何 军， 赵 骥

(广东省建筑设计研究院，广州 510010)

图1 项目鸟瞰图

获奖介绍

获奖等级：一等奖

获奖单位：广东省建筑设计研究院

获奖人员：陈建飚；何军；赵骥；庄孙毅；龚仕伟；钟世权；周一锋；高健

获奖专家评语：经专家组评审，认为该工程所采用的主要技术有突出的创新性和经济性，社会和环境效益非常显著，项目具有如下技术特点。

(1)设置110kV/10kV总变电站，确保供电高可靠性。

(2)采用了有效的防辐射屏蔽处理措施，所有电气管道采用防辐射预埋件，在混凝土墙中采用“迷宫”敷设，防辐射密闭封堵。吸气式火灾报警系统通过专用排气管将采样气体排放回原有涉放采集区域，设置迷宫避免射线穿越管道。

(3)采用优化控制策略，实现工艺多种运行模式，满足装置工艺对环境的高精度要求。

(4)电气设计采用BIM技术，实现了在狭小隧道内大量电缆桥架、管线的敷设。

该项目获得了省勘察设计协会电气专项一等奖，各项主要指标达到建筑电气设计行业的国际先进水平。

项目指标

项目名称：中国散裂中子源项目一期工程(主装置区及附属设备区)

项目地点：东莞市大朗镇

占地面积：26.76ha

总建筑面积：约6.7万m2

建筑高度：约27m

建筑功能：国家重大科学实验装置

建设单位：中国科学院高能物理研究所

竣工时间：2017年04月28日

图2 项目室内照片(RCS设备楼环隧道)

1 项目总体介绍

中国散裂中子源项目(CSNS)是我国“十一五”期间重点建设的大科学装置，列入国家中长期科学和技术发展规划。建成后将成为发展中国家拥有的第一台散裂中子源实验装置，并使中国进入世界四大拥有散裂中子源行列的国家，成为世界四大主要脉冲散裂中子源科学中心之一，将为国内外科学家提供世界一流的中子科学综合实验基地。中子源主装置建设包括1台强流质子直线加速器、1台快循环同步加速器、1个靶站、5台中子谱仪等设施和科学实验测试系统。为与这些主要装置配套，还需建设装置建筑物、供水电、空调、安全防护设施等。

中子源项目选址于广东省东莞市大朗镇，规划工程用地面积26.76ha，建筑面积约6.7万m2，规划分为主装置区、辅助设备区和实验配套区3个区。其中，主装置区包括直线设备楼(面积4 696m2)、RCS设备楼(面积11 165m2)、LRBT设备楼(面积933m2)、RTBT设备楼(面积779m2)、靶站设备楼(面积12 634m2)、排风中心(面积684m2)，以及贯穿所有地面设备楼建筑的超长地下隧道层(面积 2 286m2)； 辅助设备区包括两个测试实验楼、维修站及仓库、冷冻站、辐射防护实验室等；实验配套区包括综合实验楼和综合服务楼。

2 电气设计系统

系统名称建设内容技术特点及指标供配电系统(1)园区内设置一座110/10kV总变电站,总变电站3路110kV进线,要求至少来自2个不同高压电网(总变电站不属于本工程范围)(2)园区分别在直线设备楼、RCS设备楼、靶站设备楼、冷冻站、测试实验楼1、测试实验楼2、综合实验楼、综合测试楼设置10/0.38kV变配电所(3)直线设备楼、靶站设备楼:各设两路10kV进线电源,分别引自园区110kV总变电站的两个10kV母线段。低压主用电源由本楼变电所供给,另各设一路低压备用电源由RCS变配电所低压系统提供(4)RCS设备楼:设四路10kV主用进线电源,分别引自园区110kV总变电站的两个10kV母线段。另设一路10kV备用进线电源,由园区第三电源提供,备用电源(第三电源)仅在园区两路主电源均停电后,维持园区的非工艺一级负荷及其他日常负荷用电。低压电源由本楼变电所供给,同时向直线楼、靶站、排风中心、冷冻站提供低压备用电源(5)LRBT设备楼:低压电源由RCS变电所供给(6)RTBT设备楼:低压电源由靶站变电所供给(7)排风中心:主用低压电源由冷冻站变电所供给,工艺排风设备的备用电源由RCS变电所供给(8)测试实验楼1/2:各设一路10kV进线电源,分别引自110kV总变电站的两段10kV母线段,两个实验楼之间设一路10kV联络开关。低压主用电源由本楼变电所供给(1)项目总计算负荷为3.96万kW,变压器及高压直接供电设备安装总容量为58 620kVA(2)主装置区各建筑、冷冻站的工艺实验设备、水冷系统、与实验相关的空调通风系统、辐射防护系统、消防设备、应急照明系统、弱电系统等用电为一级负荷;其余为三级负荷(3)各变电所均采用单母线分段运行方式,二路10kV高压同时工作、互为备用。在实验设备运行期间,如需要进行进线电源切换,在得到供电部门许可,满足并列运行条件情况下,10kV母联开关允许先手动合闸,系统短时并列运行,之后再及时断开其中一路进线开关,由另一路电源供所有负荷配变电所(1)直线设备楼变电所变压器安装容量为5 000kVA(2×2 500kVA)(2)RCS变电所变压器安装容量为15 000kVA(6×2 500kVA)。RCS电源厅工艺变压器安装容量为9 000kVA(5×1 000kVA+8×500kVA)(3)靶站变电所变压器安装容量为10 000kVA(4×2 000kVA+2×1 000kVA)(4)测试楼1及测试楼2变电所变压器安装容量均为1 000kVA(1×1 000kVA)(5)冷冻站变电所变压器安装容量为7 500kVA(3×2 500kVA)(1)不同的设备楼分别设置变电所,变电所的设置在不影响实验工艺流程的前提下,尽可能靠近负荷中心,减少供电距离,方便管理及使用(2)受项目面积所限,在保证规范要求及安全距离的条件下,主装置区变配电所采取紧凑布置,变压器、高低压柜设置在同一变电所房间内自备应急电源不设发电机组,重要负荷采用EPS、UPS供电

续表

图3 冷冻站变配电房

3 电气技术主要创新点

3.1 提高用电可靠性，提升电能质量，实现高质量的电力监控

本项目作为国家重大科研实验装置，为国内外科学家提供世界一流的科学综合实验基地，用电负荷高，一年中除了特定检修时间外，全部设备均几乎不停机运行。运行期间一旦由于停电造成意外停机事故，将使科研实验停止，影响实验数据收集。恢复供电后，设备重新开机还需长时间的设备联调和预热，会造成重大的能耗及经济损失。因此，项目对供电可靠性要求非常高，要求供电保障能确保全年无故障运行；即使电源端需要有计划地进行电源切换，也需保证不断电无缝切换。

项目主装置区各变电所均采用单母线分段运行方式，两路10kV电源供电，两路电源同时工作，互为备用。同时，为保证在运行期间对进线电源线路进行不断电切换，系统允许在满足并列运行条件的情况下，10kV母联开关允许先手动合闸，系统短时间并列运行，之后再及时断开其中一路进线开关，由另一路电源供所有负荷。

另一方面，本项目是进行微分子级的科学实验，为工艺设备供电电源的电能质量也就成为影响实验数据结果的因素之一。在供配电系统的设计方面，尽量在设备末端处根据工艺要求设置有源或无源滤波器，减少谐波对设备运行的影响，提高电能质量。同时，为加强电能质量管理，提高管理水平，使用户的用电系统更安全、更节能、更洁净，项目设置了一套全面的高质量电力监控系统，重点对供电系统的谐波分析、波形捕捉、扰动和波动进行监测。在各变电所10kV电源进线端，特别设置一个高级的多功能监测仪表，对电源每个周波进行1 024 点采样，对电源电压骤升/骤降监测、电压波动及闪变分析，用于日后实验结果数据结合电力监控数据的综合分析。该电力监控系统还包括：电力系统的运行监视、远程控制、报警和事件管理、历史数据及报表管理、用户管理等功能。

3.2 优化电气管线路由，采用BIM技术进行管线综合设计

中子源的主装置区隧道、靶心等区域带有一定的放射性，为控制放射区域内放射性物质外泄，对电缆的敷设提出了很高要求。所有进出涉放区域的电气管道必须采用防辐射预埋件或在混凝土墙中采用“迷宫”敷设，并进行防火及防辐射密闭封堵处理(射线在反射和折射后衰减很大，采用“Z”字型埋管能有效减少辐射泄露)。

由于电气、工艺及控制线缆数量众多，功能类型多样、电压等级也有很大差别。在设计时，各设备楼、隧道等区域均设计了多层桥架，按用途、电压等级对电缆进行分类敷设，并反复核算电缆及桥架的重量、拐弯半径，同时用切割剖面并运用BIM技术对桥架及其他设备管线进行管线综合设计。本项目是我国较早使用BIM技术进行管线综合设计及各专业设计校核的一个项目。在管线的安装敷设处理上，对于需要敷设多层桥架及其他设备管线的位置，统一在墙柱面上预置U型槽支架，便于日后管线安装敷设及扩展。

3.3 根据空间及场所性质，合理选用火灾探测器，保证检测效果

中子源项目火灾自动报警系统采取“集中控制、分区管理”的监控模式，根据现场实际情况，运用多种探测技术进行火灾探测报警。对于一般非涉放场所，采用传统烟温感探测器，电气桥架处敷设感温电缆；对于高大空间的非涉放区域，采用线型光束感烟探测器或吸气式火灾报警系统。对于有放射性物质产生的“涉放”隧道区域，由于常规的火灾探测设备(如烟温感、线型光束探测器等)在使用一定时间后受到辐射影响，其电子设备容易损坏失效或产生误报。本项目涉放区域采用吸气式火灾报警系统(空气采样)，并在该区域内容易发生火灾危险的电缆桥架内设置感温电缆。两种探测设备的主机均安装于非涉放区内，仅把采样管和感温电缆设置在涉放区内，避免主机设备受到辐射损坏。吸气式火灾探测装置的吸、排气还坚持在涉放区就地取排原则，探测后的采样空气通过专用排气管排放回原有涉放采集区域，进排放管穿越涉放区域时还需采用“迷宫”设计。这种设计大大降低了火灾探测设备受辐射的影响，方便设备维护，并满足了辐射防护屏蔽要求。

3.4 精确可靠的自控设计，保证通风要求

中子源工艺隧道总长约2km，根据工艺辐射防护及暖通专业要求，涉放隧道通风根据辐射剂量大小分区域设置不同的负压等级，并形成精确的负压梯度，辐射剂量大的区域空气不得流入剂量小的区域。同时，隧道等区域的新排风系统根据工艺运行模式又分为多种运行状态。这对通风系统的自动控制提出了更高要求。电气专业结合暖通专业的要求确定了控制原理，采用硬线联锁结合PLC控制技术，较好地完成了设计，保证系统可靠运行，基本实现了负压梯度的精确控制。

4 电气节能措施

4.1 变电所深入负荷中心

中子源项目用电负荷大而且集中，受项目建筑面积所限，在不影响实验工艺流程的前提下，将变电所设置在主装置区的设备楼内，尽可能靠近负荷中心，减少供电距离，方便管线敷设。在保证规范要求及安全距离的条件下，变电所采取紧凑布置，变压器、高低压柜设置在同一变电所房间内，尽量减少占用主工艺建筑面积。

4.2 设置备用电源

考虑到园区实验装置停机检修期间，主装置区用电负荷较小，仅有少量的检修维护用电，变压器负荷率极低，损耗较大。因此，在主装置区各变电所的非工艺用电低压母排上，设置了低压备用进线开关。在检修维护低负荷运行模式时，停止各设备楼主变压器供电，由主装置区靠中心位置的RCS设备楼变电所的变压器统一提供各设备楼的维护用电，降低变压器损耗。

5 项目自我评价

中国散裂中子源项目是现今我国最大的科学装置，与正在运行的美国、日本与英国散裂中子源一起，构成世界四大脉冲散裂中子源。项目具有国家历史重要性及其专业性质的特殊性。