牛光宏 / 蔣鵬贊

(世源科技工程有限公司，北京 100142)

大型光電顯示器件工廠供配電系統設計中可靠性問題研討

牛光宏 / 蔣鵬贊

(世源科技工程有限公司，北京 100142)

通過實例分析項目建設中供配電系統調試及試運行階段出現的問題及原因，運用ETAP軟件及現場調整處理問題的過程， 說明在工廠電氣設計中，新方法的引入、經驗的積累、對象的深入了解等是提高系統可靠性的有效途徑。

供配電系統 可靠性 ETAP

0 引言

近些年國內陸續(xù)投入了多個百億投資的大型光電顯示器件工廠(以下簡稱“工廠”)，對行業(yè)和當地經濟生活都有很大影響，安全、按時完成項目建設且保證生產的正常運行相當重要。而隨著工廠規(guī)模的不斷增大，供配電系統設計工作越發(fā)繁重，系統安全、可靠地投入及運行的重要性愈加凸顯。因此，本文通過分析項目建設中系統調試及試運行過程中出現的問題，說明在設計過程中要對系統各環(huán)節(jié)的可靠性給予足夠的重視。

1 供配電設計(工廠配變電所系統設計部分)

1.1 供配電系統

由于容量和安全可靠性方面的需求，工廠絕大部分負荷為一級負荷，建設有專用的110/220kV站，兩路 110/220kV市電電源互為備用。工廠所有10/20kV配變電所均采用單母線分段接線方式，母線再以放射式向各變壓器供電。除市電供電外，工廠還設有10/20kV應急柴油機發(fā)電系統和局部UPS電源系統。其中，高/低壓設備基本采用ABB、西門子、施耐德、GE等公司產品，變壓器多用ABB、順特、卡特/科勒柴油發(fā)電機組和歐美日系UPS裝置。完善的供配電系統構成，知名品牌設備的選擇，為工廠安全可靠生產打下了良好的基礎。

1.2 繼電保護及連鎖

在項目建設的電氣設計中，繼電保護整定以及短路計算歷來是耗時費力的，且計算結果精度不高，實際上，更多是根據經驗將步驟簡單化、固定化，但往往滿足不了實際工況，很容易因繼電保護定值不當而引發(fā)電氣事故。

此外，由于系統裝設容量高達300～400MVA、10/20kV線路多至三十幾條、各等級變壓器近200臺，在設計周期不足6個月的情況下，采用傳統手工計算、人工繪制TCC(Time-Current Curve)曲線的方法顯然難以確定繼電保護定值。因此只有引進新的手段和方法才有可能解決當前難題。

本文選取了幾個在電力系統中引入了ETAP綜合分析計算軟件的項目實例，通過核算整定值及分析事故原因，進而提出了解決方案。

1.3 實例一

1.3.1 事件

一配變電所20kV出線電纜終端頭施工時出現問題，導致單相接地故障，隨后，配變電所20kV進線開關和出線開關未能及時動作、專用220kV變電站(以下簡稱“變電站”)內20kV出線開關和接地變壓器開關同時動作、主變壓器20kV側開關和接地變壓器開關聯動斷開(廠區(qū)內20kV母聯開關具有備自投功能)，但此時故障仍未消除，致使變電站另一臺主變20kV側開關斷開、廠區(qū)市電電源全部失電，只能啟動柴油發(fā)電機進行全廠應急負荷工作。1.3.2 分析

該事件反映出：變電站內20kV出線開關與接地變壓器開關在動作時間上失去了選擇性，廠區(qū)內20kV進線開關和出線開關動作不及時導致出現越級跳閘，造成停電范圍擴大；而廠區(qū)內20kV母聯開關的備自投功能本來是保證供電可靠性的有力措施，但由于出線開關未及時動作，進一步導致了停電范圍的擴大，從而造成全廠市電電源全部失電。

由此可以推斷，開關越級跳閘是導致全廠停電的主要因素，現本文通過ETAP搭建簡單模型(見圖1)進行分析。

圖1 簡單系統模型

圖1可見，變電站內含20kV Bus、CB-1 20kV出線開關及綜保裝置CB-1-Relay(Cable-1為變電站20kV出線電纜)；配變電所內含進線開關CB-2、出線開關CB-3及相應綜保裝置等。其中，20kV母線采用分段單母線結構形式。

結合上述實例可知，此次故障發(fā)生的位置為T1-HV點，而CB-3和CB-2未及時動作、CB-1零序保護動作，進而引起一系列故障，最終導致全廠停電。

各開關的零序保護設置情況參見表1。調整前的TCC曲線參見圖2。

表1 繼電保護(零序保護)定值

圖2 TCC曲線(調整前)

由表1和圖2可以明顯看出，CB-2、CB-3的開關零序保護動作時間超過了CB-1，是造成越級跳閘的主要原因。

1.3.3 處理

處理方法為：高壓電纜終端頭更換，變電站保護定值調整，廠區(qū)內高壓零序保護定值調整。

廠區(qū)高壓零序保護定值調整情況參見表2。調整后的TCC曲線參見圖3。

表2 繼電保護(零序保護)定值(調整后)

圖3 TCC曲線(調整后)

廠區(qū)高壓零序保護主要考慮躲過正常的不平衡電流，并配合上下級時間，表2和圖3表明：調整后的定值解決了越級跳閘現象，提高了供電可靠性。

1.4 實例二

1.4.1 事件

在調試過程中，同一防火分區(qū)內的12臺消防風機同時啟動，為其提供用電的變壓器高壓側開關有過流保護動作。

1.4.2 分析

從該事件推斷：變壓器高壓側開關為誤動作。

各開關的繼電保護設置情況參見表3。調整前的TCC曲線參見圖4。

表3 繼電保護定值

表3中，I1n、I2n分別為變壓器(T1)高、低壓側額定電流值。

從圖4中可以看出，12臺消防風機同時啟動時，電流實測為2 200A左右，時間持續(xù)2～3s，為其提供電源的變壓器大部分為重要負荷，需手動切除。調試前，該變壓器運行電流為2 706A，負荷率高達75%，同時啟動風機時，變壓器低壓側電流為2 706+2 200=4 906A，約為3 608A(變壓器二次側額定電流)的1.36倍，同時達到了CB-4的過流保護和CB-4的長延時保護的電流定值；但是由于持續(xù)時間較短(2～3s)，率先滿足了CB-3的過流保護時間定值，這才出現了過流保護動作。

綜上分析，可以認定現有定值存在問題，主要是CB-3的過流保護時間定值設置過短，未充分考慮實際運行需要，故無法保證可靠不動作。

1.4.3 處理

處理方法為：調整CB-2、CB-3、CB-4 保護定值(參見表4)。調整后的TCC曲線參見圖5。

表4 繼電保護定值

圖5 TCC曲線(調整后)

從圖5可以看出，進行定值調整后，基本解決了目前定值的選擇性和可靠性問題。

從上述兩個實例看，ETAP軟件在繼電保護定值計算以及越級跳閘事故分析上有著獨到之處，簡潔明了是其突出特點。該軟件自1986年發(fā)布起每年都有更新，具有覆蓋供配電系統各類計算模塊二十多個，現國內多家企業(yè)已經開始引進該軟件，并應用在諸多項目上，計算精度和工作效率都提高了不少。

深入研究ETAP軟件并在設計過程中加以應用，應該是提高供配電系統整體可靠性的可行方法。

2 電力配電設計(工廠低壓及6/10kV大型設備配電部分)

電力配電是工廠供配電系統的重要部分，經過多個工廠項目建設，電力配電設計日趨成熟，已形成了一套完整的、有針對性的設計方法。此類工廠電力配電方式多采用放射式，配電環(huán)節(jié)基本上不超過二級，配變電所及現場配電盤柜貼近負荷中心設置。

從已建項目調試及運行狀況看，電力配電基本滿足了生產及一定的擴產需要，但在線路及負荷分配上還存在問題，對系統的可靠運行會造成負面影響。

1)事件：配變電所一路高壓失電，另一路高壓所帶10kV空壓機非正常停機，全廠壓縮空氣系統斷氣。

2)分析：空壓機10kV電源及空壓機冷卻系統(冷卻泵、冷卻塔)電源正常，空壓機本體控制裝置所配低壓電源失電，造成空壓機組非正常停機。

3)處理：將空壓機控制裝置電源改由與空壓機及冷卻系統同一高壓母線段供電，回路正常，機組運行正常。

雖然同組設備特別是大容量冷水機組和空壓機組與其成套的冷凍水系統/冷卻系統的電壓等級不同，但設計上均由同一高壓母線段配電；對于一用一備、多用一備或系統合用的設備(如冷水系統二次冷凍泵)，則由2個或多個高壓母線段配電。如此成熟的配電方案，依然出現了設備非正常停機現象。究其主要原因，在于對設備的情況不了解，未考慮到空壓機組控制裝置單獨配電，在設備安裝時現場增加一臺控制電源箱為所有同類設備供電，但若一旦失電，同類設備只能停機。

經調查，此類大容量設備的電氣裝置基本是外協完成，在設計階段甚至設備招標階段，設備供應商的控制電源方案未明確，往往是由于：(1)電機啟動裝置內設有低壓變壓器提供本體控制裝置使用；(2)多臺設備一組自配電源；(3)每臺機組需要外供控制電源，前兩種情況都不需要單獨提供控制電源。針對此類設備配電，建議在不清楚設備配置時要著重考慮控制電源的分段提供，避免臨時增設線路所帶來的不可靠隱患。

3 結束語

隨著工廠供配電系統規(guī)模不斷擴大，僅注重供配電系統構成和設備選型等“硬件”設計，已經不能滿足供配電系統安全可靠運行的需求，還需對繼電保護和連鎖等“軟件”以及設備調試及運行情況進行充分考慮。本文所述實例均為在項目調試及試運行階段發(fā)生的事故，結合ETAP軟件進行仿真計算以及對用電設備實際運行工況的掌握，可分析出事故產生的原因，并提出相應的處理方法。

[1] 任元會,卞鎧生等. 工業(yè)與民用配電設計手冊[M].北京:中國電力出版社,2005.

[2] 張保會,尹項根. 電力系統繼電保護[M].北京:中國電力出版社,2006.

[3] JGJ 16-2008民用建筑電氣設計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008.

[4] GB/T 50062-2008電力裝置的繼電保護和自動裝置設計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,2008.

[5] 卓樂友,董柏林. 電力工程電氣設計手冊[M].北京:中國電力出版社,2003.

[6] Operation Technology Inc. (OTI). ETAP HELP.

Discussion on Reliability of Power Supply and Distribution System Design for Large Photoelectric Display Device Factory

Niu Guanghong / Jiang Pengzan

Through analyzing the causes of commissioning and trial stages in power supply system, using ETAP software and the process of on-site adjustment with deal with the problems, showing that the effective ways to improve the reliability of system of electric design in the factory, which including that a new method is introduced, and accumulating experience , and in-depth understanding of the objects.

power supply and distribution system, reliability, ETAP