一種基于智能配電系統(tǒng)在醫(yī)療建筑中應(yīng)用的低壓母聯(lián)自動(dòng)切換方案

李沛巖

(中衡設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司, 北京 100044)

0 引言

在二級(jí)、三級(jí)醫(yī)院的電氣配電系統(tǒng)中，存在一級(jí)負(fù)荷和一級(jí)負(fù)荷中的特別重要負(fù)荷設(shè)備，采用雙重電源為成組的變壓器供電，當(dāng)其中一臺(tái)變壓器斷開(kāi)時(shí)，另一臺(tái)變壓器的容量應(yīng)能滿足這組變壓器的全部二級(jí)及以上負(fù)荷的供電。因此，醫(yī)院的配電系統(tǒng)一般采用“兩路高壓進(jìn)線，低壓?jiǎn)文妇€分段、中間設(shè)置聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，并設(shè)有可切換至柴油機(jī)供電的消防應(yīng)急母線段和醫(yī)療保障應(yīng)急母線段”的接線型式。這種接線型式可以保證在一路電源故障時(shí)，由另一路電源所帶的變壓器來(lái)承擔(dān)供電負(fù)荷，但因一臺(tái)變壓器容量有限，無(wú)法承擔(dān)全部負(fù)荷，而二級(jí)及以上負(fù)荷比較重要，突然停電后將造成比較嚴(yán)重的損失，所以，為保證二級(jí)及以上負(fù)荷的供電，傳統(tǒng)的方式是卸載所有三級(jí)負(fù)荷的供電。這種電源轉(zhuǎn)換方案安全可靠，然而在醫(yī)院建筑內(nèi)，三級(jí)負(fù)荷所包含的部分醫(yī)療設(shè)備、以及大部分門診和病房等區(qū)域用電，雖在供電重要性上不及二級(jí)及以上負(fù)荷，但如停止供電，仍可能會(huì)導(dǎo)致部分診療過(guò)程的中止，或造成醫(yī)生和病患的心理恐慌，所以從醫(yī)院運(yùn)營(yíng)角度，維持某些三級(jí)負(fù)荷的供電也是有意義的。

在醫(yī)療建筑電氣的設(shè)計(jì)階段，一路電源故障時(shí)可帶的二級(jí)及以上全部負(fù)荷，按不超過(guò)另一路電源變壓器帶載能力進(jìn)行核算，理論上有一定帶載能力的剩余。另外，還考慮到目前設(shè)計(jì)階段變壓器選型和實(shí)際運(yùn)行情況存在偏差(比如，依據(jù)規(guī)范要求，按配電變壓器的長(zhǎng)期工作負(fù)載率≤85%進(jìn)行變壓器選型)，而在實(shí)際使用情況下，變壓器的負(fù)載率常常遠(yuǎn)低于此值，也就是說(shuō)，按現(xiàn)有的計(jì)算方式，變壓器的容量普遍偏大，而在進(jìn)行變壓器一路故障時(shí)所帶二級(jí)及以上全部負(fù)荷的計(jì)算時(shí)，也是按同樣的方式，從這個(gè)角度，也會(huì)有部分帶載能力的富余。以上這些因素都可以為保障部分三級(jí)負(fù)荷的供電提供條件。

隨著智能配電系統(tǒng)的推廣使用，供配電系統(tǒng)自動(dòng)化水平也越來(lái)越高，在傳統(tǒng)的供配電方案基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)大量數(shù)據(jù)的采集、分析和邏輯判斷，進(jìn)而自動(dòng)進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換，可以充分利用變壓器尚未使用的帶載能力，以維持部分三級(jí)負(fù)荷的供電，從而減小因電源檢修或故障造成的停電事故范圍。

1 低壓配電主接線

醫(yī)療建筑低壓配電系統(tǒng)主接線見(jiàn)圖1，當(dāng)1#市政電源失電時(shí)，三級(jí)負(fù)荷卸載，低壓母聯(lián)投切，由2#市政電源所帶變壓器為所有二級(jí)及以上負(fù)荷供電；當(dāng)2#市政電源失電時(shí)，三級(jí)負(fù)荷卸載，低壓母聯(lián)投切，由1#市政電源所帶變壓器為所有二級(jí)及以上負(fù)荷供電；當(dāng)兩路電源同時(shí)故障，兩臺(tái)變壓器均停用時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)，TSE1和TES2切換至柴油機(jī)電源(兩路電源同時(shí)故障的情況下，變壓器停止供電，不涉及到低壓母聯(lián)自動(dòng)轉(zhuǎn)換，本文不再進(jìn)行進(jìn)一步討論)。

圖1 醫(yī)療建筑低壓配電系統(tǒng)主接線圖

2 低壓母線自動(dòng)切換方案

在醫(yī)院建筑的三級(jí)負(fù)荷中，雖然負(fù)荷等級(jí)相同，但其重要性仍存在差異，可以根據(jù)重要性進(jìn)行分組處理。在工程設(shè)計(jì)中，具體分組需要與院方就運(yùn)行維護(hù)的管理方面進(jìn)行深入探討，本文僅提供一種分組思路。依據(jù)重要性，將三級(jí)負(fù)荷分為A、B、C、D四組，其中A組主要為與醫(yī)療流程相關(guān)的負(fù)荷，可包含門診和醫(yī)療區(qū)域的照明插座、醫(yī)療設(shè)備、醫(yī)療水處理設(shè)備、制氧站、污水處理設(shè)備；B組可包含非醫(yī)療功能性區(qū)域，包括廚房及餐廳設(shè)備、辦公區(qū)的照明插座；C組主要為保證醫(yī)患區(qū)舒適性相關(guān)的負(fù)荷，包括制冷機(jī)房、冷卻塔、空調(diào)系統(tǒng)、新風(fēng)及排風(fēng)設(shè)備，熱水供水設(shè)備；D組包括車庫(kù)充電樁等其他不重要的場(chǎng)所。

將以上負(fù)荷分組后，通過(guò)智能配電系統(tǒng)對(duì)分組電流進(jìn)行累加統(tǒng)計(jì)及記錄，如一路電源發(fā)生故障，可將故障前一段時(shí)間(推薦10min以內(nèi))的數(shù)據(jù)，進(jìn)行加權(quán)平均處理，并作為統(tǒng)計(jì)值，A、B、C、D四組負(fù)荷電流累加統(tǒng)計(jì)值分別為ΣI3Ai、ΣI3Bi、ΣI3Ci、ΣI3Di。同時(shí)，要采集統(tǒng)計(jì)二級(jí)及以上負(fù)荷電流累加統(tǒng)計(jì)值ΣIZi，主進(jìn)線電流IJ1、IJ2，并要輸入低壓主進(jìn)線開(kāi)關(guān)的長(zhǎng)延時(shí)整定電流Ir。需要說(shuō)明的是，功率因數(shù)不同的負(fù)荷的電流值不能直接相加，但因工程中大多數(shù)負(fù)荷電流的功率因數(shù)差別不是很大，且在轉(zhuǎn)換方案中作為判據(jù)使用的精確性要求不高，故在累加過(guò)程中忽略了功率因數(shù)差異的影響。

引入K1和K2兩個(gè)調(diào)整系數(shù)。K1是為了保證投入后的電流略小于主進(jìn)線開(kāi)關(guān)，避免造成主進(jìn)線開(kāi)關(guān)跳閘，K1取值可為0.95≤K1<1。K2是考慮功率因數(shù)的影響，因?yàn)橹鬟M(jìn)線開(kāi)關(guān)電流是低壓負(fù)荷經(jīng)集中無(wú)功補(bǔ)償后的電流值，且各組統(tǒng)計(jì)負(fù)荷的功率因數(shù)不同可能引起誤差，所以累加的電流和相對(duì)于主進(jìn)線開(kāi)關(guān)偏大，要進(jìn)行一定程度的修正。如果統(tǒng)計(jì)過(guò)程不采用電流值累加，而是直接用有功和無(wú)功分別累加，并計(jì)入實(shí)際無(wú)功補(bǔ)償，計(jì)算數(shù)值可不用K2值修正。K2計(jì)算公式見(jiàn)式(1)。

K2=cosφ2/cosφ1

(1)

式中，cosφ1為負(fù)載預(yù)估平均功率因數(shù)；cosφ2為系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償后功率因數(shù)。

K2可直接計(jì)算，也可以依據(jù)表1進(jìn)行選擇，或可根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)取1.05≤K2≤1.2。

K2取值對(duì)應(yīng)表 表1

自動(dòng)投切用以下公式進(jìn)行邏輯判斷。

(1)當(dāng)K1Ir≥IJ1+IJ2時(shí)，說(shuō)明兩臺(tái)變壓器總的負(fù)載率較低，三級(jí)負(fù)荷無(wú)需卸載。

(2)當(dāng)K1Ir

1)當(dāng)ΣIZi+ΣI3AiΣI3Bi+ΣI3Ci≤K2Ir<ΣIZi+ΣI3Ai+ΣI3Bi+ΣI3Ci+ΣI3Di時(shí)，說(shuō)明一臺(tái)變壓器的容量可以承擔(dān)不包含D組負(fù)荷外的所有負(fù)荷，只需卸載D組負(fù)荷。

2)當(dāng)ΣIZi+ΣI3Ai+ΣI3Bi≤K2Ir<ΣIZi+ΣI3Ai+ΣI3Bi+ΣI3Ci時(shí)，說(shuō)明一臺(tái)變壓器的容量可以承擔(dān)不包含C、D組負(fù)荷外的所有負(fù)荷，需卸載C、D組負(fù)荷。

3)當(dāng)ΣIZi+ΣI3Ai≤K2Ir<ΣIZi+ΣI3Ai+ΣI3Bi時(shí)，說(shuō)明一臺(tái)變壓器的容量可以承擔(dān)不包含B、C、D組負(fù)荷外的所有負(fù)荷，僅保留A組負(fù)荷。

4)當(dāng)ΣIZi≤K2Ir<ΣIZi+ΣI3Ai時(shí)，說(shuō)明一臺(tái)變壓器的容量?jī)H可以承擔(dān)不包含三級(jí)負(fù)荷外的所有負(fù)荷，需卸載所有三級(jí)負(fù)荷。

5)當(dāng)ΣIZi>K2Ir時(shí)，說(shuō)明一臺(tái)變壓器的容量可能無(wú)法承擔(dān)二級(jí)及以上負(fù)荷，需提示變電所維護(hù)人員，運(yùn)維人員需在滿足變壓器一定過(guò)負(fù)荷能力的條件下及時(shí)采取相關(guān)措施。

K1和K2的取值，均由理論計(jì)算或經(jīng)驗(yàn)取得，與實(shí)際值會(huì)存在偏差，在實(shí)際使用中，工程技術(shù)人員可以在正常使用情況下，通過(guò)數(shù)據(jù)模擬斷電工況，并修正K1、K2，以更貼近實(shí)際工況，這樣可以更充分地利用變壓器的容量。在修正過(guò)程中，更可以依據(jù)運(yùn)行大數(shù)據(jù)引入時(shí)間預(yù)測(cè)因子，以便更大程度地提高變壓器容量的利用率。

結(jié)合以上所述，本文的低壓母線自動(dòng)切換方案是按以下過(guò)程進(jìn)行：當(dāng)1#市政電源失電時(shí)，智能配電系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)電流值邏輯判斷，按判斷結(jié)果卸載部分三級(jí)負(fù)荷，而后低壓母聯(lián)自動(dòng)投切，由2#電源所帶變壓器為所有二級(jí)及以上負(fù)荷和可維持的三級(jí)負(fù)荷供電；當(dāng)2#市政電源失電時(shí)，智能配電系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)電流值邏輯判斷，按判斷結(jié)果卸載部分三級(jí)負(fù)荷，而后低壓母聯(lián)自動(dòng)投切，由1#電源所帶變壓器為所有二級(jí)及以上負(fù)荷和可維持的三級(jí)負(fù)荷供電。

為了電源備用自動(dòng)投切裝置的動(dòng)作可靠，應(yīng)保證在工作電源可靠斷開(kāi)后再投入備用電源，并應(yīng)有一定延時(shí)，本方案在一路電源確認(rèn)斷開(kāi)后，需經(jīng)過(guò)一段時(shí)間延時(shí)，再進(jìn)行備用電源投切。

電源復(fù)歸是當(dāng)主用電源恢復(fù)正常后，由備用電源再轉(zhuǎn)換到主用電源供電的過(guò)程。因?yàn)殡娫磸?fù)歸是由一臺(tái)變壓器的負(fù)荷分配至兩臺(tái)變壓器，在確認(rèn)主電源可靠恢復(fù)后，不存在負(fù)荷過(guò)載的問(wèn)題，故可以采用自動(dòng)復(fù)歸方式。自動(dòng)復(fù)歸有不斷電復(fù)歸和斷電延時(shí)復(fù)歸兩種方式，兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)，其中不斷電復(fù)歸供電連續(xù)性好，但要避免瞬間并聯(lián)造成的環(huán)流問(wèn)題；斷電延時(shí)復(fù)歸會(huì)影響供電的連續(xù)性，但其更為安全可靠。在醫(yī)院供配電系統(tǒng)中，有需要保證供電連續(xù)性的場(chǎng)所已經(jīng)在某區(qū)域集中或末端采用了大量雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置和UPS，其電源切換過(guò)程并不依托于低壓母聯(lián)的復(fù)歸動(dòng)作，而其他需由母聯(lián)歸復(fù)完成電源切換的負(fù)荷供電連續(xù)性要求并不高，因此，本方案采用斷電延時(shí)復(fù)歸電源的方式更合適。

3 需注意的其他問(wèn)題

首先，母聯(lián)開(kāi)關(guān)自動(dòng)投切，投入的負(fù)荷是在同一時(shí)間投入到一臺(tái)變壓器的，屬于大負(fù)荷投入母線的情況，可能會(huì)造成母線電壓的波動(dòng)，需要依據(jù)式(2)進(jìn)行校核，并在理論上滿足配電母線的電壓要求。

(2)

式中，ustB為負(fù)荷投入時(shí)配電母線電壓相對(duì)值；us為電源母線電壓相對(duì)值，取1.05；SscB為配電母線短路容量，MVA；QL為預(yù)接負(fù)荷的無(wú)功功率，MVar；Sst為接入母線負(fù)荷的計(jì)算啟動(dòng)容量。

其次，三級(jí)負(fù)荷存在較多大容量電機(jī)，尤其是制冷機(jī)組，其啟動(dòng)電流較大，投入母線時(shí)，對(duì)變壓器保護(hù)整定和配電母線電壓都有影響，如制冷機(jī)組較大，建議采用降低啟動(dòng)電流的啟動(dòng)方式，并對(duì)設(shè)備啟動(dòng)進(jìn)行校驗(yàn)。如無(wú)法滿足要求，則建議不采用本文的自動(dòng)投切方案，要轉(zhuǎn)由手動(dòng)操作進(jìn)行投切，并優(yōu)先投切啟動(dòng)電流與額定電流差值較大的負(fù)荷。

另外，要就脫扣方式進(jìn)行說(shuō)明，因本方案采用有選擇的分組卸載方式，故需在三級(jí)負(fù)荷回路設(shè)置分勵(lì)脫扣裝置。在一路電源故障的斷電期間，智能配電系統(tǒng)進(jìn)行邏輯判斷，由智能配電系統(tǒng)發(fā)出分勵(lì)信號(hào)，使負(fù)荷斷路器跳閘，從而卸載相應(yīng)的負(fù)荷回路，而后再進(jìn)行母聯(lián)投切。

最后，還要注意，單路電源故障時(shí)，另一路電源由于三級(jí)負(fù)荷的接入，帶載容量可能會(huì)增大，并可能會(huì)對(duì)區(qū)域電網(wǎng)規(guī)劃產(chǎn)生影響，需要提前與供電部門確認(rèn)電源的應(yīng)用情況。

4 結(jié)束語(yǔ)