高低壓配電級(jí)數(shù)及選擇性探討

陶云飛 / 連康龍 (深圳華森建筑與工程設(shè)計(jì)顧問有限公司， 北京 100048)

摘要簡述供配電系統(tǒng)中配電級(jí)數(shù)的考慮和設(shè)置、配電級(jí)數(shù)與保護(hù)級(jí)數(shù)的區(qū)別及聯(lián)系，并闡述了實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)各級(jí)保護(hù)的選擇性需采取的技術(shù)措施。

關(guān)鍵詞配電級(jí)數(shù) 保護(hù)級(jí)數(shù) 選擇性

AbstractThe consideration and the setting of distribution series in the power supply distribution system and the differences and relationship between distribution series and protection series are introduced, and the technical measures need to take to realize the distribution of selective are described.

Keywordsdistribution series, protection series, selectivity

0概述

本文主要論述民用建筑10kV及以下供配電系統(tǒng)中配電級(jí)數(shù)和保護(hù)選擇性的問題。《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50052-2009)4.0.6條“供配電系統(tǒng)應(yīng)簡單可靠，同一電壓等級(jí)的配電級(jí)數(shù)高壓不宜多于兩級(jí)；低壓不宜多于三級(jí)”。此條雖不是硬性要求，但應(yīng)弄明白配電級(jí)數(shù)不宜太多的原因，在設(shè)計(jì)過程中，當(dāng)條件許可時(shí)應(yīng)盡量減少配電級(jí)數(shù)。

配電級(jí)數(shù)可以理解為對(duì)電能進(jìn)行分配的次數(shù)，即經(jīng)過一個(gè)配電柜、箱認(rèn)為是一級(jí)配電，如圖1所示，左側(cè)圖有三級(jí)配電，右側(cè)圖有二級(jí)配電。從圖1中可以看到，配電級(jí)數(shù)少則配電系統(tǒng)簡單，管理維護(hù)方便，故障率也低。因此重要的供電系統(tǒng)應(yīng)盡量減少配電級(jí)數(shù)。

圖1　配電級(jí)數(shù)的示意

1高壓配電級(jí)數(shù)

根據(jù)規(guī)范要求，高壓10kV配電系統(tǒng)同一電壓的配電級(jí)數(shù)不宜超過兩級(jí)，例如由低壓側(cè)為10kV的地區(qū)變電站配電至10kV用戶變電所，再從該變電所以10kV配電給變壓器，則認(rèn)為10kV配電級(jí)數(shù)為兩級(jí)。

當(dāng)存在如下情況時(shí)，供電部門會(huì)在變電站與用戶變電所之間增設(shè)10kV開關(guān)站：

1)變電站中壓饋線開關(guān)柜數(shù)量不足。

2)變電站出線走廊受限。

3)為減少相同路徑的電纜條數(shù)。

4)為大型住宅區(qū)的若干個(gè)擬建配電室供電。

圖2所示為單路電源，中間增設(shè)10kV開關(guān)站的三級(jí)10kV配電系統(tǒng)。

圖2　10kV三級(jí)配電示意圖

高壓配電級(jí)數(shù)過多，繼電保護(hù)整定時(shí)限的級(jí)數(shù)也隨之增多，而電力系統(tǒng)容許繼電保護(hù)的時(shí)限級(jí)數(shù)對(duì)10kV來說通常只限于兩級(jí)，如配電級(jí)數(shù)太多，則中間一級(jí)勢必要與下一級(jí)或上一級(jí)之間無選擇性。

用戶變電所的上級(jí)電源一般由供電部門決定，當(dāng)供電容量較大，對(duì)可靠性要求較高時(shí)可直接從上級(jí)變電站引接電源。用戶內(nèi)部10kV變電所宜直接配電給變壓器，不宜再設(shè)二級(jí)10kV配電。

當(dāng)工程體量較大，用戶內(nèi)部必須設(shè)多處變電所時(shí)，10kV配電可以采用下述配電方式。

1)10kV放射式配電。當(dāng)總變電所與分變電所位于同一建筑物內(nèi)部或通過走道相通時(shí)，可以采用圖3所示的配電方式。分變電所變壓器不設(shè)保護(hù)，就地設(shè)負(fù)荷開關(guān)，保護(hù)在總變電所完成。

圖3　多處變電所10kV配電示意圖

2)當(dāng)分變電所距離主變電所較遠(yuǎn)、內(nèi)部變壓器數(shù)量多時(shí)，可考慮高壓在分變電所內(nèi)做二級(jí)配電。如圖4所示，在超高層建筑地上避難層設(shè)分變電所，內(nèi)設(shè)4臺(tái)1 000kVA變壓器，此時(shí)分變電所采用負(fù)荷開關(guān)熔斷器對(duì)變壓器進(jìn)行保護(hù)。

圖4　10kV二次分配示意圖

分變電所也可以采用斷路器保護(hù)，參見圖集《超高層建筑電氣設(shè)計(jì)與安裝》(14D801)第12頁。由于此方案多一級(jí)配電，繼電保護(hù)難以整定，不是最佳方案。

2低壓配電級(jí)數(shù)

規(guī)范要求低壓配電系統(tǒng)的配電級(jí)數(shù)不宜多于三級(jí)，例如從10/0.4kV變電所低壓配電屏至配電室分配電屏，由分配電屏至動(dòng)力配電箱，由動(dòng)力配電箱至終端用電設(shè)備，則認(rèn)為380V配電級(jí)數(shù)為三級(jí)。在設(shè)計(jì)過程中，要滿足重要用電設(shè)備配電級(jí)數(shù)不多于三級(jí)，普通用電配電級(jí)數(shù)不宜多于四級(jí)。

圖5為地下室消防風(fēng)機(jī)的配電，是設(shè)計(jì)人員常用的幾種方式。左側(cè)配電方式中配電級(jí)數(shù)達(dá)到四級(jí)，嚴(yán)格來說不符合規(guī)范要求，按圖5中右側(cè)的配電方式，雖然從變電所的出線回路增加了，但滿足了三級(jí)配電的要求。

圖5　低壓配電級(jí)數(shù)示意圖

樹干式配電是否算一級(jí)？許多人對(duì)此有疑問。配電級(jí)數(shù)指電源分配的次數(shù)，而電源分配有多種方式，放射式、樹干式及鏈?zhǔn)降?。故本文將樹干式配電作為一次配電?jí)數(shù)考慮。

3配電級(jí)數(shù)與保護(hù)級(jí)數(shù)的區(qū)別

供電電源在分配的過程中，每一級(jí)配電箱柜都會(huì)有總進(jìn)線開關(guān)和多個(gè)分支出線開關(guān)，各級(jí)配電的總開關(guān)與分開關(guān)之間就會(huì)產(chǎn)生上下級(jí)的保護(hù)選擇性問題。同一條線路在上級(jí)出線端及下級(jí)進(jìn)線端兩個(gè)開關(guān)之間也會(huì)存在保護(hù)選擇性問題。

如圖6所示，當(dāng)K4配出回路發(fā)生故障時(shí)，能實(shí)現(xiàn)K4動(dòng)作，而K3、K2和K1不動(dòng)作，這種設(shè)計(jì)滿足保護(hù)選擇性的要求。如果每級(jí)開關(guān)都可能隨機(jī)動(dòng)作，造成事故面的擴(kuò)大，則認(rèn)為設(shè)計(jì)不滿足選擇性要求。

一個(gè)有效的配電保護(hù)系統(tǒng)能精確識(shí)別故障和快速動(dòng)作，做到清楚發(fā)生故障的原因和地點(diǎn)，避免不必要的脫扣，確保供電的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

圖6　配電級(jí)數(shù)與保護(hù)級(jí)數(shù)示意圖

在配電線路中，將起保護(hù)作用的開關(guān)作為一個(gè)保護(hù)級(jí)數(shù)，則圖6中有二級(jí)配電四級(jí)保護(hù)，如果配電柜2的進(jìn)線開關(guān)K3改為不具有保護(hù)功能的隔離開關(guān)，則認(rèn)為該系統(tǒng)具有三級(jí)保護(hù)。由此可見，配電級(jí)數(shù)要少于保護(hù)級(jí)數(shù)，究竟什么時(shí)候需要設(shè)保護(hù)開關(guān)，應(yīng)該根據(jù)工程具體需要設(shè)計(jì)。保護(hù)級(jí)數(shù)過多，要達(dá)到上下級(jí)保護(hù)之間的選擇性將較難實(shí)現(xiàn)或不夠經(jīng)濟(jì)，所以設(shè)計(jì)中也應(yīng)盡量減少保護(hù)級(jí)數(shù)。

配電線路裝設(shè)的上下級(jí)保護(hù)電器，其動(dòng)作選擇性分為完全選擇性、不完全選擇性和無選擇性三種，且各級(jí)保護(hù)之間的選擇性配合，應(yīng)根據(jù)負(fù)荷的重要程度和管理維護(hù)的需要確定。

圖6配電柜2中，K3與K4屬于上下級(jí)關(guān)系，之間有保護(hù)選擇性配合的問題，但K2與K3屬于同一線路，二者跳閘造成的停電范圍是一樣的，因此K2與K3兩個(gè)開關(guān)之間的選擇性便應(yīng)根據(jù)管理維護(hù)的方便確定。

4高壓開關(guān)的選擇性配合

常見高壓10kV開關(guān)保護(hù)包括定時(shí)限的過電流保護(hù)及電流速斷保護(hù)。以圖7為例，K1為變電站出線開關(guān)，K2為變電所進(jìn)線開關(guān)，K3為變壓器的保護(hù)開關(guān)，討論開關(guān)K1與K2及K2與K3之間的選擇性配合問題。

圖7　高壓開關(guān)的選擇性示意圖

4.1過電流保護(hù)上下級(jí)配合

過電流保護(hù)應(yīng)躲過線路的最大負(fù)荷電流，包括正常過負(fù)荷電流和尖峰電流，以免在線路通過正常的過負(fù)荷電流時(shí)保護(hù)裝置誤動(dòng)作。

假設(shè)用戶變電所線路K點(diǎn)發(fā)生相間短路，由于短路電流遠(yuǎn)大于線路上各個(gè)開關(guān)處的最大負(fù)荷電流，所以沿線的K1、K2及K3的過電流保護(hù)裝置均要啟動(dòng)，為了保證選擇性只讓K3開關(guān)動(dòng)作跳閘，此時(shí)可通過每級(jí)開關(guān)的動(dòng)作時(shí)限加以區(qū)別，如K3延時(shí)時(shí)間T1，則K2延時(shí)時(shí)間按T1+Δt考慮。過電流保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限按階梯原則考慮，如K3開關(guān)設(shè)定0.5s動(dòng)作，K2設(shè)定0.7s動(dòng)作，K1設(shè)定0.9s動(dòng)作，這樣可以保證上下級(jí)開關(guān)的選擇性。實(shí)際工程中上述繼電保護(hù)時(shí)間應(yīng)由供電部門綜合考慮。

4.2速斷保護(hù)上下級(jí)配合

如果全部按照階梯原則時(shí)間疊加，那么越靠近電源處的保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)間越長，會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成很大的影響。故規(guī)范要求當(dāng)過電流保護(hù)的時(shí)限大于0.7s時(shí)，應(yīng)裝設(shè)瞬動(dòng)的電流速斷保護(hù)裝置。為了保證前后兩級(jí)速斷保護(hù)的選擇性，每級(jí)開關(guān)速斷保護(hù)的動(dòng)作電流應(yīng)按躲過它所保護(hù)的線路末端的最大三相短路電流來整定。

如圖7中，K1速斷保護(hù)動(dòng)作電流應(yīng)大于K’點(diǎn)三相短路電流值，只有這樣，當(dāng)K2右側(cè)線路短路時(shí)，才能保證K2開關(guān)動(dòng)作，同時(shí)K1的速斷保護(hù)不會(huì)動(dòng)作，則二者之間具有了選擇性。但是在K2點(diǎn)左側(cè)的部分區(qū)域線路發(fā)生短路時(shí)K1也可能不動(dòng)作，即速斷保護(hù)存在保護(hù)死區(qū)，此時(shí)就要靠過電流保護(hù)作為主保護(hù)。

實(shí)際工程中由于配電線路WL1較短，K1既要躲過K’點(diǎn)的三相短路電流，又要保證WL1線路首端最小運(yùn)行方式下兩相短路電流能可靠跳閘，往往導(dǎo)致繼電保護(hù)的配合很難實(shí)現(xiàn)，尤其對(duì)于K2與K3之間的速斷保護(hù)選擇性更難實(shí)現(xiàn)。

如在上下級(jí)速斷保護(hù)中增加0.1～0.3s的時(shí)間級(jí)差，則能很好地解決保護(hù)選擇性問題，但在實(shí)際工程中，變電站的出線開關(guān)K1及K2、K3的速斷保護(hù)時(shí)間通常設(shè)為0s，算上斷路器固有動(dòng)作時(shí)間40～60ms，繼電保護(hù)的響應(yīng)時(shí)間30～40ms，則各級(jí)開關(guān)的全分?jǐn)鄷r(shí)間約100ms。

當(dāng)末端采用負(fù)荷開關(guān)——熔斷器保護(hù)變壓器時(shí)，由于熔斷器能快速切除短路故障電流，動(dòng)作時(shí)間可以短至20ms，這樣與上級(jí)開關(guān)全分?jǐn)鄷r(shí)間100ms有個(gè)很好的配合。這在住宅小區(qū)變電所設(shè)置中有較多應(yīng)用，由于負(fù)荷開關(guān)分?jǐn)噢D(zhuǎn)移電流的能力所限，在我國的多數(shù)地區(qū)只允許使用保護(hù)容量在1 250kVA以下的變壓器。

5低壓開關(guān)的選擇性配合

《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50054-2011)6.1.2“配電線路裝設(shè)的上下級(jí)保護(hù)電器，其動(dòng)作特性應(yīng)具有選擇性，且各級(jí)之間應(yīng)能協(xié)調(diào)配合。非重要負(fù)荷的保護(hù)電器，可采用部分選擇性或無選擇性切斷”。

在低壓配電系統(tǒng)中上下級(jí)開關(guān)的保護(hù)配合，過載保護(hù)容易實(shí)現(xiàn)，只要根據(jù)脫扣器的脫扣曲線，上下級(jí)開關(guān)的電流值保持1.3倍的級(jí)差基本可以實(shí)現(xiàn)有選擇性的保護(hù)。對(duì)于短路短延時(shí)和短路瞬時(shí)保護(hù)則較為復(fù)雜。對(duì)上下級(jí)開關(guān)選擇性保護(hù)通過電流選擇性、時(shí)間選擇性、區(qū)域邏輯選擇性及能量選擇性實(shí)現(xiàn)，具體原理可以查閱相關(guān)資料。

圖8　低壓開關(guān)的選擇性示意圖

在低壓配電系統(tǒng)中，以圖8為例，變電所低壓柜配電到某區(qū)域配電箱1，再配電到某個(gè)房間配電箱2，各級(jí)開關(guān)之間的保護(hù)分析如下。

低壓柜內(nèi)主進(jìn)開關(guān)K1及出線開關(guān)K2都按照選擇型B類斷路器設(shè)計(jì)，采用電子脫扣器保護(hù)。兩者的長延時(shí)及短延時(shí)均設(shè)電流級(jí)差及時(shí)間級(jí)差，則可以達(dá)到完全選擇性。

當(dāng)圖8中K3、K5按隔離開關(guān)設(shè)計(jì)，則K2與K4之間及K4與K6之間的選擇性配合就較容易實(shí)現(xiàn)。由于K2與K4位于上下級(jí)配電箱的出線，其開關(guān)額定電流值一般會(huì)存在較大級(jí)差(同時(shí)要滿足K2的短延時(shí)動(dòng)作電流值大于K4瞬時(shí)動(dòng)作電流值)，另外K2未設(shè)瞬動(dòng)，當(dāng)K4后線路短路故障時(shí)，K4會(huì)先于K2動(dòng)作跳閘。而K4與K6之間電流級(jí)差達(dá)到2級(jí)或以上時(shí)，根據(jù)產(chǎn)品提供的能量選擇性參考表，一般也能滿足選擇性要求。

當(dāng)K3采用斷路器，配電箱1內(nèi)部短路，如短路電流較大，此時(shí)K3瞬動(dòng)及K2短延時(shí)同時(shí)啟動(dòng)，由于K3瞬動(dòng)時(shí)間一般為3～20ms，故K3先動(dòng)作跳閘，具有選擇性。當(dāng)短路電流較小，在800～2 000A時(shí)，K2短延時(shí)啟動(dòng)，而K3瞬動(dòng)元件不動(dòng)作，這種情況下無選擇性。

當(dāng)K5采用斷路器時(shí)，由于K4為非選擇性斷路器，二者選用同樣電流規(guī)格的開關(guān)時(shí)，就沒有選擇性，由于這是同一個(gè)負(fù)荷配電線路末端，允許無選擇性。但有些設(shè)計(jì)人員常將K4的電流值提高1、2個(gè)等級(jí)，認(rèn)為這樣可以具有部分選擇性，這樣做并不是很合適。由于線路WL1截面是根據(jù)K4來設(shè)計(jì)的，K5限制了線路提供電能的能力，既加大了導(dǎo)線成本也不能確保K4、K5之間的選擇性。根據(jù)廠家對(duì)限流斷路器的測試結(jié)果，當(dāng)上下級(jí)開關(guān)額定值差到2級(jí)以上時(shí)才能保證有選擇性，故沒有特殊要求時(shí)，配電箱進(jìn)線開關(guān)應(yīng)優(yōu)先采用隔離開關(guān)。

6結(jié)束語

以上是本人對(duì)供配電級(jí)數(shù)與保護(hù)的簡單認(rèn)識(shí)，論述過程中對(duì)靈敏度系數(shù)、可靠系數(shù)及一些小概率事件未做考慮，有不準(zhǔn)確的地方請(qǐng)同仁批評(píng)指正。

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Wang Zhenghao