高壓系統(tǒng)供配電設(shè)計

白 永 生

(北京科技建筑設(shè)計院, 北京　100069)

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高壓系統(tǒng)供配電設(shè)計

白 永 生

(北京科技建筑設(shè)計院, 北京100069)

摘要：從高壓系統(tǒng)的概念、電源的采用、接地的類型、電氣設(shè)備的選擇等方面介紹了高壓系統(tǒng)中有關(guān)供配電設(shè)計的相關(guān)內(nèi)容,從施工圖設(shè)計的實際操作角度對高壓分界室及箱式變壓器予以引申闡述,以期為電氣設(shè)計人員提供參考。

關(guān)鍵詞：高壓系統(tǒng); 接地選擇; 供電模式; 設(shè)備選擇

0引言

高壓線路由地區(qū)供電單位輸送高壓電源至建筑變配電機房高壓開關(guān)柜內(nèi),北京自管的進戶處還需要設(shè)置高壓進線間,并內(nèi)設(shè)高壓進線柜,作為供電單位和業(yè)主之間的權(quán)限分隔點。

1高壓供電兩種常見電壓等級

目前高壓系統(tǒng)多采用10 kV線路。當負荷為3 000~5 000 kW時,單回路專線供電容量的上限一般不超過6 300 kVA,供電電壓為10 kV,輸送距離為5~15 km;如果不是專線供電,則供電容量更小,采用多路電源運行方式(10 kV雙路供電,高壓無聯(lián)絡(luò))。當負荷為5 000~10 000 kW時,單回路專線供電容量不超過18 000 kVA,供電電壓選為35 kV,輸送距離為20~50 km。

2高壓供電電度表計量方式

(1) 高供高計。高壓供電,高壓側(cè)計量,一般適用于業(yè)主自管的變配電室,如獨立公建項目,供電局僅通過高壓側(cè)采用高壓電壓互感器、高壓電流互感器進行計量。

(2) 高供低計。高壓供電,低壓側(cè)計量,同樣適用于業(yè)主自管的變配電室,供電部門須經(jīng)低壓電流互感器進行計量。目前,設(shè)計業(yè)主自管的公建項目以高供高計較為普遍,實際設(shè)計時需了解當?shù)氐墓╇娪嬃恳蟆?/p>

(3) 低供低計。低壓供電,低壓計量,適用于住宅等個人用戶,電表額定電壓為AC 220~380 V,電量即可直接從電表內(nèi)讀出,也可從加裝的互感器讀出。

3高壓系統(tǒng)常規(guī)設(shè)置

(1) 多為兩路高壓10 kV電源進線,單母線運行,高壓采用直流操作,電源電壓為DC 220 V或DC 100 V。

(2) 繼電保護:進線柜設(shè)過流、電流速斷、零序電流保護;至變壓器的出線柜采用過流、電流速斷、零序電流保護、超高溫跳閘及門控。

(3) 計量柜一般設(shè)置高壓多功能表及電量遠程采集裝置。

(4) 10 kV進線隔離柜、進線柜及計量柜之間需加電氣閉鎖裝置,閉鎖的程序為:合閘時,必須先合隔離車和計量車,再合進線開關(guān);分閘時,必須先分進線開關(guān)后,才能拉出隔離和計量車。

4高壓供電系統(tǒng)設(shè)計

4.1供電模式

(1) 兩路供電高壓不設(shè)聯(lián)絡(luò),母線檢修時需全部停電,二級負荷無法滿足二路供電(停一路供一路)的要求,但不可能對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊。高壓單線圖(一)如圖1所示。低壓模式在兩路進線中間設(shè)置聯(lián)絡(luò),這是目前較為常見的供電模式,低壓聯(lián)絡(luò)斷路器必須是四極的。該模式中有以下三種運行模式:

圖1　高壓單線圖(一)

① 兩臺變壓器單獨運行,即聯(lián)絡(luò)斷路器斷開,另外兩臺進線斷路器合上;

② 1#變壓器運行,即1#進線斷路器和聯(lián)絡(luò)斷路器合上,2#進線斷路器斷開;

③ 2#變壓器運行,即2#進線斷路器和聯(lián)絡(luò)斷路器合上,1#進線斷路器斷開。中性線均是經(jīng)變壓器低壓中性點引出的,平時不帶電,但如果出現(xiàn)單相接地或短路時中性線帶電的情況,必須斷開不公用的中性線,所以,低壓聯(lián)絡(luò)斷路器需采用四極斷路器,而低壓進線可以是三極斷路器。

(2) 設(shè)置聯(lián)絡(luò)開關(guān),當一路電源故障時,另一路電源通過聯(lián)絡(luò)負擔(dān)全部下級各變壓器負荷,此時低壓變壓器仍正常工作,低壓兩段母線不受故障影響,設(shè)置母聯(lián)隔離柜在母聯(lián)發(fā)生故障時,低壓供電不受影響,即帶高壓母聯(lián)分段,但一般供電局基于安全考慮(高壓同時并網(wǎng)可造成對電網(wǎng)的沖擊),可能不同意在高壓側(cè)做切換。所以,低壓側(cè)母聯(lián)設(shè)計更為常見。高壓單線圖(二)如圖2所示。

圖2　高壓單線圖(二)

(3) 高壓環(huán)網(wǎng)柜是指負荷開關(guān)柜用于環(huán)網(wǎng)式供電,環(huán)網(wǎng)柜中的高壓開關(guān)一般是負荷開關(guān),用負荷開關(guān)操作正常電流,而用熔斷器切除短路電流。供電電源通過環(huán)形配電網(wǎng)向該環(huán)形干線供電,從干線上再分路通過高壓開關(guān)向外配電,每個配電支路都可以由它的左或右側(cè)干線取電源。盡管電源是單路供電,但每個配電支路可得到類似于雙路供電的使用狀態(tài),從而提高供電的可靠性。戶內(nèi)環(huán)網(wǎng)柜一般用于高壓側(cè)的配電,由進線柜、出線柜、變壓器饋線柜組成,可以用于環(huán)網(wǎng)式供電,如高壓分界室派接、中壓末端變電室供電。負荷開關(guān)柜結(jié)構(gòu)簡單,成本較低,體積小,一般只有熔斷器保護而無繼電保護。負荷開關(guān)柜主母線載流量一般不大于630 A,變壓器柜(出線柜)額定電流(熔斷器)一般不大于125 A,負荷開關(guān)額定開斷電流一般不大于630 A 。環(huán)網(wǎng)柜單線如圖3所示。

圖3　環(huán)網(wǎng)柜單線圖

4.2接地選擇

(1) 中性點不接地方式。當中性點不接地的配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時,非故障的二相對地電壓將升高,即相電壓升高為原來的線電壓,但線電壓除了相位發(fā)生變化外,電壓值沒有變化。中性點不接地系統(tǒng)單相接地相電流示意圖如圖4所示。由圖4可見,中性點不接地方式對用戶供電影響不大,且接地電流很小,對鄰近通信線路、信號系統(tǒng)的干擾小。

圖4　中性點不接地系統(tǒng)單相接地相電流示意圖

當中性點不接地系統(tǒng)單相接地時,電纜電路增多,電容電流增大,同時接地電弧不能可靠熄滅。當接地電流>10 A時,有可能產(chǎn)生不穩(wěn)定的間歇性電弧,弧光接地過電壓,將破壞設(shè)備絕緣。同時,當接地電流較大時,接地點電弧不易熄滅,對消除故障不利,且持續(xù)電弧造成空氣的離解,破壞周圍空氣的絕緣,繼而引發(fā)相間短路。當配電網(wǎng)組成形式以架空線路為主時,電網(wǎng)的電容電流小于10 A,同時建議安裝小電流接地選線裝置。

(2) 10 kV經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)。10 kV架空線路系統(tǒng)單相接地故障電流>20 A或10 kV電纜線路系統(tǒng)單相接地故障電流>30 A時,應(yīng)裝設(shè)消弧線圈,電網(wǎng)安裝消弧線圈后,發(fā)生單相接地時消弧線圈產(chǎn)生電感電流,補償因單相接地而形成的電容電流,使接地電流減小,同時使故障相恢復(fù)電壓速度減慢,有效地防止鐵磁諧振過電壓的產(chǎn)生,但消弧線圈不能對諧波部分有效補償。如果諧波分量達到一定數(shù)值,會加劇接地電弧的發(fā)展,此外單相接地故障的選線失誤率會增高。

安裝在Y/△接線的雙繞組變壓器或Y/Y/△接線三繞組變壓器中性點上的消弧線圈容量,不應(yīng)超過變壓器三相總?cè)萘康?0%,且不得大于三繞組變壓器任何繞組的容量。安裝在Y/Y接線變壓器上的消弧線圈容量,不應(yīng)超過變壓器三相總?cè)萘康?0%。

該接地方式適用于城區(qū)變電所,配電網(wǎng)的組成主要由架空線路和電纜線路組成,電容電流為10~200 A時,消弧線圈選用自動調(diào)諧系統(tǒng),同時安裝小電流接地選線裝置。

(3) 中性點經(jīng)小電阻接地方式。隨著城市建設(shè)和供電業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展,10 kV配電網(wǎng)主要采用地下電纜,使對地電容電流大大增加。如果采用消弧線圈接地,則需要較大的補償容量,且要多臺配置。由于10 kV配電網(wǎng)線路在運行中經(jīng)常要進行操作,因此消弧線圈的分接頭的及時調(diào)整存在困難,易出現(xiàn)諧振過電壓現(xiàn)象。所以,城市10 kV配電網(wǎng)多采用中性點經(jīng)小電阻接地方式,會產(chǎn)生足夠的零序電壓或零序電流,作用于零序繼電保護動作而跳開接地線路開關(guān),可以保證其他線路的正常運行,在一定程度上降低了用戶的用電可靠性。當電纜發(fā)生單相接地故障時,電容電流較大,單相接地故障發(fā)展為相間故障的概率較大。

該接地方式適用于電容電流較大(200 A以上)或以電纜線路組成為主的配電網(wǎng)絡(luò)(城市內(nèi)部的變配電系統(tǒng)或中心變電所)。中性點的工作方式如圖5所示。

圖5　中性點的工作方式

4.3設(shè)備選擇

高壓系統(tǒng)圖如圖6所示。

(1) 零序電流互感器的選擇。

① 設(shè)置于中性點經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)中,分別安裝一套在高壓進線隔離柜及高壓出線柜處,完成對高壓零序電流的檢測動作。

圖6　高壓系統(tǒng)圖

② 工作原理與低壓側(cè)的剩余電流保護器的原理類似,如果在三相四線中接入一個電流互感器,感應(yīng)電流為0,當電路中發(fā)生觸電或剩余電流故障時,回路中有剩余電流流過,穿過互感器的三相電流相量和不為0,這樣互感器二次側(cè)線圈中有感應(yīng)電壓。該電壓加于檢測部分的電子放大電路,與保護區(qū)裝置預(yù)定動作電流值相比較,如果大于動作電流,即使靈敏繼電器動作,作用于執(zhí)行脫扣器分閘,安裝的互感器稱為零序電流互感器,三相電流的相量和不為0,所產(chǎn)生的差值電流為零序電流。

③ 中性點不接地或消弧線圈接地的方式中,一般電流在10 A以下保護就要動作,故設(shè)置安裝小電流接地選線裝置進行選線;小電阻接地系統(tǒng)接地電流有可能大于10 A,故選擇設(shè)置零序電流互感器進行保護。10 kV變配電室的零序速斷保護值一般為20 A,則一次側(cè)電流選擇為50、75、100 A,二次側(cè)電流選擇為1、5 A等。如果電流互感器的二次側(cè)電流為5 A,常選擇變比為100/5,可以滿足一般綜合保護裝置動作電流的要求。當電流互感器需避免平時不平衡電流時,建議變比取得稍大些,如50/1等。

(2) 高壓系統(tǒng)開關(guān)的選擇。

① 以10 kV為例,高壓主進開關(guān)的電流一般選擇1 250 A,母線采用3(80×10)。

② 高壓出線開關(guān)的電流一般選擇630 A,主要采用真空斷路器,而第一級真空斷路器的額定電流為630 A。

③ 高壓出線開關(guān)需設(shè)置兩段溫度保護(溫升Ⅰ段報警保護,溫升Ⅱ段跳閘保護),接入綜合保護裝置后作為數(shù)字輸入信號,以實現(xiàn)變壓器的高溫跳閘功能。

④ 10 kV高壓開關(guān)的額定電流最小為630 A,其分斷能力為20~25 kA。額定電流為1 250~1 600 A的開關(guān),其分斷能力為31.5 kA;額定電流為2 500~3 150 A的開關(guān),其分斷能力為40 kA。高壓開關(guān)常采用額定短路分斷電流為25 kA,需注意其分斷能力要小于供電局局端的分斷能力。

⑤ 高壓進線開關(guān)需加裝避雷器,以防止產(chǎn)生操作過電壓。

⑥ 高壓開關(guān)柜設(shè)置在地下室時,可依據(jù)環(huán)境情況考慮設(shè)置加熱器,用以除濕。

⑦ 線路越接近電源,其動作時間越長,故必須依靠主保護迅速切斷故障。

(3) 電流互感器的選擇。

① 10P10、10P20等級用于保護,設(shè)置于高壓進線柜及出線柜內(nèi),當一次側(cè)電流為額定二次側(cè)電流的10或20倍時,電流互感器要求的復(fù)合誤差≤±10%。圖6中電流互感器的變比為300/5,由于10 kV高壓短路電流的10倍約為300 A,因此選擇10P10級的電流互感器。同理,高壓出線回路電流互感器的變比為150/5,可選擇10P10級的電流互感器。

② 0.5級一般用于測量,同樣設(shè)置于高壓進線柜、出線柜內(nèi)。以2 000 kVA變壓器為例,每個變壓器出線電流為2 000/(10×1.732)=115 A,變比按額定電流的2倍來選擇,所以選擇變比200/5的電流互感器。同理可知,800 kVA變壓器選擇變比75/5的電流互感器,1 250 kVA變壓器選擇變比100/5的電流互感器。測量信號用于綜合保護裝置的過流、速斷保護,每回路設(shè)置與一次側(cè)電流同級的電流表。

③ 0.2級一般用于計量,設(shè)置于高壓計量柜內(nèi),考慮10 kV高壓設(shè)備為對稱三相負荷,因沒有中性點(線)引出,不會有高壓單相用電設(shè)備存在,所以計量柜一般用一組兩繞組(A、C相)電流互感器即可實現(xiàn)計量,變比按額定電流(或略高)來考慮,但一般不會大于1.2倍額定電流。這樣既可保證小負荷時的計量精度,又可以在大電流時飽和,防止二次出現(xiàn)大電流而燒毀計量儀表。

(4) 電壓互感器的選擇。

① 設(shè)置于高壓進線隔離柜處,用于進線電壓的測量,0.5級一般用于測量。

② 設(shè)置于高壓計量柜處,用于計量使用,與電流互感器類似,計量采用0.2級。

(5) 電壓互感器熔斷器的選擇。當發(fā)生故障時,應(yīng)盡可能快地切斷電壓互感器的電源,以便限制故障的影響。電壓互感器的高壓熔斷器只需按額定電壓和斷流容量選擇。由于電壓互感器沒有負荷電流,運行時電流很小,因此熔體的選擇只限能承受電壓互感器的勵磁沖擊電流,而不必校驗額定電流。

(6) 高壓系統(tǒng)柜體的選擇。

① 中置柜功能全,體積大,一般分為三層(上層為母線及儀表室,中間層為斷路器室,下層為電纜室)。中置柜內(nèi)常設(shè)置為真空斷路器的自動保護裝置。

② 環(huán)網(wǎng)柜功能單一,體積小巧,柜內(nèi)一般沒有保護裝置,在事故時內(nèi)部安裝的熔斷器過熱熔斷,切斷電路。開關(guān)多選用戶內(nèi)交流高壓負荷開關(guān)加熔斷器組合電器,或六氟化硫(SF6)負荷開關(guān),通過母線銅排連接成一個系統(tǒng),分為進線隔離柜及至變壓器的隔離柜,采用負荷開關(guān)不帶保護,僅進行分閘操作。

(7) 變壓器的選擇。設(shè)計時盡量采用普通分接頭的變壓器,負荷率在75%~80%為宜,單臺容量不宜大于1 600 kVA。當用電設(shè)備容量較大,負荷集中且運行合理時,可選用2 000 kVA及以上容量的變壓器。

(8) 直流屏的選擇。直流屏專供控制負荷時宜采用110 V,專供動力負荷時宜采用220 V,當控制負荷與動力負荷合并供電時,宜采用220 V。

(9) 帶電顯示器。提示型顯示器(G) DXN-10/T僅提示高壓設(shè)備是否帶電,強制型顯示器(G)DXN-10/Q不僅有提示功能,還有強制閉鎖功能,需設(shè)置于所有高壓柜體。

(10) 接地開關(guān)的設(shè)置。用于10 kV及以下交流50 Hz的電力系統(tǒng)中,可作為高壓電器設(shè)備檢修時用作接地保護。所以,各高壓出線回路設(shè)置接地開關(guān),型號依據(jù)電壓等級進行選擇。

(11) 失壓計時儀。用于監(jiān)視三相三線或三相四線的無功、有功電能表的運行狀態(tài)的儀表,設(shè)置于高壓出線計量柜內(nèi)。

(12) 綜合保護設(shè)備的選擇。設(shè)置于高壓進線柜、出線柜及高壓母聯(lián)柜等處,與測量型電流、電壓互感器配套使用,采樣模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,再由CPU發(fā)出執(zhí)行信號,通過繼電器控制斷路器的動作,主要分為三種:

① 饋線終端設(shè)備裝設(shè)在出線開關(guān)旁的監(jiān)控設(shè)備,為戶外的柱上開關(guān),在室內(nèi)變配電室設(shè)計中應(yīng)用不多。

② 配電終端設(shè)備為變壓器使用,監(jiān)控并記錄變壓器運行工況,根據(jù)電壓、電流值計算有功、無功、電流、電壓等。

③ 開閉所終端設(shè)備,完成對開關(guān)設(shè)備的電壓、電流、有功、無功等采集、計量,可對開關(guān)進行分/合閘操作,部分具有備用電源的自動投入功能。

④ 遠程終端設(shè)備一般裝設(shè)于變配電機房,將測得的狀態(tài)或信號轉(zhuǎn)換成可在通信媒體上發(fā)送的數(shù)據(jù)格式,并將從控制中心的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成命令,實現(xiàn)對斷路器的控制。

(13) 高壓避雷器的選擇。高壓避雷器設(shè)置于各高壓出線柜處。根據(jù)GB/T 50064—2014《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設(shè)計規(guī)范》,電氣設(shè)備的操作沖擊絕緣水平與操作沖擊保護水平之比值不得小于1.15,而15 kV電氣設(shè)備的耐受電壓(操作沖擊絕緣水平)為45 kV,則避雷器的操作沖擊殘壓應(yīng)不大于39.1 kV。所以10 kV系統(tǒng)選擇HY5WZ-17/43.5避雷器,其中10 kV系統(tǒng)額定電壓為17 kV,殘壓為43.5 kV。

(14) 智能儀表的選擇。設(shè)置于高壓計量柜、高壓母聯(lián)柜、高壓出線柜,測量項目一般有三相電流、三相電壓、有功/無功功率測量、有功/無功電能計量;并對斷路器狀態(tài)、保護動作信號進行反饋,與綜合保護器配合使用。

4.4高壓進線

(1) 管頂標高為-1.1 m,鋼管出散水外2 m。

(2) 高壓電纜進線孔處,在電纜橋架外圍應(yīng)設(shè)置防護網(wǎng)。

(3)設(shè)于地下層的變配電室,進線電纜豎井可以按1 500 mm×2 000 mm凈尺寸進行預(yù)留。

5結(jié)語

高壓系統(tǒng)供配電設(shè)計不但考慮技術(shù)的可行性，還要兼顧經(jīng)濟合理性，按負荷性質(zhì)、用電容量、工程特點和地區(qū)供電條件，合理確定設(shè)計方案。

參考文獻

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諶小莉(1983—),女,工程師,從事城市軌道交通供配電方面的工作。

Design of Power Supply and Distribution in High-voltage SystemBAIYongsheng

(Beijing Architectural Design Institute of Science and Technology, Beijing 100069, China)

Abstract：This paper introduced the design of power supply and distribution in high-voltage system from the concept of high pressure system,power supply,grounding type,the selection of electrical equipment.The high pressure separation chamber and box transformer are extended from the actual operation view of construction drawing design focus.It can provide references for electrical designers.

Key words:high-voltage system; grounding selection; power supply mode; equipment selection

收稿日期：2015-02-06

中圖分類號：TU 856

文獻標志碼：B

文章編號：1674-8417(2015)06-0021-06