國家大劇院的變配電設計

邵 凱

（國家大劇院 工程部，北京 100031）

國家大劇院主要包括三大建筑實體：歌劇院、戲劇場、音樂廳。每個實體設有觀眾廳、舞臺、臺倉、管理（辦公）室、演員化妝室、休息室、走道通廊等。三個實體處于鈦合金和玻璃的圓形殼體之下，殼體下部為共用的公共大廳。實體的地下設有設備機房及技術用房等。在建設期通過系統應用變配電新技術，為劇院工作者、演員、觀眾創造出了高水準的觀演場所。

1 負荷等級高、運行方式獨特

按規范確定國家大劇院為一級負荷，局部特級。內設2個10 kV高壓總站，引入4路10 kV高壓電源。下設9個分變電站：1#、2#站供歌劇院和車庫等一般配套，3#站供戲劇場，4#站供音樂廳，5#站供冷凍機房，6#、7#、8#、9#站供景觀水池（見圖1）。9個分變電站分別位于各負荷中心。共安裝12臺2 500 kVA，2臺1 000 kVA，2臺400 kVA變壓器，總安裝功率為32 800 kVA。

由“三站四線”供給的10 kV電源，正常運行方式為2個高壓站4段母線分別由4條10 kV電纜進線受電，兩站間采用雙聯絡環網系統。消防負荷及特別重要負荷及三個劇場內的舞臺機械、燈光、音響、觀眾廳照明均考慮雙電源交叉供電（見圖2）。

10 kV電源備自投的基本原則：當某一段母線由于電源側故障而失壓時，在檢查備用進線或者另一段母線電壓正常的條件下，經一短延時跳開本段進線斷路器。投入備用電源，若備自投不成功，則立刻投入第二備用電源。備自投裝置考慮了下游側故障的閉鎖措施。

10 kV母線分段柜設兩臺備自投方式轉換開關，分別控制4號、5號母線的備自投，每只備自投切換開關的位置與上述各種運行方式相對應。

在2個10 kV高壓總站設合環解列裝置，實現不斷電切換操作。每個站需要合環解列的斷路器共5臺，分別是201、202、245、203及204，每站只設一只合環選跳開關設在母線提升柜上。在進行切換操作時可以根據選取跳的斷路器確定開關的位置。

2 減振降噪及凈化電源

為滿足國家大劇院安靜的聲學環境要求，配電系統干式變壓器鐵芯選用0.27 mm進口優質硅鋼片，5步進疊片工藝，本體噪聲低于國家低噪音變壓器標準（見表1）。同時，在底部加裝了減振阻尼彈簧裝置，由于設備會產生50 Hz及其諧頻段的振動，在支撐系統的尺寸和參數上做了精心的設計，保證其自振頻率低于5 Hz，靜態載荷下的下沉度大于10 mm，有效地阻隔了物體傳導振動。

同時，所有機電設備均選用節能降噪環保產品，并在現場采取減振措施。

劇場設備非線性負荷較多，特別是舞臺燈光、變頻器、軟啟動器的廣泛使用，均會引起電源波形畸變，高次諧波問題突出。為此，變壓器接線組別采用Dyn11方式，在低壓配電線路上中性線與相線使用同截面。施工中合理布線，降低干擾，并進行屏蔽。所有調光設備和變頻器均采取了抑制諧波措施。

為確保擴聲系統不被其他變頻設備產生的噪音（如電梯、舞臺機械及燈光用電）干擾，在三個劇場為擴聲系統采用單獨相線供電。同時為保障供電質量，在舞臺音響、功放等共16處供電回路末端（配電箱前級）專門配置了隔離變壓器，并在線圈間裝設屏蔽銅板，以使供電電源更潔凈（見圖3）。

表1 變壓器技術參數

使用低壓智能電力監控儀表對所有低壓回路的三相相電壓、線電壓、電流，中性線電流、有功、無功、視在功率，以及有功電度、無功電度、頻率、電流、電壓總諧波含量、電壓三相不平衡度等進行監控。同時，在三個劇場的重要設備，重點回路加裝電能質量監測裝置，實時監測運行狀態、分析指標，為治理方案的制定積累數據。

3 安全高效的接線

鑒于經過交聯改性的聚乙烯可使其性能得到大幅度的改善，不僅能提高聚乙烯的力學、耐環境應力開裂、耐化學藥品腐蝕、抗蠕變性和電性能等綜合性能，而且可明顯提高耐溫等級，使聚乙烯的耐熱溫度從70℃提高到100 ℃以上。為最大限度地確保劇場安全高效運行，大劇院高低壓系統配電干線及支干線長度共計100 km，全部使用交聯聚乙烯電力電纜。并根據用電區域不同分別使用鋼帶鎧裝低煙無鹵阻燃、金屬屏蔽低煙無鹵阻燃等類別電纜。長度達48 km多的消防系統低壓干線則全部選用氧化鎂礦物絕緣電纜（見表2）。

低壓配電系統使用基于德國墨勒公司技術生產的緊湊型MODAN6000配電柜和與之配套的密集母線，采用上進上出接線方式，解決了劇院用電負荷大、建筑結構復雜、有效使用空間狹小等問題（見表3）。

4 特殊的防雷接地體系

國家大劇院工程屬于第二類防雷建筑，防雷接地體系包括防雷接地、建筑物等電位接地、雷擊電磁脈沖防護等項。

防雷接地采用整體獨立的鋼結構肋架作為防雷網。利用鈦板屋面及玻璃幕墻構架作為接閃器。防雷引下線地上采用鋼網架，地下采用95 mm2銅絞合裸銅導線。二者結合部采用95 mm2銅絞合裸銅導線放熱式焊接。每四品（或三品）鋼結構設一個引下點，沿整個橢圓肋架外圈引下至基礎。接地極利用基礎底板主筋，建筑物外圍敷設一圈95 mm2銅絞合鍍錫裸銅線環形接地體和室外護坡樁工字鋼。基礎底板內上下層被利用主筋按一定間距采用Φ20以上鋼筋可靠焊接為一體。

表2 配電線路電纜分布表

表3 封閉母線設置位置及規格型號

表4 供電線路智能監控數量

表5 配電線路智能監控數量

共設6處等電位接地母排（即MEB端子箱）。由于防雷引下銅線與連續墻主筋可靠焊接，鋼筋已被利用于防雷及接地。以上6處接地點，其接地預埋件與環形接地極之間，以95 mm2+ 240 mm2銅線焊接，銅線沿途與鋼筋可靠焊接。且MEB引出接地端子板就分別設在預埋件處，并與其可靠焊接。每一電源進線都作等電位聯結，各個等電位聯結端子板互相連通。

為防止直擊雷和感應雷對設備造成損壞，在低壓進線開關處及供室外末端裝置的配電盤加裝第一級電涌保護器。保護電壓等級Up = 2 kV，最大放電電流 Imax= 65 kA。在重要負荷和消防、樓宇、安防、通信、有線電視、錄音錄像、音響、燈光控制、舞臺監督控制等弱電機房的總配電盤加裝第二級電涌保護器。保護電壓等級Up = 1.8 kV，最大放電電流 Imax= 40 kA。

在環繞大劇院四周的接地體附近綠地上，分別設置了8個接地井，以便于接地電阻的檢測，及將來加打接地極。

5 智能監控系統

國家大劇院變配電設備配置了智能監控系統，高壓北站和高壓南站采用RCS-9000系列綜合保護測控單元，采集高壓系統信號。設置專用遠動通訊管理機，通過光纖路由與城區配網自動化主站系統實現通信。所有低壓回路配置獨立的三相綜合電力監控儀表，具有遙測、遙信、遙控、遠方參數設置及網絡通訊一體化功能。

系統采用分層分布式結構，分為站控層、前置層和間隔層。站控層負責整體配電系統的集中監控。前置層具有數據處理及通信功能，用以實現間隔層設備和站控層設備之間信息的“上傳下發”，并監視和管理各保護及測控單元等設備。間隔層負責各間隔就地監控，測控單元通過現場總線網絡與現場通訊管理機連接及通信。

供配電線路智能監控數量見表4及表5。

通過精心設計和施工，采取的多種技術措施確保了國家大劇院供電質量，投入使用兩年來，系統運行安全可靠，為8個演出季（周）共2 417場演出提供了電力保障。

國家大劇院的變配電系統設計實踐為今后新建劇院確定供電等級、確保供電質量，抑制高次諧波提供潔凈電源、防雷接地以及選用高效、環保、減振降噪設備和智能監控、項目管理、演出成本分析等方面系統地提供了可參考借鑒的經驗。