王德俊

（誠(chéng)合保險(xiǎn)經(jīng)紀(jì)有限公司，北京 100039）

低壓供配電網(wǎng)的運(yùn)行受多種因素影響，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)低壓電氣故障。因此，相關(guān)工作人員必須充分意識(shí)到低壓電氣故障診斷與維修的重要性與必要性，并及時(shí)采取科學(xué)有效的措施解決系統(tǒng)在供配電過程中的常見故障。隨著電力經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)建筑用電質(zhì)量要求的不斷提高，高層建筑電氣系統(tǒng)的建設(shè)規(guī)模也呈逐步增加的趨勢(shì)。進(jìn)行高層建筑物的電氣設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)結(jié)合實(shí)例分析電氣設(shè)計(jì)中不同設(shè)備發(fā)生失效行為的具體原因，并以此為依據(jù)制定科學(xué)合理的維修對(duì)策與解決、處理方案[1]。

該文在深入研究中發(fā)現(xiàn)，低壓供配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與施工會(huì)影響整棟大樓的正常運(yùn)行。該系統(tǒng)的安全可靠與否，不僅關(guān)系到建筑物運(yùn)行的安全，還關(guān)系到建筑內(nèi)居住人員的人身安全。由于高層建筑物具有數(shù)量多、占地面積大等特點(diǎn)，因此，高層建筑的電氣設(shè)計(jì)工作綜合難度較大、任務(wù)量較集中。與舊式建筑相比，高層建筑的空間跨度更大，結(jié)構(gòu)也更復(fù)雜，其低壓配電系統(tǒng)的運(yùn)行與維護(hù)難度更高。尤其是在縱向上，各功能區(qū)域需要安裝的電氣設(shè)備類型和數(shù)量存在差異[2]。為了確保高層建筑中低壓配電系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，必須對(duì)高層低壓供配電系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)有效的規(guī)劃設(shè)計(jì)與施工建設(shè)，并做好日常維護(hù)管理工作。對(duì)特定場(chǎng)所和特定設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須遵循科學(xué)性、適用性和經(jīng)濟(jì)性等基本原則，才能確保低壓供配電系統(tǒng)的安全和有效[3]。為全面落實(shí)并推進(jìn)該項(xiàng)工作，提高配電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，下文將對(duì)此進(jìn)行研究。

1 低壓供配電系統(tǒng)可靠性判據(jù)

在評(píng)價(jià)和提高級(jí)聯(lián)系統(tǒng)可靠性過程中，阻抗匹配是一個(gè)非常重要的基礎(chǔ)工作。要完成中、低壓直流配電網(wǎng)的可靠性分析，必須先建立系統(tǒng)中重要設(shè)備的小干擾數(shù)學(xué)模型，然后再建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。低壓供配電系統(tǒng)小信號(hào)等效電路如圖1 所示。

圖1 低壓供配電系統(tǒng)小信號(hào)等效電路

圖1 中，將柔性變換器定義為系統(tǒng)A，直流變壓器定義為系統(tǒng)B。Iline代表供配電傳輸線路上的電流。在此基礎(chǔ)上，將多個(gè)電壓源串聯(lián)起來以對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化。對(duì)低壓供配電網(wǎng)進(jìn)行可靠度分析時(shí)，輸電線路上的電流如公式（1）所示。

式中：IeqB_in代表柔性變壓器的流入電流；ZB_in代表低壓供配電系統(tǒng)的子系統(tǒng)輸入阻抗；ZA_out代表系統(tǒng)前級(jí)子系統(tǒng)輸出阻抗；UeqA_out代表柔性變換器的等效電壓源[4]。

在公式（1）中，如果柔性變換器與直流變壓器均能夠穩(wěn)定運(yùn)行且周圍環(huán)境因素不會(huì)對(duì)其運(yùn)行性能產(chǎn)生影響，則在系統(tǒng)傳輸線路上的電流Iline的可靠性與公式（1）中1/[1+ZA_out+Zline]/ZB_in相關(guān)，可將其看作一個(gè)增益為1、負(fù)反饋增益為（ZA_out+Zline）/ZB_in的閉環(huán)傳遞函數(shù)[5]。為保證低壓供配電系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，需要確保其前、后兩級(jí)的阻抗之比滿足奈奎斯特可靠度準(zhǔn)則，從而實(shí)現(xiàn)其阻抗匹配。定義圖1 中a、b 兩側(cè)的阻抗的比值為Tmm，如公式（2）所示。

從阻抗匹配的角度出發(fā)，分析前級(jí)與后級(jí)的阻抗比對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)各分系統(tǒng)的阻抗公式，得出各分系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型[6]。然后基于伯德圖和奈奎斯特曲線，利用MATLAB 軟件編程，研究各控制環(huán)節(jié)中電路參數(shù)和調(diào)整器參數(shù)的改變、對(duì)子系統(tǒng)阻抗特征和可靠性的影響。

2 子系統(tǒng)可靠運(yùn)行仿真

該文對(duì)子系統(tǒng)可靠運(yùn)行進(jìn)行仿真，并通過試驗(yàn)來驗(yàn)證柔性變流器與直流變壓器能否在中壓直流配電網(wǎng)中穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)而為其穩(wěn)定性研究提供理論依據(jù)[7]。采用MATLAB/Simulink 軟件對(duì)中、低壓直流系統(tǒng)進(jìn)行仿真和分析。其基本原理是根據(jù)電壓和電流的波形來判斷的。仿真參數(shù)設(shè)置見表1。結(jié)果表明，在表1 所給出的模擬參數(shù)下，該子系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作，并且整個(gè)中、低壓直流配電網(wǎng)都能平穩(wěn)運(yùn)行。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置表

將雙閉環(huán)控制柔性變流器的數(shù)學(xué)模型與其相結(jié)合，得到如圖2 所示的電壓波形圖。

圖2 直流側(cè)輸出電壓波形圖

在仿真的0.2s 內(nèi)，直流側(cè)輸出的電壓穩(wěn)定控制在4000V 上、下，交流側(cè)的電壓和電流同相位。該現(xiàn)象說明低壓供配電系統(tǒng)中的變換器能夠穩(wěn)定可靠運(yùn)行。并從Boost輸出電壓在仿真后穩(wěn)定在1000V 的結(jié)果可知，電壓供配電系統(tǒng)中的直流變壓器也可以穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

3 可靠性影響因素分析

結(jié)合上述獲得的子系統(tǒng)可靠運(yùn)行仿真結(jié)果，分析高層建筑電氣設(shè)計(jì)中的低壓供配電系統(tǒng)可靠性影響因素。根據(jù)可靠性判據(jù)可知，系統(tǒng)的可靠性條件如下：系統(tǒng)中的每個(gè)子系統(tǒng)都能獨(dú)立穩(wěn)定運(yùn)行，并需要Tmm能夠充分滿足奎斯特穩(wěn)定判據(jù)[8]。根據(jù)該判據(jù)，通過Tmm的奈奎斯特曲線對(duì)低壓供配電系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行分析。當(dāng)?shù)蛪汗┡潆娤到y(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)均沒有發(fā)生變化時(shí)，Tmm的奈奎斯特曲線如圖3所示。

圖3 參數(shù)不改變時(shí)Tmm 的奈奎斯特曲線圖

結(jié)合圖3 可以看出，Tmm的奈奎斯特曲線遠(yuǎn)離（-1，j0）點(diǎn)，說明低壓供配電系統(tǒng)處于可靠運(yùn)行狀態(tài)，其結(jié)果與上述仿真結(jié)果一致。柔性變換器的電壓外環(huán)控制參數(shù)降低將引起其低頻峰值阻抗產(chǎn)生較大幅度的變化，而電壓外環(huán)控制參數(shù)降低將引起其中壓直流端輸入阻抗產(chǎn)生較大幅度的變化，從而使其在低頻峰值處的變化幅度發(fā)生變化。根據(jù)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的可靠性準(zhǔn)則，上述因素會(huì)造成中壓直流配電網(wǎng)的阻抗特征發(fā)生重疊，使Tmm的奈奎斯特曲線被（1，j0）包圍，并使中壓直流配電網(wǎng)不再具備可靠性。低壓供配電系統(tǒng)運(yùn)行不可靠并出現(xiàn)低頻振蕩是由多種因素共同造成的。發(fā)生低壓直流母線電壓振蕩時(shí)，其電壓不會(huì)穩(wěn)定控制在4000V 左右，這將會(huì)嚴(yán)重威脅系統(tǒng)整體的運(yùn)行可靠性。

4 低壓供配電系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)

4.1 高層建筑電氣設(shè)計(jì)選型

為確保建筑中的低壓供配電系統(tǒng)滿足高效運(yùn)轉(zhuǎn)的需求，進(jìn)行研究前，應(yīng)明確建筑電氣系統(tǒng)主要由2 種類型構(gòu)成，具體內(nèi)容見表2。根據(jù)建筑規(guī)模與實(shí)際情況，選擇適配的電氣設(shè)計(jì)類型。

表2 建筑電氣設(shè)計(jì)類型

4.2 系統(tǒng)主接線部署

高層建筑的供配電系統(tǒng)會(huì)受終端控制和負(fù)荷調(diào)節(jié)等很多因素的影響，因此其在運(yùn)行中具有一定特殊性。電氣系統(tǒng)的主接線是高壓端與低壓端的連接，將直接影響系統(tǒng)的整體運(yùn)行模式和電氣設(shè)備的配置。由于系統(tǒng)主接線與用戶用電端直接相連，而且大部分電能都是通過電纜進(jìn)行傳輸?shù)?，因此在?shí)際使用過程中，系統(tǒng)主接線很容易受外界電磁環(huán)境的干擾?；蛘哂捎趦?nèi)部電氣部件出現(xiàn)故障，系統(tǒng)供電的綜合可靠性下降，甚至無法正常工作，因此在設(shè)計(jì)中需要通過合理的技術(shù)手段，根據(jù)系統(tǒng)的容量、負(fù)荷屬性合理設(shè)計(jì)接線，以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行短路保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)等，如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)主接線設(shè)計(jì)

在此基礎(chǔ)上，該文對(duì)系統(tǒng)主接線中各支路間的相互影響進(jìn)行了分析，并根據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行了支路負(fù)荷的相關(guān)計(jì)算，如當(dāng)支路斷面低于最小安全電流時(shí)，可以在母線上增加并聯(lián)電阻，以降低短路電流；而當(dāng)支路斷面高于最小安全電流時(shí)，可以通過加大支路斷面間隔的方式保證回路的壓降。與此同時(shí)，要盡可能選擇高阻值的銅質(zhì)導(dǎo)線作為系統(tǒng)主接線輔助導(dǎo)體，從而讓所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主接線電路能夠滿足所有要求。

完成設(shè)計(jì)后，為確保相關(guān)工作的實(shí)施符合或達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)結(jié)合多種技術(shù)手段與方法進(jìn)行主接線設(shè)計(jì)后系統(tǒng)整體運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)估。在該過程中，可以根據(jù)系統(tǒng)主接線的部署方式建立對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。同時(shí)，采用PSCAD/EMTDC模擬軟件對(duì)構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬?？紤]工程實(shí)際設(shè)計(jì)中存在的不確定因素較多，而且這些因素會(huì)隨著時(shí)間的推移而不斷發(fā)生變化，因此在建立數(shù)學(xué)模型前，需要對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行細(xì)致的調(diào)查研究，尤其要充分考慮多種不確定因素對(duì)系統(tǒng)的綜合影響。充分利用現(xiàn)有成果數(shù)據(jù)，并盡量多地收集一些歷史資料或現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量數(shù)據(jù)，掌握系統(tǒng)在運(yùn)行中存在的隱患與不穩(wěn)定因素，以保證能夠及時(shí)采取措施對(duì)系統(tǒng)主接線進(jìn)行處理與優(yōu)化設(shè)計(jì)。

在低壓供配電系統(tǒng)中，電源、線纜的選用是一個(gè)重要的問題。進(jìn)行線路鋪設(shè)前，要根據(jù)具體情況對(duì)電源進(jìn)行合理規(guī)劃，同時(shí)還要充分考慮負(fù)載分布的特點(diǎn)和各種自然條件的影響，盡可能選擇經(jīng)濟(jì)可靠、運(yùn)行方便且容易維修的設(shè)備。在施工過程中，應(yīng)注意到地形、地質(zhì)等因素對(duì)電力供應(yīng)的不利影響，盡量避免障礙，減少施工難度。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)根據(jù)區(qū)域的地理、氣候等因素，尋找最適合該區(qū)域的生產(chǎn)、生活方式。同時(shí)，要對(duì)建筑物內(nèi)的照明、空調(diào)、消防設(shè)施、防雷和接地等情況有詳細(xì)的了解，才能更好地進(jìn)行下一步的工作。選擇和鋪設(shè)線路時(shí)，必須保證線路具有良好的保溫性能，安裝和使用時(shí)必須遵守有關(guān)技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。在布線過程中，要確保所用導(dǎo)線可以順利穿越到架空地線上，避免操作不當(dāng)或受外力影響發(fā)生安全事故。

5 結(jié)語

低壓配電網(wǎng)是一種新的電力分配模式，在高層建筑中主要包括室內(nèi)、室外2 個(gè)部分。進(jìn)行低壓電氣的安裝時(shí)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際選擇合適的設(shè)計(jì)方案和施工方法。建立低壓供配電系統(tǒng)的目的是要對(duì)電力傳輸與分配過程中所需要的電壓、電流和功率進(jìn)行有效控制，確保電能可以滿足正常的生產(chǎn)、生活需要。但在實(shí)際設(shè)計(jì)中，受多種因素的制約，目前國(guó)內(nèi)低壓供配電網(wǎng)仍存在很多問題。為此，必須加強(qiáng)對(duì)供配電系統(tǒng)的可靠性分析，并以增強(qiáng)系統(tǒng)的故障探測(cè)能力為突破口，采用科學(xué)的手段，增強(qiáng)其安全性和穩(wěn)定度。為落實(shí)該方面的研究，該文以某高層建筑為切入點(diǎn)，對(duì)電氣設(shè)計(jì)中的供配電系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行了分析。然后從高層建筑電氣設(shè)計(jì)選型與系統(tǒng)主接線部署2 個(gè)方面入手，對(duì)提高系統(tǒng)可靠性的設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入研究。在后續(xù)工作中，還將從電氣設(shè)計(jì)中的變壓器、供電線路設(shè)計(jì)等著手，加強(qiáng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與規(guī)劃，以降低系統(tǒng)運(yùn)行中的故障發(fā)生概率。