過手/自動(dòng)操作聯(lián)絡(luò)開關(guān)，另一路電源負(fù)擔(dān)全部一、二級(jí)負(fù)荷。分變配電室就地設(shè)高壓檢修開關(guān)柜，保護(hù)由中心變電站完成。

2.4.2 典型低壓配電系統(tǒng)

(1)低壓采用單母線分段運(yùn)行方式，設(shè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)，每臺(tái)變壓器負(fù)載率≤65%，如圖3所示。

(2)當(dāng)一臺(tái)變壓器故障或一路母線失電后，聯(lián)絡(luò)開關(guān)延時(shí)投入，并自動(dòng)斷開低壓供電母線上非保證性負(fù)荷，以保證承擔(dān)負(fù)載的變壓器能正常運(yùn)行。

(3)設(shè)置重要負(fù)荷和消防負(fù)荷的專用應(yīng)急母線段，應(yīng)急母線段配電柜柜體與其他柜體采取防火隔離措施，防止其他柜體著火影響應(yīng)急母線段的運(yùn)行，同時(shí)應(yīng)急母線段接駁柴油發(fā)電機(jī)電源，當(dāng)兩路市電同時(shí)停電后，確保重要負(fù)荷仍能繼續(xù)運(yùn)行。

圖3 典型低壓配電系統(tǒng)示意圖

2.4.3 應(yīng)急電源

針對(duì)用電設(shè)備對(duì)電源斷電時(shí)間的不同要求，筆者所在的設(shè)計(jì)單位采用多種應(yīng)急電源組合，作為供電系統(tǒng)的備用電源。

(1)柴油發(fā)電機(jī)組

選用～400V低壓供電柴油發(fā)電機(jī)組作為航站樓的主要備用電源，在容量和供電范圍允許的情況下，柴油發(fā)電機(jī)房相對(duì)集中設(shè)置。在柴油發(fā)電機(jī)房內(nèi)設(shè)置≤1m3的日用油箱，確保柴油機(jī)快速啟動(dòng)，且在短時(shí)間內(nèi)可以維持其正常運(yùn)轉(zhuǎn)，為周邊調(diào)度油罐車提供準(zhǔn)備時(shí)間。相對(duì)集中設(shè)置，可適當(dāng)減少柴油發(fā)電機(jī)的設(shè)置數(shù)量，且仍能保障系統(tǒng)相對(duì)靈活，對(duì)于分變電室等小范圍電源故障，可以迅速啟動(dòng)該區(qū)域的柴油發(fā)電機(jī)組，機(jī)組的啟動(dòng)邏輯關(guān)系相對(duì)簡單，且在容量較小的情況下，低壓柴油發(fā)電機(jī)組較高壓柴油發(fā)電機(jī)組的投資更低，維護(hù)更簡單。但因?yàn)榉稚⒃诙嗵帲瑳]有完全集中，日常的運(yùn)維管理工作量仍較大。

柴油發(fā)電機(jī)組與變電室應(yīng)急母線段接駁，當(dāng)兩路市電電源同時(shí)停電時(shí)發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)，柴油發(fā)電機(jī)組15s內(nèi)啟動(dòng)，正常運(yùn)轉(zhuǎn)并投入。

(2)UPS電源+柴油發(fā)電機(jī)組合

對(duì)于重要負(fù)荷，如通訊設(shè)施、航顯、安檢、值機(jī)等系統(tǒng)對(duì)供電電源要求高，僅靠柴油機(jī)作為備用電源，不能保證其正常運(yùn)行，需同時(shí)設(shè)置UPS電源作為不間斷電源，保證柴油機(jī)在正常運(yùn)行投入之前的供電連續(xù)性。

(3)EPS電源+柴油發(fā)電機(jī)組合

為解決火災(zāi)疏散照明的不間斷供電，相對(duì)集中設(shè)置免維護(hù)蓄電池組直流逆變應(yīng)急電源(EPS)供電，當(dāng)所有市電全部停止供電后，仍可按規(guī)范要求的時(shí)間持續(xù)供電，且EPS電源提供24V安全電壓，避免火災(zāi)發(fā)生時(shí)受困人員和施救人員的意外觸電。

2.5 航站樓內(nèi)配電線纜的選擇及敷設(shè)

2.5.1 線纜選擇

室內(nèi)配電線纜敷設(shè)分為高壓和低壓線纜。由中心變電站高壓柜配出的高壓電纜，特別是向分變電室供電的電纜，由于其是分變配電室的電源側(cè)線路，故選用礦物絕緣類不燃性高壓銅芯電力電纜或耐火型電力電纜，確保特殊情況下仍能繼續(xù)工作；對(duì)于火災(zāi)時(shí)堅(jiān)持工作的低壓出線電纜選用礦物絕緣類不燃性電力電纜；而火災(zāi)時(shí)非堅(jiān)持工作的低壓出線電纜則選用低煙無鹵A類阻燃電力電纜，防止自身延燃和絕緣材料因燃燒而散發(fā)的毒氣對(duì)室內(nèi)人員造成二次傷害。

2.5.2 線路敷設(shè)

由中心變電站至各分變電室高壓電纜有條件時(shí)可在室內(nèi)電氣管廊內(nèi)敷設(shè)，管廊內(nèi)空間相對(duì)獨(dú)立，不會(huì)受到其他區(qū)域事故的影響，敷設(shè)線路更安全，且便于維護(hù)人員快速維修。

對(duì)于低壓重要負(fù)荷，由兩路電源供電，其主備電纜分設(shè)于不同的電纜橋架，降低相互干擾的可能性，提高線路的供電安全。

2.6 配電間、配電箱配電措施

從變電室到配電間、配電箱已經(jīng)是整個(gè)供電系統(tǒng)最末端的配電系統(tǒng)，故障影響的范圍相對(duì)較小。由于這一級(jí)配電會(huì)隨著末端設(shè)備以及使用需求的變化經(jīng)常調(diào)整，也是發(fā)生故障頻率最高的一級(jí)配電，但同時(shí)也是響應(yīng)速度最快的一級(jí)。因此這一級(jí)的配電系統(tǒng)，不僅要求具有一定的靈活性以適應(yīng)末端改造的需求，同時(shí)要能保證重要負(fù)荷在最末一級(jí)的供電可靠。針對(duì)不同性質(zhì)的用電負(fù)荷，采用放射式、樹干式和多級(jí)配電等不同的配電方式。針對(duì)不同用電性質(zhì)以及不同負(fù)荷等級(jí)采取相應(yīng)的供電措施。

按配電區(qū)域及供電半徑合理規(guī)劃設(shè)置配電間，并根據(jù)負(fù)荷性質(zhì)和后期運(yùn)行特點(diǎn)設(shè)置不同類別的配電箱(柜)。

2.6.1 照明配電箱

用于滿足空間照明使用的配電箱包括：一般照明箱(A)、備用照明箱(B)、裝飾照明箱、疏散照明箱。

在確保末端電源供電半徑≤50m的區(qū)域內(nèi)設(shè)置照明配電箱，局部不能滿足要求的，應(yīng)經(jīng)過電壓偏差計(jì)算，不滿足規(guī)范要求的回路需采取放大導(dǎo)線截面等相應(yīng)措施。在大空間照明，如值機(jī)大廳、出發(fā)大廳、到達(dá)大廳、行李提取大廳等要求設(shè)置備用照明的場(chǎng)所，設(shè)置A、B照明配電箱，對(duì)大廳的照明燈具進(jìn)行交叉供電，其中備用照明箱電源取自由柴油發(fā)電機(jī)供電的應(yīng)急母線，既可滿足當(dāng)市電電源停電后，該空間的基本照明要求，又能保證僅有備用照明時(shí)的均勻度。

由于大空間基礎(chǔ)照明的負(fù)荷等級(jí)較高，在相應(yīng)區(qū)域同時(shí)預(yù)留為三級(jí)負(fù)荷供電的配電箱，用于裝飾照明、插座、衛(wèi)生間照明等用電負(fù)荷的供電。

2.6.2 動(dòng)力、空調(diào)設(shè)備配電箱

對(duì)于航站樓內(nèi)的動(dòng)力設(shè)備設(shè)置專用配電箱，如電梯/扶梯/步道電源箱、風(fēng)機(jī)配電(控制)箱、廚房動(dòng)力配電箱、空調(diào)設(shè)備配電(控制)箱、水泵配電(控制)箱等。對(duì)于電梯、水泵等配電(控制)箱采用雙路電源供電。對(duì)于廚房動(dòng)力，由于負(fù)荷容量較大，通常采用放射式供電?？照{(diào)、風(fēng)機(jī)等容量較小的設(shè)備采用二級(jí)配電分方式供電，即在相應(yīng)區(qū)域設(shè)置二級(jí)配電箱，再放射式配電至各終端箱。

2.6.3 弱電、工藝及外聯(lián)單位專用電源箱

航站樓區(qū)別于其他民用建筑的最主要特點(diǎn)是內(nèi)部設(shè)有眾多的弱電設(shè)施、專用工藝設(shè)施，以及并存多家外聯(lián)單位協(xié)同辦公，各弱電設(shè)備、工藝設(shè)施是航站樓能正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要因素。由于負(fù)荷等級(jí)高，因此對(duì)于各弱電設(shè)施、工藝設(shè)施，如弱電機(jī)房、弱電間、值機(jī)設(shè)備配電箱、安檢設(shè)備配電箱、航顯屏配電箱、400Hz電源配電箱等采用專用回路供電，特別是弱電設(shè)備、值機(jī)、安檢設(shè)備采用雙電源供電，末端互投，其備用電源除設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)外，另需設(shè)置UPS電源，保證供電電源的連續(xù)性。對(duì)于外聯(lián)單位如國際邊檢、安檢、海關(guān)、衛(wèi)生檢疫、航空公司等，根據(jù)使用單位的不同，設(shè)置專用配電箱，便于運(yùn)營管理。

2.6.4 其他用電負(fù)荷

航站樓內(nèi)除滿足其正常運(yùn)營的設(shè)施用電外，還含有大量的商業(yè)、廣告等用電負(fù)荷，且這部分的用電負(fù)荷特點(diǎn)是負(fù)荷容量波動(dòng)性大、改造頻繁。為了適應(yīng)這一特點(diǎn)，末端改造不影響航站樓其他用電的正常使用，通常按區(qū)域?yàn)樵擃愗?fù)荷單獨(dú)設(shè)置大容量二級(jí)配電箱，專用回路配電，再放射式配出至各商鋪或廣告燈箱等設(shè)施，當(dāng)某一個(gè)商鋪或末端的容量調(diào)整，對(duì)區(qū)域配電的容量影響小，增加系統(tǒng)改造的靈活性，同時(shí)設(shè)置防止電氣火災(zāi)的漏電保護(hù)裝置，降低由于頻繁改造或人為誤操作引起電氣故障的幾率。

3 結(jié)束語