華東某高校10kV線路斷電分析與解決——學(xué)校變壓器的失壓保護(hù)問題

楊 勇 趙星熠

華東某高校10kV線路斷電分析與解決——學(xué)校變壓器的失壓保護(hù)問題

楊 勇 趙星熠

[華東師范大學(xué)]

隨著高校規(guī)模的不斷擴(kuò)大和教學(xué)科研活動的不斷增加，高校用電需求也隨之日益增加。高校內(nèi)部建設(shè)有眾多10kV變電站，市政高壓供電進(jìn)入學(xué)校后，經(jīng)10kV站變配電輸送至各用電設(shè)備，市政供電電網(wǎng)的波動也隨之影響學(xué)校供電穩(wěn)定性，市政電網(wǎng)波動造成學(xué)校供電線路斷電情況時有發(fā)生。本文通過對學(xué)校10kV線路斷電情況進(jìn)行研究分析，介紹了變壓器低壓開關(guān)失壓保護(hù)裝置的不同形式，提出要選擇變壓器合適的保護(hù)裝置，以確保學(xué)校供電線路的穩(wěn)定性。

10kV站；線路斷電；變壓器；失壓保護(hù)

伴隨著教育改革的不斷推進(jìn)，大學(xué)的招生規(guī)模逐年擴(kuò)大，教學(xué)科研用能設(shè)備逐年增加，供電網(wǎng)絡(luò)的任何波動，都會對學(xué)校精密科研儀器以及數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，電力供應(yīng)的安全性和穩(wěn)定性尤為重要。

作為國家重點(diǎn)知名高校，華東某高校由市政高壓環(huán)網(wǎng)供電，供電環(huán)網(wǎng)分三路分別進(jìn)入學(xué)校教學(xué)區(qū)、本科生公寓區(qū)以及研究生公寓區(qū)。其中學(xué)校教學(xué)區(qū)供電網(wǎng)絡(luò)由一個35kV高壓站和13個10kV高壓站（共計(jì)32臺變壓器）以及低壓供電網(wǎng)組成。本科生公寓區(qū)供電網(wǎng)絡(luò)由10個10kV箱變（共計(jì)20臺變壓器）以及低壓供電電網(wǎng)組成。研究生公寓區(qū)供電網(wǎng)路由5個10kV高壓站（共計(jì)9臺變壓器）以及低壓供電電網(wǎng)組成。為方便供電網(wǎng)路檢修及確保學(xué)校供電穩(wěn)定，市政三路高壓進(jìn)線均分為Ⅰ段和Ⅱ段供電線路，各高壓站及箱變的變壓器均按其負(fù)荷平均分配在Ⅰ段和Ⅱ段供電線路上。

2019年10月某日晚，學(xué)校出現(xiàn)大面積斷電情況，學(xué)校教學(xué)區(qū)部分10kV線路斷電。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，本次教學(xué)區(qū)斷電共計(jì)影響教學(xué)區(qū)的7個10kV站。初步調(diào)查原因?yàn)樯霞夒娋W(wǎng)波動造成35kV站Ⅱ段進(jìn)線電壓波動，進(jìn)而造成7個10kV變電站內(nèi)Ⅱ段變壓器低壓側(cè)開關(guān)斷路器失壓保護(hù)裝置啟動造成停電。

為確定學(xué)校大面積斷電的具體原因，保障學(xué)校電力供應(yīng)的安全，對本次停電情況進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)查分析。

一、停電情況分析

（一）學(xué)校供電網(wǎng)絡(luò)35kV高壓變配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

供電流程：35kV外線電網(wǎng)——高壓斷路器——高壓變壓器——10kV斷路器——10kV母線——10kV斷路器——各10kV變壓器——低壓開關(guān)斷路器（帶失壓保護(hù)裝置）——400V用電設(shè)備，詳見圖1。

圖1 校區(qū)35kV高壓變配電系統(tǒng)

失壓保護(hù)裝置作用：在遇到市政供電高壓環(huán)網(wǎng)瞬間失壓時，變壓器低壓側(cè)開關(guān)斷路器的失壓保護(hù)裝置瞬間啟動，斷路器跳閘。根據(jù)GB14148.1-2000《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備總則》規(guī)定欠壓脫扣動作的的范圍為額定電壓的35%-70%，失壓脫扣的動作的的范圍為額定電壓的10%-35%。[1]

（二）市政高壓供電環(huán)網(wǎng)波動原因分析

從供電局了解到，10月某日夜間，學(xué)校附近一處工廠的一臺變壓器發(fā)生故障。故障發(fā)生后，為防止損失進(jìn)一步擴(kuò)大，市政高壓供電保護(hù)裝置啟動，高壓供電設(shè)備在0.2秒內(nèi)跳閘一次，切除故障線路供電，因此造成市政供電線路0.2秒的瞬時失壓，進(jìn)而引起市政35kV高壓供電環(huán)網(wǎng)產(chǎn)生波動。本次市政高壓電網(wǎng)波動影響周圍（包括學(xué)校在內(nèi)）的多個廠區(qū)、園區(qū)。

（三）學(xué)校停電情況分析

在本次市政供電環(huán)網(wǎng)波動造成的學(xué)校大面積停電中，本科生公寓以及研究生公寓區(qū)供電未受到影響，部分10kV站Ⅱ段變壓器及新建樓宇10kV站Ⅱ段變壓器也未出現(xiàn)停電現(xiàn)象。其中本科生公寓以及研究生公寓區(qū)由其他兩路市政高壓供電網(wǎng)絡(luò)供電，不受本次供電網(wǎng)絡(luò)波動影響。對其余未停電10kV站Ⅱ段變壓器調(diào)查分析，原因主要有以下兩種。

一是變壓器退出了低壓開關(guān)失壓（欠壓）保護(hù)功能。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)樓Ⅱ段變壓器低壓斷路器失壓（欠壓）保護(hù)裝置因失效已被拆除，并且未加裝新的保護(hù)裝置，因此本次事故中未受到影響。

二是變壓器低壓開關(guān)失壓（欠壓）保護(hù)增加了延時裝置。變壓器低壓側(cè)失壓保護(hù)裝置并聯(lián)有延時保護(hù)裝置，延時裝置內(nèi)部能夠存儲電能。當(dāng)供電電網(wǎng)瞬時失壓，變壓器低壓開關(guān)將不會跳閘，若電網(wǎng)長時失壓或欠壓（小于電網(wǎng)額定電壓的70%），供電電壓不能由延時裝置內(nèi)部存儲的電能維持時，低壓開關(guān)才會斷開[2]。學(xué)校新建10kV站內(nèi)安裝的變壓器均采用延時保護(hù)功能，因此本次未發(fā)生停電現(xiàn)象。

二、原因分析及解決

本次教學(xué)區(qū)7個10kV變電站內(nèi)Ⅱ段變壓器斷電，均是由高壓供電電網(wǎng)波動造成變壓器低壓開關(guān)失壓（欠壓）保護(hù)啟動引起。為保障學(xué)校供電網(wǎng)絡(luò)的安全穩(wěn)定，對學(xué)校目前變壓器低壓開關(guān)失壓（欠壓）保護(hù)現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查分析。

（一）低壓開關(guān)失壓（欠壓）保護(hù)

變壓器低壓開關(guān)失壓（欠壓）保護(hù)的主要作用是，在維持供電電網(wǎng)穩(wěn)定的同時，保護(hù)供電線路上的用電設(shè)備不受電網(wǎng)波動的損害。失壓（欠壓）保護(hù)裝置啟動，斷路器斷開，供電電網(wǎng)恢復(fù)后，供電線路上所載負(fù)荷不會同時啟動，避免了高壓供電線路負(fù)載過高造成電網(wǎng)瞬間過載；同時能夠避免低壓端用電設(shè)備瞬間啟停造成的操作過電壓和電流的沖擊。

但是，低壓開關(guān)失壓（欠壓）保護(hù)裝置啟動后，用電線路斷電，需要電力搶修人員到10kV站內(nèi)對各斷電變壓器手動合閘進(jìn)行送電，這種情況不僅供電速度很慢，而且電力搶修人員工作量大，學(xué)校斷電時間較長，承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)較高。由于學(xué)校數(shù)據(jù)中心、重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對供電網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的要求越來越高，學(xué)校內(nèi)變壓器必須選取合適的失壓（欠壓）保護(hù)方式，以解決市政高壓電網(wǎng)波動產(chǎn)生的變壓器失壓脫扣保護(hù)與學(xué)?？焖倩謴?fù)供電之間的矛盾。

（二）學(xué)校變壓器低壓開關(guān)失壓（欠壓）保護(hù)情況

目前學(xué)校10kV站變壓器針對電網(wǎng)波動有三種應(yīng)對方式：低壓開關(guān)退出失壓（欠壓）保護(hù)、低壓開關(guān)瞬時失壓（欠壓）保護(hù)、低壓開關(guān)延時失壓（欠壓）保護(hù)。下面對三種方式進(jìn)行分析。

方式一：低壓開關(guān)退出失壓（欠壓）保護(hù)。在市政高壓電網(wǎng)失壓或者欠壓時，由于變壓器退出了失壓（欠壓）保護(hù)，其低壓側(cè)開關(guān)始終保持閉合，當(dāng)市政高壓電網(wǎng)恢復(fù)供電后，變壓器直接恢復(fù)供電。對于學(xué)校現(xiàn)有變壓器，只需將低壓開關(guān)失壓保護(hù)裝置拆除即可。這種方式原理簡單，改造起來也較為簡單同時成本較低。但是，這種方式會對市政電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行、學(xué)校的高精密實(shí)驗(yàn)設(shè)備等帶來損害。一是由于操作過電壓會對市政供電電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，造成高壓電網(wǎng)瞬間的電壓質(zhì)量劣化，對學(xué)校眾多用電設(shè)備造成嚴(yán)重?fù)p害。二是則當(dāng)供電電壓欠壓較嚴(yán)重（如小于電網(wǎng)額定電壓的70%）時，供電電壓嚴(yán)重不足，低壓側(cè)用電設(shè)備欠壓運(yùn)行，輕則造成學(xué)校實(shí)驗(yàn)設(shè)備斷電，數(shù)據(jù)丟失，實(shí)驗(yàn)中斷；重則造成設(shè)備電機(jī)電流過大，燒毀用電設(shè)備，引發(fā)安全隱患。

方式二：低壓開關(guān)瞬時失壓（欠壓）保護(hù)。在市政高壓電網(wǎng)失壓或者欠壓情況下，變壓器低壓開關(guān)啟動保護(hù)斷開線路，市政高壓電網(wǎng)恢復(fù)后，電力搶修人員到現(xiàn)場逐一手動合閘送電，速度比較慢，且人員工作量很大。同時由于電網(wǎng)波動較為頻繁，容易造成學(xué)校頻繁無預(yù)警停電，針對學(xué)校眾多的用電設(shè)備、實(shí)驗(yàn)設(shè)備以及數(shù)據(jù)中心會造成設(shè)備損壞、數(shù)據(jù)丟失等嚴(yán)重影響教學(xué)科研活動的情況。

方式三：低壓開關(guān)延時失壓（欠壓）保護(hù)。在供電電網(wǎng)正常供電時，對變壓器低壓側(cè)失壓延時裝置充電。當(dāng)市政高壓電網(wǎng)瞬時失壓，欠壓延時裝置釋放其內(nèi)部儲備的電能，從而維持電網(wǎng)供電。安裝了延時裝置，對于市政高壓電網(wǎng)的瞬時失壓，變壓器低壓開關(guān)將不會跳閘，只有當(dāng)市政高壓電網(wǎng)長時間失壓或欠壓（小于電網(wǎng)額定電壓的70%），供電電壓不能由延時裝置內(nèi)部存儲的電能維持，變壓器失壓（欠壓）保護(hù)啟動，開關(guān)才會跳閘?？傮w來說，延時保護(hù)能夠很好的應(yīng)對電網(wǎng)波動，減少停電風(fēng)險(xiǎn)，保護(hù)用電設(shè)備正常運(yùn)行，保障學(xué)校供電安全。

此次市政供電電網(wǎng)波動造成的停電事故中，受到影響的均是按照方式二進(jìn)行的低壓開關(guān)瞬時失壓（欠壓）保護(hù)的10kV線路變壓器。

（三）解決方案

通過分析發(fā)現(xiàn)，10kV站變壓器低壓開關(guān)選擇退出失壓（欠壓）保護(hù)或低壓開關(guān)瞬時失壓（欠壓）保護(hù)均不能很好的應(yīng)對供電電網(wǎng)波動。目前，學(xué)校已對現(xiàn)有變壓器低壓側(cè)出線開關(guān)進(jìn)行全面調(diào)查，在條件允許情況下，全部選擇低壓開關(guān)延時保護(hù)方案保證學(xué)校供電網(wǎng)絡(luò)安全。

三、結(jié)論及展望

通過本次學(xué)校停電情況的調(diào)查，分析了變壓器低壓開關(guān)失壓（欠壓）保護(hù)的各種方式，進(jìn)而保障學(xué)校供電網(wǎng)絡(luò)的安全性和穩(wěn)定性。建議各高校根據(jù)自身實(shí)際情況，就是否有利于供電穩(wěn)定性、是否有利于學(xué)校用電設(shè)備安全性、是否有利于學(xué)校變壓器跳閘后快速恢復(fù)供電等多方面進(jìn)行詳細(xì)比較，綜合考慮用電需求和改造成本選擇適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)方式。

隨著科技的發(fā)展，供電網(wǎng)絡(luò)也越來越智能化，目前已有低壓自動開關(guān)失壓保護(hù)自恢復(fù)技術(shù)，通過AI技術(shù)自動判斷開關(guān)分閘是由失壓引起還是正常分閘（人工斷開），并根據(jù)判定結(jié)果來確定開關(guān)是否重新合閘并自動進(jìn)行動作。利用此類科技手段可大大減少電力搶修人員恢復(fù)供電時間和勞動強(qiáng)度，更好地保證電力的供應(yīng)和穩(wěn)定。

[1]GB14148.1-2000，低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備，[S].

[2]王維儉.電氣主設(shè)備繼電保護(hù)原理與應(yīng)用（第二版）[M].北京：中國電力出版社，2002.

（責(zé)任編輯：趙鵬程）