供配電系統(tǒng)可靠性分析

楊順華，楊 彤

1.浙江大學醫(yī)學院附屬第一醫(yī)院，浙江杭州310003

2.浙江省建筑設(shè)計研究院，浙江杭州310006

0 引 言

能源安全事關(guān)國家經(jīng)濟社會發(fā)展全局，電力供應(yīng)保障是能源安全的重要組成部分。電力可靠性管理是指為提高電力可靠性水平而開展的管理活動，包括電力系統(tǒng)、發(fā)電、輸變電、供電、用戶可靠性管理等。電力用戶是其產(chǎn)權(quán)內(nèi)配用電系統(tǒng)和設(shè)備可靠性管理的責任主體，應(yīng)做好配用電系統(tǒng)和設(shè)備的配置與運行維護。電力設(shè)備制造企業(yè)也應(yīng)充分應(yīng)用電力可靠性管理的成果，加強產(chǎn)品可靠性設(shè)計、試驗及生產(chǎn)過程質(zhì)量控制，依靠技術(shù)進步、管理創(chuàng)新和標準完善，提升設(shè)備可靠性水平［1］。

電力系統(tǒng)可靠性管理指為保障電力系統(tǒng)充裕性和安全性而開展的活動，包括電力系統(tǒng)風險的事前預測預警、事中過程管控、事后總結(jié)評估及采取的防范措施。供電可靠性管理是指為實現(xiàn)向用戶可靠供電的目標而開展的活動，包括配電系統(tǒng)和設(shè)備的可靠性管理。用戶可靠性管理是指為保證用電的可靠性目標，減小對電網(wǎng)安全和其他用戶的影響，對其產(chǎn)權(quán)內(nèi)的配用電系統(tǒng)和設(shè)備開展的活動。供電企業(yè)應(yīng)當按規(guī)定為重要電力用戶提供相應(yīng)的供電電源，指導和督促重要用戶安全使用自備應(yīng)急電源。對重要電力用戶較為集中的區(qū)域，供電企業(yè)應(yīng)當科學合理規(guī)劃和建設(shè)供電設(shè)施，及時滿足重要用戶用電需要，確保供電能力和供電質(zhì)量［1］。

本文結(jié)合杭州第19 屆亞運會建設(shè)相關(guān)工程，對重要場所的供配電設(shè)計、系統(tǒng)調(diào)試、運維管理、事故處理進行分析，總結(jié)筆者參與的某重點保電工程外部斷電事故處理經(jīng)驗，為提高供電可靠性提供一定的參考。

1 電力設(shè)計

建筑工程的供配電形式一般分為中壓10 kV（20 kV）和低壓0.38 kV 兩部分，隨著各類重要場所建造規(guī)模的逐步擴大，用電設(shè)備（如集中空調(diào)制冷設(shè)備）容量亦水漲船高，使得變壓器容量和低壓0.38 kV配電系統(tǒng)難以滿足設(shè)備的使用要求，大型設(shè)備開始逐步轉(zhuǎn)向10 kV中壓段直接供電，配電設(shè)計的可靠性要求也越來越高。

重要場所的保電設(shè)計一般采用用戶自備應(yīng)急電源方案，自備電源的形式有發(fā)電機和儲能設(shè)備等，本文分析了10 kV柴油發(fā)電機組和不間斷電源UPS組合供電的保電方案，重點介紹柴油發(fā)電機組與市電切換的調(diào)試和配合。如圖1 所示，10 kV 柴油發(fā)電機組設(shè)在市電中壓段，切換采用并機不并網(wǎng)的方式，作為重要場所主要備用電源；末端一級負荷中特別重要負荷和有特殊要求的負荷，采用集中UPS 電源和分散設(shè)備自帶UPS 供電，實現(xiàn)末端重要負荷在電壓波動、閃斷以及在外線失電切換、柴油發(fā)電機啟動期間的不間斷供電。

圖1 10 kV一次電氣主接線示意

如圖1 所示，供電主進線為雙路10 kV市電，備用電源為2臺10 kV柴油發(fā)電機組，空調(diào)離心冷凍機組采用10 kV供電。該系統(tǒng)的優(yōu)勢在于：

1）冷凍機組啟動不受變壓器容量限制，此類大型設(shè)備的啟動，僅需在市電側(cè)繼電保護整定綜合考慮即可；

2）10 kV柴油發(fā)電機組在市電外線全部失電的情況下，切入后不僅可以保障UPS、一級負荷等重要負荷供電，還可根據(jù)柴油發(fā)電機組負荷情況，保障重要場所其他負荷供電，確保場所最大程度恢復運行；

3）10 kV 中壓部分配置的自動切換系統(tǒng)，通過中壓MTS 自動投切裝置，在外部供電系統(tǒng)故障時，按系統(tǒng)邏輯時序動作出口，自動投切，減少斷電影響時間，避免因人為故障處理和倒閘操作的繁瑣步驟造成長時間停電。

2 系統(tǒng)調(diào)試

供配電系統(tǒng)調(diào)試是設(shè)計應(yīng)用和用戶使用中尤為重要的一環(huán)，隨著供配電系統(tǒng)的微機保護裝置發(fā)展日益完善，在用戶側(cè)的應(yīng)用也越來越廣泛。10 kV中壓段采用的微機保護裝置，確保在用戶系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生故障時，保護裝置動作及時隔離內(nèi)部故障。微機保護的整定計算應(yīng)按照外部供電系統(tǒng)的最大或最小運行方式，結(jié)合內(nèi)部設(shè)備容量配置，作完備的整定計算，保障安全可靠地切除內(nèi)部故障。

10 kV中壓自動切換系統(tǒng)調(diào)試，可通過重要場所的使用特性和負荷等級，按投切邏輯和時序調(diào)試，實現(xiàn)用戶系統(tǒng)內(nèi)的10 kV中壓段單路失電自動加減載切換，雙路失電自動啟動柴油發(fā)電機組，及自動加減載切換，最終達到設(shè)計要求可靠性的目的。

自動切換裝置調(diào)試建議如下：

1）自動切換邏輯方案，應(yīng)全面考慮各種外線永久性故障情況下均能適用；

2）切換時序應(yīng)按各級設(shè)備的動作時限，確定各級自動裝置配合切換時序；

3）加減載順序宜按負荷的重要程度，確定切換動作的先后順序。

3 運維管理

供配電系統(tǒng)自動化程度高和用電可靠性要求高的重要場所，更是離不開專業(yè)團隊的管理，充足的運維技術(shù)人員是系統(tǒng)正常運行的保障。電氣設(shè)備故障主要分為以下幾點：

1）小動物造成的短路事件；

2）設(shè)備、線纜本體缺陷造成的故障；

3）設(shè)備操作使用不當造成的故障；

4）設(shè)備、電纜長期過載發(fā)熱造成的故障。

大部分電氣故障都是隱患的長期積累，事故發(fā)生前常伴隨有設(shè)備的發(fā)熱異常和放電異響，此類信號可以通過設(shè)備的紅外線成像測溫和運維人員設(shè)備巡視，在事故前期發(fā)現(xiàn)，并通過制定計劃檢修，消除隱患。另外，電氣設(shè)備故障的種類多樣，判斷事故類型，分析故障點，也需要一個專業(yè)的運維團隊去完成，一個高水平的運維管理團隊是提高供電可靠性的重要一環(huán)（圖2）。

圖2 配電房運維管理框架

4 事故處理

供配電系統(tǒng)的停電原因種類繁多，用戶內(nèi)部發(fā)生故障時，通過可靠的中壓繼電保護裝置和低壓的斷路器選擇性保護，可以及時可靠地隔離內(nèi)部故障，本文針對供電系統(tǒng)外部發(fā)生10 kV進線市電停電故障，作以下簡單分析：

1）一路或兩路市電同時失電，在中壓MTS 自動切換裝置延時判斷時間內(nèi)恢復供電，如電網(wǎng)臨近線路故障跳閘，造成的短時間電壓閃斷或波動，中壓MTS 自動切換裝置雖檢測到市電失電信號，但在裝置的延時動作時間內(nèi)已恢復，則不會造成自動切換裝置動作。根據(jù)系統(tǒng)各級的時序配合，亦不會造成配電裝置動作，但可能會造成一些敏感設(shè)備，如自動扶梯、電梯、大型重要設(shè)備、多聯(lián)機空調(diào)等設(shè)備失壓自保護停機，此類異?？筛鶕?jù)記錄的故障線路，及時展開末端排查，并恢復設(shè)備運行。

2）兩路市電同時失電，延時判斷時間內(nèi)不能恢復，如當?shù)貐^(qū)電網(wǎng)或本用戶電纜發(fā)生故障，造成兩路市電停電。中壓MTS 自動切換裝置檢測到市電進線失壓后，經(jīng)過延時判斷，市電仍未恢復，則自動切換裝置給柴油發(fā)電機組發(fā)出啟機信號，同時按時序切除故障母線段變壓器和負荷；在柴油發(fā)電機組通過自動啟機、并機，將機組發(fā)出的10 kV電送至柴油發(fā)電機組母線段，并在檢測電壓正常后，按時序自動合上10 kV柴發(fā)母線段出線斷路器，將電壓送至中壓MTS 自動切換裝置柴發(fā)側(cè)；切換裝置在檢測到柴發(fā)側(cè)電壓正常后，MTS自動切換至柴發(fā)側(cè)，并按時序恢復故障母線段變壓器和負荷。為保障柴油發(fā)電機組正常啟機，低壓部分設(shè)置的是失壓脫扣減負荷，可根據(jù)柴油發(fā)電機組的負荷情況逐步投入，完成市電兩路長時間故障情況下的柴油發(fā)電機組保供電（圖3）。

圖3 兩路失電處理流程

3）一路市電失電，延時判斷時間內(nèi)不能恢復，另外一路市電正常供電，原因與兩路失電類似，但該情況下中壓MTS 自動切換裝置檢測到僅一路市電進線失壓，另外一路市電有壓，經(jīng)過延時判斷，不會發(fā)出啟動柴油發(fā)電機組指令，僅按邏輯順序切除失電母線的變壓器和負荷。因高壓母聯(lián)在電網(wǎng)調(diào)度范圍內(nèi)，非特殊情況用戶嚴禁使用高壓母聯(lián)，用戶可通過變壓器低壓母聯(lián)切換，根據(jù)變壓器負載情況，按電工操作流程，恢復失電母線段低壓部分單電源負荷供電，完成單路市電的保電（圖4）。

圖4 一路失電處理流程

4）外線帶接地運行的特殊情況，如一路市電外線10 kV單相接地故障，按供電系統(tǒng)要求，單相接地可持續(xù)保障供電一段時間等特殊情況，無法與自動邏輯系統(tǒng)兼容，操作和保電的順序則需要運維團隊根據(jù)實際情況出發(fā)，在滿足電網(wǎng)調(diào)度要求的情況下，配合操作，完成特殊情況下的保電工作。

因電力故障種類多樣，內(nèi)部和外部故障、瞬時和永久故障、單相接地、相間短路、三相短路、兩相三相接地等等，實際案例應(yīng)用中往往更為復雜，自動裝置調(diào)試完善后，可以應(yīng)對電網(wǎng)發(fā)生的絕大部分常規(guī)故障，特殊情況仍需要手動操作，事故處理核心內(nèi)容萬變不離其宗，隔離故障并恢復供電，恢復的電源是來自市電雙電源，還是用戶自備電源決定操作的順序；備用電源切換的機械閉鎖和電氣閉鎖，亦是手動操作過程中防誤操作的重要保障。

5 結(jié) 語

供配電系統(tǒng)的可靠性與設(shè)計、調(diào)試、運維等各環(huán)節(jié)密切相關(guān)，由于現(xiàn)階段各環(huán)節(jié)的分工不明和銜接脫節(jié)，很容易造成系統(tǒng)的不完善或者不能達到設(shè)計初衷；再則，用戶運維人員專業(yè)知識不足和使用不當，均會對系統(tǒng)的可靠運行造成影響。通過對既有重要場所調(diào)研分析，建議從前期規(guī)劃設(shè)計階段，設(shè)計人員專業(yè)把控和對接，通過合理的方案論證、設(shè)計、實施和調(diào)試，進行全過程跟蹤；用戶運維人員通過系統(tǒng)交接、培訓等方式，提高運維管理水平，重要場所供電可靠性保障的措施大有可為。