大型光電顯示器件工廠供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中可靠性問(wèn)題研討

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(tǒng)設(shè)計(jì)中可靠性問(wèn)題研討

牛光宏 / 蔣鵬贊

(世源科技工程有限公司，北京 100142)

通過(guò)實(shí)例分析項(xiàng)目建設(shè)中供配電系統(tǒng)調(diào)試及試運(yùn)行階段出現(xiàn)的問(wèn)題及原因，運(yùn)用ETAP軟件及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整處理問(wèn)題的過(guò)程， 說(shuō)明在工廠電氣設(shè)計(jì)中，新方法的引入、經(jīng)驗(yàn)的積累、對(duì)象的深入了解等是提高系統(tǒng)可靠性的有效途徑。

供配電系統(tǒng) 可靠性 ETAP

0 引言

近些年國(guó)內(nèi)陸續(xù)投入了多個(gè)百億投資的大型光電顯示器件工廠(以下簡(jiǎn)稱“工廠”)，對(duì)行業(yè)和當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)生活都有很大影響，安全、按時(shí)完成項(xiàng)目建設(shè)且保證生產(chǎn)的正常運(yùn)行相當(dāng)重要。而隨著工廠規(guī)模的不斷增大，供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作越發(fā)繁重，系統(tǒng)安全、可靠地投入及運(yùn)行的重要性愈加凸顯。因此，本文通過(guò)分析項(xiàng)目建設(shè)中系統(tǒng)調(diào)試及試運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，說(shuō)明在設(shè)計(jì)過(guò)程中要對(duì)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的可靠性給予足夠的重視。

1 供配電設(shè)計(jì)(工廠配變電所系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分)

1.1 供配電系統(tǒng)

由于容量和安全可靠性方面的需求，工廠絕大部分負(fù)荷為一級(jí)負(fù)荷，建設(shè)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(shè)有10/20kV應(yīng)急柴油機(jī)發(fā)電系統(tǒng)和局部UPS電源系統(tǒng)。其中，高/低壓設(shè)備基本采用ABB、西門(mén)子、施耐德、GE等公司產(chǎn)品，變壓器多用ABB、順特、卡特/科勒柴油發(fā)電機(jī)組和歐美日系UPS裝置。完善的供配電系統(tǒng)構(gòu)成，知名品牌設(shè)備的選擇，為工廠安全可靠生產(chǎn)打下了良好的基礎(chǔ)。

1.2 繼電保護(hù)及連鎖

在項(xiàng)目建設(shè)的電氣設(shè)計(jì)中，繼電保護(hù)整定以及短路計(jì)算歷來(lái)是耗時(shí)費(fèi)力的，且計(jì)算結(jié)果精度不高，實(shí)際上，更多是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將步驟簡(jiǎn)單化、固定化，但往往滿足不了實(shí)際工況，很容易因繼電保護(hù)定值不當(dāng)而引發(fā)電氣事故。

此外，由于系統(tǒng)裝設(shè)容量高達(dá)300～400MVA、10/20kV線路多至三十幾條、各等級(jí)變壓器近200臺(tái)，在設(shè)計(jì)周期不足6個(gè)月的情況下，采用傳統(tǒng)手工計(jì)算、人工繪制TCC(Time-Current Curve)曲線的方法顯然難以確定繼電保護(hù)定值。因此只有引進(jìn)新的手段和方法才有可能解決當(dāng)前難題。

本文選取了幾個(gè)在電力系統(tǒng)中引入了ETAP綜合分析計(jì)算軟件的項(xiàng)目實(shí)例，通過(guò)核算整定值及分析事故原因，進(jìn)而提出了解決方案。

1.3 實(shí)例一

1.3.1 事件

一配變電所20kV出線電纜終端頭施工時(shí)出現(xiàn)問(wèn)題，導(dǎo)致單相接地故障，隨后，配變電所20kV進(jìn)線開(kāi)關(guān)和出線開(kāi)關(guān)未能及時(shí)動(dòng)作、專用220kV變電站(以下簡(jiǎn)稱“變電站”)內(nèi)20kV出線開(kāi)關(guān)和接地變壓器開(kāi)關(guān)同時(shí)動(dòng)作、主變壓器20kV側(cè)開(kāi)關(guān)和接地變壓器開(kāi)關(guān)聯(lián)動(dòng)斷開(kāi)(廠區(qū)內(nèi)20kV母聯(lián)開(kāi)關(guān)具有備自投功能)，但此時(shí)故障仍未消除，致使變電站另一臺(tái)主變20kV側(cè)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)、廠區(qū)市電電源全部失電，只能啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)行全廠應(yīng)急負(fù)荷工作。1.3.2 分析

該事件反映出：變電站內(nèi)20kV出線開(kāi)關(guān)與接地變壓器開(kāi)關(guān)在動(dòng)作時(shí)間上失去了選擇性，廠區(qū)內(nèi)20kV進(jìn)線開(kāi)關(guān)和出線開(kāi)關(guān)動(dòng)作不及時(shí)導(dǎo)致出現(xiàn)越級(jí)跳閘，造成停電范圍擴(kuò)大；而廠區(qū)內(nèi)20kV母聯(lián)開(kāi)關(guān)的備自投功能本來(lái)是保證供電可靠性的有力措施，但由于出線開(kāi)關(guān)未及時(shí)動(dòng)作，進(jìn)一步導(dǎo)致了停電范圍的擴(kuò)大，從而造成全廠市電電源全部失電。

由此可以推斷，開(kāi)關(guān)越級(jí)跳閘是導(dǎo)致全廠停電的主要因素，現(xiàn)本文通過(guò)ETAP搭建簡(jiǎn)單模型(見(jiàn)圖1)進(jìn)行分析。

圖1 簡(jiǎn)單系統(tǒng)模型

圖1可見(jiàn)，變電站內(nèi)含20kV Bus、CB-1 20kV出線開(kāi)關(guān)及綜保裝置CB-1-Relay(Cable-1為變電站20kV出線電纜)；配變電所內(nèi)含進(jìn)線開(kāi)關(guān)CB-2、出線開(kāi)關(guān)CB-3及相應(yīng)綜保裝置等。其中，20kV母線采用分段單母線結(jié)構(gòu)形式。

結(jié)合上述實(shí)例可知，此次故障發(fā)生的位置為T(mén)1-HV點(diǎn)，而CB-3和CB-2未及時(shí)動(dòng)作、CB-1零序保護(hù)動(dòng)作，進(jìn)而引起一系列故障，最終導(dǎo)致全廠停電。

各開(kāi)關(guān)的零序保護(hù)設(shè)置情況參見(jiàn)表1。調(diào)整前的TCC曲線參見(jiàn)圖2。

表1 繼電保護(hù)(零序保護(hù))定值

圖2 TCC曲線(調(diào)整前)

由表1和圖2可以明顯看出，CB-2、CB-3的開(kāi)關(guān)零序保護(hù)動(dòng)作時(shí)間超過(guò)了CB-1，是造成越級(jí)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(hù)定值調(diào)整，廠區(qū)內(nèi)高壓零序保護(hù)定值調(diào)整。

廠區(qū)高壓零序保護(hù)定值調(diào)整情況參見(jiàn)表2。調(diào)整后的TCC曲線參見(jiàn)圖3。

表2 繼電保護(hù)(零序保護(hù))定值(調(diào)整后)

圖3 TCC曲線(調(diào)整后)

廠區(qū)高壓零序保護(hù)主要考慮躲過(guò)正常的不平衡電流，并配合上下級(jí)時(shí)間，表2和圖3表明：調(diào)整后的定值解決了越級(jí)跳閘現(xiàn)象，提高了供電可靠性。

1.4 實(shí)例二

1.4.1 事件

在調(diào)試過(guò)程中，同一防火分區(qū)內(nèi)的12臺(tái)消防風(fēng)機(jī)同時(shí)啟動(dòng)，為其提供用電的變壓器高壓側(cè)開(kāi)關(guān)有過(guò)流保護(hù)動(dòng)作。

1.4.2 分析

從該事件推斷：變壓器高壓側(cè)開(kāi)關(guān)為誤動(dòng)作。

各開(kāi)關(guān)的繼電保護(hù)設(shè)置情況參見(jiàn)表3。調(diào)整前的TCC曲線參見(jiàn)圖4。

表3 繼電保護(hù)定值

表3中，I1n、I2n分別為變壓器(T1)高、低壓側(cè)額定電流值。

從圖4中可以看出，12臺(tái)消防風(fēng)機(jī)同時(shí)啟動(dòng)時(shí)，電流實(shí)測(cè)為2 200A左右，時(shí)間持續(xù)2～3s，為其提供電源的變壓器大部分為重要負(fù)荷，需手動(dòng)切除。調(diào)試前，該變壓器運(yùn)行電流為2 706A，負(fù)荷率高達(dá)75%，同時(shí)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)時(shí)，變壓器低壓側(cè)電流為2 706+2 200=4 906A，約為3 608A(變壓器二次側(cè)額定電流)的1.36倍，同時(shí)達(dá)到了CB-4的過(guò)流保護(hù)和CB-4的長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)的電流定值；但是由于持續(xù)時(shí)間較短(2～3s)，率先滿足了CB-3的過(guò)流保護(hù)時(shí)間定值，這才出現(xiàn)了過(guò)流保護(hù)動(dòng)作。

綜上分析，可以認(rèn)定現(xiàn)有定值存在問(wèn)題，主要是CB-3的過(guò)流保護(hù)時(shí)間定值設(shè)置過(guò)短，未充分考慮實(shí)際運(yùn)行需要，故無(wú)法保證可靠不動(dòng)作。

1.4.3 處理

處理方法為：調(diào)整CB-2、CB-3、CB-4 保護(hù)定值(參見(jiàn)表4)。調(diào)整后的TCC曲線參見(jiàn)圖5。

表4 繼電保護(hù)定值

圖5 TCC曲線(調(diào)整后)

從圖5可以看出，進(jìn)行定值調(diào)整后，基本解決了目前定值的選擇性和可靠性問(wèn)題。

從上述兩個(gè)實(shí)例看，ETAP軟件在繼電保護(hù)定值計(jì)算以及越級(jí)跳閘事故分析上有著獨(dú)到之處，簡(jiǎn)潔明了是其突出特點(diǎn)。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(tǒng)各類計(jì)算模塊二十多個(gè)，現(xiàn)國(guó)內(nèi)多家企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始引進(jìn)該軟件，并應(yīng)用在諸多項(xiàng)目上，計(jì)算精度和工作效率都提高了不少。

深入研究ETAP軟件并在設(shè)計(jì)過(guò)程中加以應(yīng)用，應(yīng)該是提高供配電系統(tǒng)整體可靠性的可行方法。

2 電力配電設(shè)計(jì)(工廠低壓及6/10kV大型設(shè)備配電部分)

電力配電是工廠供配電系統(tǒng)的重要部分，經(jīng)過(guò)多個(gè)工廠項(xiàng)目建設(shè)，電力配電設(shè)計(jì)日趨成熟，已形成了一套完整的、有針對(duì)性的設(shè)計(jì)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(guò)二級(jí)，配變電所及現(xiàn)場(chǎng)配電盤(pán)柜貼近負(fù)荷中心設(shè)置。

從已建項(xiàng)目調(diào)試及運(yùn)行狀況看，電力配電基本滿足了生產(chǎn)及一定的擴(kuò)產(chǎn)需要，但在線路及負(fù)荷分配上還存在問(wèn)題，對(duì)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行會(huì)造成負(fù)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(jī)非正常停機(jī)，全廠壓縮空氣系統(tǒng)斷氣。

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

3)處理：將空壓機(jī)控制裝置電源改由與空壓機(jī)及冷卻系統(tǒng)同一高壓母線段供電，回路正常，機(jī)組運(yùn)行正常。

雖然同組設(shè)備特別是大容量冷水機(jī)組和空壓機(jī)組與其成套的冷凍水系統(tǒng)/冷卻系統(tǒng)的電壓等級(jí)不同，但設(shè)計(jì)上均由同一高壓母線段配電；對(duì)于一用一備、多用一備或系統(tǒng)合用的設(shè)備(如冷水系統(tǒng)二次冷凍泵)，則由2個(gè)或多個(gè)高壓母線段配電。如此成熟的配電方案，依然出現(xiàn)了設(shè)備非正常停機(jī)現(xiàn)象。究其主要原因，在于對(duì)設(shè)備的情況不了解，未考慮到空壓機(jī)組控制裝置單獨(dú)配電，在設(shè)備安裝時(shí)現(xiàn)場(chǎng)增加一臺(tái)控制電源箱為所有同類設(shè)備供電，但若一旦失電，同類設(shè)備只能停機(jī)。

經(jīng)調(diào)查，此類大容量設(shè)備的電氣裝置基本是外協(xié)完成，在設(shè)計(jì)階段甚至設(shè)備招標(biāo)階段，設(shè)備供應(yīng)商的控制電源方案未明確，往往是由于：(1)電機(jī)啟動(dòng)裝置內(nèi)設(shè)有低壓變壓器提供本體控制裝置使用；(2)多臺(tái)設(shè)備一組自配電源；(3)每臺(tái)機(jī)組需要外供控制電源，前兩種情況都不需要單獨(dú)提供控制電源。針對(duì)此類設(shè)備配電，建議在不清楚設(shè)備配置時(shí)要著重考慮控制電源的分段提供，避免臨時(shí)增設(shè)線路所帶來(lái)的不可靠隱患。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著工廠供配電系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，僅注重供配電系統(tǒng)構(gòu)成和設(shè)備選型等“硬件”設(shè)計(jì)，已經(jīng)不能滿足供配電系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的需求，還需對(duì)繼電保護(hù)和連鎖等“軟件”以及設(shè)備調(diào)試及運(yùn)行情況進(jìn)行充分考慮。本文所述實(shí)例均為在項(xiàng)目調(diào)試及試運(yùn)行階段發(fā)生的事故，結(jié)合ETAP軟件進(jìn)行仿真計(jì)算以及對(duì)用電設(shè)備實(shí)際運(yùn)行工況的掌握，可分析出事故產(chǎn)生的原因，并提出相應(yīng)的處理方法。

[1] 任元會(huì),卞鎧生等. 工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2005.

[2] 張保會(huì),尹項(xiàng)根. 電力系統(tǒng)繼電保護(hù)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2006.

[3] JGJ 16-2008民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2008.

[4] GB/T 50062-2008電力裝置的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2008.

[5] 卓樂(lè)友,董柏林. 電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)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