建筑工程變電所系統有效運行研究

余旋

（安徽建筑大學 電子與信息工程學院，安徽 合肥 230601）

建筑工程變電所系統有效運行研究

余旋

（安徽建筑大學 電子與信息工程學院，安徽 合肥 230601）

建筑工程是一個由多個部分有機構成的復雜系統，在諸多構成部分之中，電力系統是必不可少的，直接關系到整個建筑工程能否正常使用，變電所是整個電力系統中最為核心和關鍵的，基于此，本文對變電所有效運行的諸因素進行研究，從變電所位置選擇出發，研究了建筑工程變電所交直流操作電源的選用原則和方式，也對建筑工程變電所高低壓開關柜的進出線方式選擇進行分析，在前述基礎上，對建筑工程變電所電力變壓器的故障、保護和整定進行探討.

建筑工程；變電所；有效運行

眾所周知，建筑工程是一個復雜的系統，有多個組成部分，在諸多部分之中，電力系統是現代建筑必不可少的，在一定意義上可以說直接關系到整個建筑工程能否正常使用，而變電所是整個電力系統中最為核心和關鍵的，因此，建筑工程中的變電所的正常和有效運行就顯得極為重要，這也是本文研究的基本出發點所在.

1 建筑工程內的變電所位置選擇——首要的基本條件

一個建筑工程，在設計之初就應當考慮到變電所的位置，這是建筑工程變電所運行的首要的基本條件，變電所的選擇應基于以下幾個方面的考慮.

1.1 應盡可能接近用電負荷中心

變電所接近負荷中心，低壓供電半徑小，減少電壓降，節省線纜、減少能耗，提高供電質量，是首先要考慮的原則.對于高層建筑、地下室和屋頂是電力負荷相對比較集中的兩個區域，地下室有冷凍機房、水泵房、鍋爐間、通風設備等，約占整個大樓用電負荷的40%～55%，尤其是冷凍機房是用電大戶，因此變電所應盡量靠近冷凍機房一側.對于建筑體量比較大的高層建筑，特別是超高層，其屋面層電力負荷比較大，如電梯、消防風機、冷卻塔等.在北方，空調采暖采用電熱泵機組，一般布置在屋面層，這樣也可考慮在屋面層或技術層設置分變電所.

1.2 變電所位置選擇要考慮到進出線方便

高壓進線要盡量減少與建筑周圍其他管道的交叉.出線要靠近用電負荷側，特別希望與電氣豎井靠近，并使大部分線纜的走向盡量能避免與其他專業的大管道交叉.尤其在高層有限的情況下，更應綜合考慮，合理布置.

1.3 電氣設備運輸、吊裝的便利

設在地下室的變電所，其電氣設備的運輸通道，首先應盡量利用地下層的車道，但應注意其層高能否滿足要求，通往變電所的通道有否剪力墻等不可拆移的障礙物.總之，必須滿足首次搬運、安裝和將來檢修的需要，特別應注意今后更換變壓器時搬運的可能.如果沒有車道或不能滿足以上要求，則要考慮可否在變電所某一位置的頂板上予留吊裝孔，吊裝孔還應考慮一些善后處理的措施.

設置在屋頂層或中間技術層的變電所，主要應考慮電氣設備吊裝的可能，以及樓板荷載的承重問題.

1.4 其他需要考慮的因素

1.4.1 變電所位置選擇還需要考慮到防水.變電所若設于地下室，不宜設在最底層，當地下層僅有一層時，應采取適當抬高地面等防水措施.變電所不應設在廁所、浴室或其他經常積水場所的正下方或鄰近.

1.4.2 變電所位置還應考慮避開劇烈振動的場所、遠離污穢的地方（如污水處理站），不應與有火災危險的場所鄰近.

2 建筑工程變電所交直流操作電源的選用——變電所運行的核心

2.1建筑工程變電所交流電的選用

交流操作電源一般有“電壓源”與“電流源”兩種.“電壓源”主要來自所用變或配電變壓器二次側380/220V母線，或電壓互感二次側經100/220V隔離變壓器取得.但須注意，從電壓互感器引來的“電壓源”不能作為短路保護裝置的操作電源，為解決變電所首次電動合閘問題，電壓互感器必須接在進線斷路器的電源側.為提高其供電的可靠性，電壓互感器二次繞組中性點采用經擊穿保險器接地，當其二次回路任一相發生接地時，可由電壓繼電器監察并發出信號.

“電源流”由電流互感器提供，主要供繼電保護跳閘.短路故障時，可利用電流互感器二次側短路電流使斷路器跳閘.交流操作電源具有接線簡單、投資低、節省占地面積等優點，但還不能構成十分完善的保護系統，一般只能應用在中小型變電所中.

2.2 建筑工程變電所直流電的選用

建筑工程變電所的直流操作電源可分為兩種，一種是由蓄電池組組成，另一種是由交流整流獲得，現從以下兩個方面進行論述.

2.2.1 蓄電池組電源.免維護鉛酸蓄電池直流系統成套裝置和鎘鎳蓄電池直流系統成套裝置.前者主電路是由鉛酸蓄電池組、充電/浮充電機、硅穩壓調壓裝置及直流輸出回路組成；后者有鎘鎳蓄電池組、充電機、直流恒壓裝置和直流輸出回路組成.這兩種直流電源均是一個獨立的電源，與系統運行狀況無關，可以在停電情況下保證直流操作機構、繼電保護、信號、自動裝置以及應急事故負荷電源的供電.

尤其是鎘鎳蓄電池直流裝置，采用密封免維護電池，無須補液，并能防止出現爬堿現象，具有可靠性高、占地面積小、維護工作量少、可以實現復雜的繼電保護等優點，已被廣泛應用.但該直流電源也存在接線復雜、直流網絡較長、設備一次投資大、易引起直流一點接地故障等缺電，因此僅在對操作電源要求特別可靠的工程中采用.

2.2.2 整流操作電源.常見的是由硅整流裝置和電容補償裝置構成.系統正常運行時，操作電源由硅整流裝置提供，繼電保護電源由電容補償裝置供給.當系統故障時，交流電源電壓降低甚至消失時，由電容儲能裝置放電使斷路器跳閘，其優點是設備簡單、投資省、便于維護；缺點是可靠性不如蓄電池直流系統.在小型變配電系統中得到廣泛地應用.

在民用工程的變配電系統中，操作電源的選擇應根據建筑物（群）或小區的規模、性質（重要性）以及斷路器選型對操作電源的要求、經濟指標、變電所的面積條件等綜合考慮確定.應該說，交流操作電源首先被廣泛采用，僅在對供電可靠性有特別要求的工程，或規模特別大的系統才考慮用直流操作，且一般首選鎘鎳蓄電池直流裝置.需要提醒的是，對供電部門要求用戶電源進線斷路器加失壓保護的系統，斷路器必須選用帶失壓脫扣機構，否則交流操作電源難以滿足這個要求.

3 建筑工程變電所高低壓開關柜的進出線方式選擇——變電所內電流運行的路徑

一般而言，建筑工程變電所高低壓開關柜的進出線方式主要分為上進上出和下進下出或二者兼有幾種方式，這幾種方式各有優缺點，應根據工程具體情況選擇，下面針對這幾種出現方式，進行分析.

3.1 建筑工程變電所高低壓開關柜的下進下出線方式

這是一種比較傳統的方式，即電源進線及饋出線均以電纜形式從開關柜下部進出，需要在開關柜下面做電纜溝或電纜夾層，作為電纜敷設之用，安裝檢修十分方便，地面上變電所常用這種方式.對于地下室變電所，要設電纜夾層或電纜溝，為滿足大電纜彎曲半徑的需要，溝深要1m左右，夾層則要1.8～2.4m高，這就可能出現一系列問題，如地下層要有足夠的高度才能做架空地板，以形成電纜溝或夾層；土建造價勢必大為提高，很不經濟.若在結構底板上開溝，則必須斷筋，給結構帶來難度，而且纜溝進水、積水、電纜泡水也難以處理.另外，由于電纜溝尺寸因設備不同而異，而設備定貨往往在土建施工之后才能落實，因而常造成土建大返工.因此“下進下出”的方式在地下層變電所的應用受到諸多因素的限制，而逐漸被“上進上出”所取代.

3.2 建筑工程變電所高低壓開關柜的上進上出線方式

這是近年來地下室變電所較廣泛應用的進出線方式，即電源進線與饋出線均從開關柜頂部進出.隨著電纜橋架、密集型母線的問世，為導線敷設方式開辟了新的途徑，也使得“上進上出”成為可能.它避免了“下進下出”的一系列弊端，充分利用了開關柜頂的空間，壓縮了層高，解決了進水、積水問題，比較經濟合理.但對開關柜制造廠提出了新的要求，即要求開關柜應有導體上引的通道.目前國內外均有這類產品問世，國產的如KYN、JYN改型的高壓柜（即柜臺后加背包作為電纜進出的空間），低壓柜如GCK、GCS、MNS等，均可實現“上進上出”.

3.3 建筑工程變電所高低壓開關柜的混合型出線方式

即一部分線纜上進上出，一部分為下進下出.這多適用于設在樓層上的配電室，饋出線既有往高層走，也有往低層去，這在設備訂貨時，應特別注意對廠家提出不同的出線要求.

4 電力變壓器的故障、保護和整定——建筑工程變電所有效運行的有力保障

4.1 建筑工程變電所電力變壓器的常見故障

變壓器故障可分為內部故障和外部故障兩種.

內部故障指變壓器相間、繞組匝間短路和單相接地短路，短路電流的電弧不僅會破壞繞組絕緣、燒壞鐵芯，而且還會由于絕緣材料和變壓器油因受熱分解產生嚴重后果.

外部故障指引出線上絕緣套管相間短路和過負荷引起的過電流、繞組溫度升高、油溫升高、油面降低等.

4.2 建筑工程變電所電力變壓器的保護和整定

根據上述故障及運行的異常現象，考慮民用建筑變壓器容量一般在2000kV·A及以下，一般應按照以下方式進行保護和整定.

4.2.1 過電流保護和整定

防御外部短路而引起的過電流，并作為速斷保護的后備保護，帶時限動作于跳閘.其整定原則如下：

（1）按躲過變壓器可能出現的最大負荷電流來整定（主要應考慮電動機的自起動等因素）.

（2）過電流保護動作時限應與低壓側熔斷器或斷路器保護相配合，時限階段取△t=0.5～0.7s.

（3）靈敏度按變壓器二次側兩相短路的條件來校驗.

4.2.2 速斷保護和整定

防御變壓器的內部故障和引出線的相間短路、接地短路，瞬時作用于跳閘，一般當過流時限大于0.5s時，需裝設速斷.

整定原則為，起動電流應躲過系統最大運行方式時變壓器二次側短路電流，所以二次側套管引出線發生短路，保護不會動作，只能保護變壓器大部分繞組.因此必須與過流、瓦斯等配合，才能有效地保護變壓器.

4.2.3 瓦斯保護和整定

用于800kV·A及以上油浸式變壓器，防御變壓器油箱內部多種類型故障尤其是繞組匝間短路最靈敏.短路電流的電弧使絕緣物和油分解產生大量氣體，于是熱油膨脹，油流沖擊瓦斯繼電器，使舌簧接點接通，重瓦斯作用于跳閘，輕瓦斯作用于報警.

4.2.4 過負荷保護和整定

防御因過載而引起的過電流，一般只在有可能過載時才裝設.如并列運行的變壓器，或作為其他備用電源變壓器等，一般作用于信號（帶時限）.還可利用變壓器低壓側空氣斷路器的長延時脫扣器，實現過負荷保護.

整定原則為，起動電流按躲過變壓器的額定電流1.2～1.5倍整定，其動作時限應大于過電流保護的時限，一般10～15s.

4.2.5 單相接地保護和整定

對于變壓器低壓側為干線制Y，yn0的變壓器，當利用高壓側的過流保護兼作單相接地保護，或利用低壓側三相過流保護不能滿足靈敏度要求時，應裝設單相接地保護作用于跳閘.

整定原則為，應躲過正常運行時變壓器中性線上流過的最大不平衡電流（一般不超過變壓器額定電流的25%）.

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