孙　瑜

(上海建筑设计研究院有限公司, 上海　200041)



质子重离子医院配电设计

孙瑜

(上海建筑设计研究院有限公司, 上海200041)

摘要：从工艺负荷和电源设计、10 kV快速切换热并方案、分布式供能系统、工艺专用接地设计方面,介绍了上海市质子重离子医院的配电设计及其特点。指出电气设计医院项目对配电系统的可靠性、稳定性要求高,分布式供能系统利用发电机组余热来实现,工艺接地引自就近基础钢筋以满足接地电阻的要求。

关键词：工艺负荷; 分布式供能系统; 工艺专用接地; 高频接地

0引言

上海市质子重离子医院是一所提供质子重离子放疗的现代化放射肿瘤学治疗和研究机构,除了配备质子及碳离子放疗设备外,还配备了直线加速器系统、磁共振仪、CT机等大型临床诊断治疗设备。

本文重点介绍质子重离子医院的配电设计,以期为类似工程提供参考。

1工程概况

上海市质子重离子医院工程为一级负荷用电单位,其中通信系统、消防设备、应急与安全照明、安防系统、计算机网络机房、监护病房、抢救室、核磁共振仪、治疗用CT和X光机、治疗室电力照明、同步加速器装置、配套用冷冻冷却系统、配套用水处理系统为一级负荷,同步加速器装置配套用真空泵、工艺冷却泵、控制装置、机器人、成像设备等为一级负荷中的特别重要负荷,诊断用CT和X光机、客梯用电、高级病房等为二级负荷,其余为三级负荷。电业局提供二路互为独立的35 kV电源,二路电源同时运行,互为备用。共设三个变电所,其中1#变电所为35 kV总变电站,2#变电所设于西侧地下室,3#变电所设于东侧地下室,是PT设备的专用变电站。

2工艺负荷特点和电源设计

该工程的变配电系统是一个为大型医疗装置及其相关配套设施供电的电源系统,对系统的可靠性、稳定性及其电源的质量有很高的要求,同时负荷本身相对复杂。

2.1工艺负荷

从安全角度考虑,该工程中既有突然停电将会造成重大经济损失的工艺负载(如电磁铁),也有停电可能导致人员生命危险的工艺负载(如防辐射系统);同时与外方工艺团队签署了关于电源可靠性和工艺开机率的保证协议,可见电源的可靠性设计很重要。从电压等级考虑,专用的工艺设备,需采用不同于国内的电压等级;常规设备,需采用国内的工频电压。从电源特性考虑,有的负荷是大的谐波发生源(如电磁铁),也有对谐波耐受较差的控制类负荷。根据工艺的要求,不同性质的电源需用不同颜色的终端面板加以区分。

2.2电源设计

针对负荷特点,该工程变配电系统进行了针对性的系统设计,主要采用了“清污分流”,设置专用滤波设备和专用电能管理系统等。根据不同的负载性质,设置了6~7类不同等级的电源配置(如工艺用不间断电源,建安用柴油机电源等)。各种性质的电源需要适应不同的工况,以满足在不同情况下的开机或停机要求,即要求电源的可靠性,也需要在配电上具有灵活性。

该工程3#变电所总有9台变压器,其中设置5台工艺用变压器,变压器二次侧的电压等级根据工艺设备的电压等级设置。5台工艺变压器中,1台变压器为冗余,与其余4台变压器关系为4用1备,备用方式为热备用。根据工艺设备的开机率要求和负载特性进行设计,确保供应工艺设备的电源,在配电系统中任意一个元器件发生故障后,经短时停电即可恢复供电。PT设备专用变压器接线示意图如图1所示。

该工程的工艺冷却水泵有一组4用1备的水泵。除常规的工况外,在外部电源均失电的情况下需由柴油机供应1台机组,以确保机组安全停机和散热。在电气设计时需同时考虑2个不同性质的电源和各种工况下水泵的工作和备用。设计时采用了4台水泵进入工艺电源系统,1台水泵进入工艺用柴油机电源系统,并在4#、5#泵设置联锁开关,既满足了工艺的特殊要求,又兼顾供电系统的灵活性、可靠性,防止倒送电和柴油机状态下的过负荷。

310 kV快速切换热并方案

3.1快速切换需求分析

该工程工艺负荷需要24 h以上连续工作,其中一些大型设备短时停电后,需要快速恢复供电,以确保系统的安全。根据工艺的要求,后期在35 kV变电所的10 kV配电侧设置快速切换装置,实现当一路35 kV电源故障时,10 kV系统可以快速切换,主要设备可以快速恢复供电;当故障电源恢复正常后,可以热并车,避免供电恢复切换导致一些控制设备的二次停电。10 kV快速切换方案如图2所示。

3.2系统正常运行方式

系统正常运行方式为2路进线合闸,母联分闸,分段运行。

3.3事故情况下动作方式(假设Ⅰ段进线故障)

(1) 保护起动。起动条件通过1#变压器进线的主保护动作出口信号以及进线是否有电流来判断。当检测到Ⅰ段进线主保护动作出口信号及进线1无电流,起动1#快切装置,同时闭锁2#快切装置,断开1#进线开关,快速合上3#母联开关,保证10 kV装置变供电的连续性。

(2) 失压起动。当检测到Ⅰ段母线失压及进线1无电流,起动1#快切装置,同时闭锁2#快切装置,断开1#进线开关,快速合上3#母联开关,保证10 kV装置变供电的连续性。

3.4正常情况下起动和切换方式

正常情况下的检修(如进线检修,切换到母联工作)或倒闸操作(进线故障解除后,从母联恢复到进线),装置提供手动起动方式,通过手动操作转换开关,可实现检修和倒闸操作时供电的不中断。

3.5热并切换方式及环流计算

热并的条件为:两台35/10 kV变压器额定电压相等,相位相同,阻抗电压标准值相等,短路阻抗角相等,有载调压挡位一致。相位差相等可通过快速切换装置判断并实现。

考虑到热并方案存在短时间的并联运行,10 kV开关自动恢复。系统存在短时的并联运行,因此会产生环流。假定两台变压器之间有载调压存在一个挡位差,则上述条件产生的环流为91.6 A。因此,10 kV开关自动恢复时,预计产生的环流不大于91.6 A。

4分布式供能系统

该工程每天不仅需要消耗大量的电能,同时又消耗大量的蒸汽、热水和空调冷量等能源,即消耗的能源中包含了电能、热能和冷能三种能源。在我国鼓励开发利用天然气资源的背景下,该工程在设计时设置分布式供能系统。

图1　PT设备专用变压器接线示意图

4.1系统方案设计的原则

(1) 综合考虑系统的电、热水负荷及热利用方式,使热水、电供给都能自行平衡,在满足需求的前提下优化系统配置。

(2) 充分考虑初投资、运行费用、管理维护等因素。

图2　10 kV快速切换方案

(3) 符合当地的环保指标和消防要求。

(4) 该工程设置20多个不同类型的变压器,其中2台为建安动力变压器,其负载工作时间与分布式供能热水负载曲线接近。因此,分布式供能机组与建安动力变压器并网运行。

4.2热电联供发电机组的选择

根据DG/TJ 08-115—2008《分布式供能系统工程技术规程》,发电机组的容量应小于上级变压器容量的30%,在该项目中动力负荷用变压器容量为1 600 kVA,即发电机组应小于480 kVA(384 kW)。考虑到该医院需要大量的热水,而内燃机余热中有50%为缸套热量回收的热水,因此从技术经济、余热利用等方面考虑,采用天然气内燃机作为发电机组。

4.3分布式供能系统设计

依据能源梯级利用设计原则,分布式供能系统利用发电机组余热来实现。发电机组采用400 V输出,接入用户提供的一台变电器低压侧,实现自动同步并网。选择一台250 kW的天然气内燃机发电机组,余热用于生产生活热水。分布式供能系统示意图如图3所示。

图3　分布式供能系统示意图

4.4热电联供技术经济性分析

该方案增加投资费用约为420万元,每日运行16 h,年节约标煤为294 t,年节约能源运行费用约为82万元,静态回收期约为5 a,具有较好的经济性。

4.5分布式供能系统作为备用电源的讨论

目前分布式供能系统的发电原则上作为余热回收来使用,在设计原动机容量时常根据制热量进行计算和选取。相应地在系统运行时,制热负荷是设备运行的基础,原动机的发电量是根据制热量变化的,导致实际发电量也是浮动的。因此,一般小型系统的电能使用常采取并网的方式,即作为正常电网的补充。本文认为还没有全部开发出分布式供能系统在电气中的作用,原动机本身也可作为稳定的发电机使用,可作为非消防负荷的备用电源。在分布式供能的配电系统中设置两套配电母线,其中一段母线作为分布式供能常规使用,以达到节能减排的目的;另一段母线作为备用电源使用,当市电故障时将分布式供能的原动机优先作为发电机使用。当工作在备用电源状态时,稳定发电优于分布式供能。

上述方案在电气设计时较易实现,希望能共同商讨应用的可行性,并制定相应的行业规范和标准,也希望原动机的生产厂家能提供针对性的设备方案。

5工艺专用接地设计

该工程采用联合接地系统,除常规接地外,还设置了工艺用专用接地。工艺接地设备根据光速线的空间运行轨迹和工艺设备的布置进行设置,不但需与工频电源接地独立(达到“干净”接地的效果),还需在高频状态下满足高频接地电阻的要求,接地材质选用集肤效应更好的专用接地材质。

工艺设备接地和配电系统接地引自同一接地基础。其中配电系统接地采用TN-S系统,由变电所总等电位联结引出,通过配电系统连接至各个设备。工艺设备接地引自就近基础钢筋,并设置人工接地极,以达到接地电阻要求。因此,谐波电流无法通过中性线传递至工艺接地,满足了工艺“干净”接地的要求。电力控制中心接地示意图如图4所示。

图4　电力控制中心接地示意图

6结语

上海质子重离子医院的电气设计,除了医疗建筑的电气设计内容,还有很多特殊的设计。近几年以质子或重离子的作为治疗手段的医院或科研项目在国内陆续出现,本文可为类似的工程提供参考。

参考文献

[1]DG/TJ 08-115—2008分布式供能系统工程技术规程[S].

[2]中国航空工业规划设计研究院.工业与民用配电设计手册[M].3版.北京:中国电力出版社,2005.

[3]JGJ 16—2008民用建筑电气设计规范[S].

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《现代建筑电气》编辑部

俞　洋(1960—),男,高级工程师,从事建筑电气设计工作。

赵波(1982—),男,工程师,从事电动机控制器的设计与应用。

王君伟(1978—),男,从事自动化仪表方面的工作。

周佳(1988—),男,从事电机保护控制节能方面的工作。

邵桦(1989—),男,从事电机保护控制节能方面的工作。

孙　瑜(1980—),男,高级工程师,从事建筑电气方面的研究。

Power Distribution Design of Proton & Heavy Ion HospitalSUNYu

(Shanghai Institute of Architectural Design & Research Co., Ltd., Shanghai 200041, China)

Abstract：This paper introduced the power distribution design and characteristics of Shanghai proton & heavy ion hospital in aspect of technical load and power design,10 kV automatic switchover and synchronous parallel operation,distributed energy resource (DER)system,and technical grounding design.It is pointed out that the reliability and stability requirements of distribution system are higher.The DER system is realized by the waste heat of generating sets.The technical grounding quotes from the near foundation reinforcement to meet the requirements of the grounding resistance.

Key words:technical load; distributed energy resources(DER) system; technology special grounding; high frequency grounding

收稿日期：2015-03-30

中图分类号：TU 852

文献标志码：B

文章编号：1674-8417(2015)06-0001-05