高層建筑電氣設(shè)計中低壓供配電系統(tǒng)可靠性分析

王德俊

（誠合保險經(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)常會出現(xiàn)低壓電氣故障。因此，相關(guān)工作人員必須充分意識到低壓電氣故障診斷與維修的重要性與必要性，并及時采取科學(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。進(jìn)行高層建筑物的電氣設(shè)計時，應(yīng)結(jié)合實例分析電氣設(shè)計中不同設(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)計與施工會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，因此，高層建筑的電氣設(shè)計工作綜合難度較大、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)計與施工建設(shè)，并做好日常維護(hù)管理工作。對特定場所和特定設(shè)備進(jìn)行設(shè)計時，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]。為全面落實并推進(jìn)該項工作，提高配電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，下文將對此進(jìn)行研究。

1 低壓供配電系統(tǒng)可靠性判據(jù)

在評價和提高級聯(lián)系統(tǒng)可靠性過程中，阻抗匹配是一個非常重要的基礎(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)小信號等效電路如圖1 所示。

圖1 低壓供配電系統(tǒng)小信號等效電路

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，將多個電壓源串聯(lián)起來以對其進(jìn)行簡化。對低壓供配電網(wǎng)進(jìn)行可靠度分析時，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)境因素不會對其運(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、后兩級的阻抗之比滿足奈奎斯特可靠度準(zhǔn)則，從而實現(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)，分析前級與后級的阻抗比對系統(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

該文對子系統(tǒng)可靠運(yùn)行進(jìn)行仿真，并通過試驗來驗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)中的每個子系統(tǒng)都能獨立穩(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)的各項參數(shù)均沒有發(fā)生變化時，Tmm的奈奎斯特曲線如圖3所示。

圖3 參數(shù)不改變時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，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)級聯(lián)系統(tǒng)的可靠性準(zhǔn)則，上述因素會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，其電壓不會穩(wěn)定控制在4000V 左右，這將會嚴(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

4.1 高層建筑電氣設(shè)計選型

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)模與實際情況，選擇適配的電氣設(shè)計類型。

表2 建筑電氣設(shè)計類型

4.2 系統(tǒng)主接線部署

高層建筑的供配電系統(tǒng)會受終端控制和負(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)?，因此在實際使用過程中，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)計接線，以對系統(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

在此基礎(chǔ)上，該文對系統(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)計算，如當(dāng)支路斷面低于最小安全電流時，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，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，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)計的系統(tǒng)主接線電路能夠滿足所有要求。

完成設(shè)計后，為確保相關(guān)工作的實施符合或達(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)計后系統(tǒng)整體運(yùn)行狀態(tài)的評估。在該過程中，可以根據(jù)系統(tǒng)主接線的部署方式建立對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。同時，采用PSCAD/EMTDC模擬軟件對構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬?？紤]工程實際設(shè)計中存在的不確定因素較多，而且這些因素會隨著時間的推移而不斷發(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)場的測量數(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，以保證能夠及時采取措施對系統(tǒng)主接線進(jìn)行處理與優(yōu)化設(shè)計。

在低壓供配電系統(tǒng)中，電源、線纜的選用是一個重要的問題。進(jìn)行線路鋪設(shè)前，要根據(jù)具體情況對電源進(jìn)行合理規(guī)劃，同時還要充分考慮負(fù)載分布的特點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，要對建筑物內(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，必須保證線路具有良好的保溫性能，安裝和使用時必須遵守有關(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 個部分。進(jìn)行低壓電氣的安裝時，應(yīng)結(jié)合實際選擇合適的設(shè)計方案和施工方法。建立低壓供配電系統(tǒng)的目的是要對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。但在實際設(shè)計中，受多種因素的制約，目前國內(nèi)低壓供配電網(wǎng)仍存在很多問題。為此，必須加強(qiáng)對供配電系統(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。為落實該方面的研究，該文以某高層建筑為切入點，對電氣設(shè)計中的供配電系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行了分析。然后從高層建筑電氣設(shè)計選型與系統(tǒng)主接線部署2 個方面入手，對提高系統(tǒng)可靠性的設(shè)計進(jìn)行了深入研究。在后續(xù)工作中，還將從電氣設(shè)計中的變壓器、供電線路設(shè)計等著手，加強(qiáng)系統(tǒng)的設(shè)計與規(guī)劃，以降低系統(tǒng)運(yùn)行中的故障發(fā)生概率。