非洲城市電網改造與中壓保護電器的選擇

錢 龍 / 熊小俊

(中國建筑設計院有限公司(原中國建筑設計研究院)智能工程中心，北京 100044)

在全球經濟發展嚴重不平衡和地區貧富差別日益拉大的背景下，受害最甚的非洲理應得到外界更多更有效的幫助。而在各種施援中，中國的援助獨具特色，口碑最好，聲望日隆。有理由相信，未來我國與非洲將在更大范圍、更廣領域、更高層面上進行合作。在此大背景下探討赤道幾內亞馬拉博城市電網項目對今后繼續開展類似項目具有一定的指導意義。

1 項目概況

1.1 地理特征

赤道幾內亞位于非洲中西部幾內亞灣，地處熱帶地區。屬赤道雨林氣候，年降水量1 900mm，年平均相對濕度85%，最低約80%，無冰雪覆蓋，最大風速20m/s，地震烈度3度。

1.2 城市概況

馬拉博(Malabo)是赤道幾內亞首都、北比奧科省省會，居民住宅密集，以木制或磚砌平房為主。工程所在地區處于平原和小丘嶺的城市區及郊區。

1.3 供電系統

馬拉博原有一座燃機電廠，總裝機容量為27MW。由66kV輸電線路經由變電站，利用分布在城市中的若干15/0.4kV箱式變電站向城市供電。箱式變電站之間采用15kV架空線干線式供電，箱變至用戶段采用0.4kV架空線路配電。由于年深日久以及氣候原因，設備老化嚴重，許多變電所服務年限超過設備正常壽命，其中一些變電所的變壓器已經停運，嚴重影響供電可靠性。此外, 因0.4kV系統采用架空線至居民用電，致使居民用電利用就近電桿私搭亂接現象特別嚴重，既存在極大人身安全隱患，也影響整個城市電網的安全運行，對城市街道景觀破壞嚴重。再加之城市發展迅速，電源容量已不能滿足用電需求，需新建電廠及城市電網。本文將介紹新建城網部分。

2 工程設計范圍及主要內容

2.1 設計范圍

本工程分為兩期。一期自20kV中壓站開關出線開始，經20kV配電線路、變電所、0.4kV配電線路至路邊配電箱(AL箱)止。二期自路邊配電箱(AL箱)出線開關下口開始，至居民電表箱止。

2.2 主要內容

工程內容主要包括新裝箱式變電站內中、低壓配電系統；20kV及0.4kV城市配電網系統；居民用電供電系統；接地系統。具體包括20kV配電線路的新建、20/0.4kV變壓器系統及0.4kV配電線路的新建。市區及城市近郊區內居民電表箱及其供電線路的新建。

3 箱式變電站

老城網箱式變電站為簡化版歐式箱變，體積較大。箱變內分為中壓室、低壓室及變壓器室。中壓室內采用Schneider SM6中壓開關柜，低壓側主進線開關為ABB SACE系列低壓斷路器，出線為DF 熔斷器。但由于熔斷器的一次性使用特性、用戶接線不規范以及箱變安全性不強屢遭當地不法分子的破壞等原因，造成熔斷器的大量損毀，中壓柜遭到嚴重破壞，進而屢屢發生各種電氣事故，危害居民人身安全。經與當地政府及電力公司的共同調研及商討，決定采用中國產20/0.4kV箱式變電站。中國箱變綜合了歐式箱變和美式箱變的優點，其外形同歐式箱變，但體積卻大大小于歐式箱變。此外，與之前箱變相比，增加了接地開關和避雷器。接地開關與主開關之間有機械聯鎖，且密封性及安全性更強，這樣既提高了箱變本身的安全性，又保證了在進行箱變維護時的人員安全。

新建箱變內中壓室、低壓室、變壓器室分隔布置。變電站的20kV進線為電纜引入方式，0.4kV出線采用電纜引出方式。20kV配電設備采用中壓環網開關柜，SF6負荷開關，并備用一路出線開關，便于需要20kV電源時，由就近箱變引出。低壓系統為單母線運行方式，配電裝置主進線開關為MT系列低壓斷路器，出線均為NS系列低壓斷路器。

4 中壓供電及其保護

4.1 中壓供電

原電網采用干線式供電，即采用一條15kV線路貫穿整個城市的箱變。而隨著用電設備的不斷增多，用電可靠性差的弊端逐漸顯現。故新城網20kV中壓供電系統采用區域式雙向有電源的環型供電方式，如圖1所示。

圖1 高壓供配電系統示意圖

由于兩電源間潮流分布不均衡或相位不一致等因素，一旦閉環，將產生環流，增加供電線路的電能損耗，故本城網采用閉環設計、開環運行方式，環路中有一處開環，正常運行時，此開環點總是斷開的。當供電線路的某一區域發生故障時，配電系統能夠自動隔離故障區段、自動恢復非故障區段供電。

以上供電方案需要遵循以下基本條件。

1)在線路選擇和設計時，兩個電源應有互帶能力。

2)實施線路分段原則，縮小因個別用戶或線路故障帶來的整體停電；將線路合理分段并設置分段點，提高供電可靠性。

3)干線的分段原則：①用戶負荷均等；②線路長度均等；③用戶數量盡量均等。

4.2 中壓保護

城網箱變采用24kV Schneider中壓RM6柜， 4路IIQI組合，見圖2。

圖2 高壓環網柜配電系統圖

如圖2所示，箱變中共有4面高壓柜，分別為進線柜、出線柜、變壓器保護柜、備用柜(順序從左至右)。在這里，對中壓線路采用負荷開關進行保護；對變壓器的保護采用負荷開關-熔斷器組合電器。負荷開關-熔斷器組合電器是由高壓負荷開關來承擔正常工作電流及過負荷電流的關合和開斷，并要求承擔“轉移電流”(見本文后述)的開斷；而變壓器高壓側的短路保護則由熔斷器來承擔。當變壓器高壓側發生過載或短路時，故障電流流過熔體，因其自身發熱而使熔體熔斷從而分斷電路。

1)負荷開關-熔斷器組合電器與斷路器保護的對比

對于設立專用變壓器的用戶，變壓器的保護配置方案通常有以下兩種：一是用斷路器保護，二是用負荷開關-熔斷器的組合保護(目前在發達國家負荷開關與斷路器的使用比例是 5∶1；而在我國則正好相反，斷路器與負荷開關比例是 5∶1)。這兩種保護方式各有特點，本文重點從下述兩方面做對比。

(1)有效性

限流型熔斷器能在10ms 內切除短路故障，同時熔斷器上的撞擊器可以迅速撞開負荷開關的脫扣機構使負荷開關分閘，從而保護變壓器。而斷路器保護時間由三部分組成：繼電保護時間+斷路器固有分閘時間+燃弧時間，這就要求變壓器必須能夠耐受較長時間的短路電流。

(2)經濟性

實際運行中經常對負荷進行開關切斷，但電氣短路情況發生較少。斷路器保護結構復雜，操作機構龐大，造價貴。負荷開關-熔斷器組合將控制與保護兩個功能分開，經常發生的負荷切換由負荷開關完成；極少發生的短路保護由熔斷器來完成，成本較低。

此外，負荷開關-熔斷器組合體積較小，運用在箱變中大大節省了高壓室的空間，可使箱變體積進一步縮小，從而再次降低了成本。如果再考慮到后期維護和檢修成本，負荷開關-熔斷器的經濟優勢將體現得更為突出。

綜上所述，在這次援非項目中采用負荷開關-熔斷器組合電器作為變壓器的保護配置裝置。

2)熔斷器的選擇

選擇熔斷器時，要注意工作電壓與熔斷器的額定電壓相符，并且熔斷器與電源側繼電保護之間以及熔斷器與負荷開關之間需匹配。此外，熔斷器還需要滿足以下條件。

(1)能耐受變壓器合閘時產生的勵磁涌流峰值。當變壓器的勵磁涌流峰值Is通過熔斷器時，其產生的熱效應一般按照10～20倍變壓器額定負載電流持續0.1s來計算。假若取12倍的變壓器一次側額定電流In， 即：

Is≥ 12In

(1)

式中，In為變壓器一次側額定電流，A；Sn為變壓器額定容量，kVA；Un為系統額定電壓，kV。

(2)滿足過負荷要求，確定熔斷器允許的過負荷電流。在正常環境溫度(不超過40 ℃)下，熔斷器的額定電流不應小于1.3倍變壓器額定電流，以避免其裝入開關柜后溫度升高引起的降容影響。一般情況下， 熔斷器額定電流Ifn選擇范圍：

1.3In≤Ifn≤ 1.5In

(2)

同時熔斷器應能耐受如下條件的過負荷電流：設變壓器分接開關按-5% 分接抽頭計算， 變壓器過負荷120%， 則變壓器高壓側過負荷電流If可由式(3)確定：

(3)

即：

(4)

熔斷器產品樣本中，用于變壓器一次側熔斷器選用如表1所示(此表為本工程所用Fusarc cF 高壓限流型熔斷器選擇表)。

3)負荷開關-熔斷器的組合電器與轉移電流

國家標準《高壓交流負荷開關一熔斷器組合電器》(GB 16926-2009)對負荷開關加熔斷器組合電器的定義是：一種組合電器，包括一組三極負荷開關及配有撞擊器的三只熔斷器，任何一個撞擊器的動作會引起負荷開關三極全部自動分閘。而當采用撞擊器操作負荷開關分閘時，在熔斷器完全熔斷與由負荷開關分斷的轉換開斷職能的三相對稱電流值變為兩相間的電流，此電流值稱為組合電器的額定轉移電流。當預期短路電流低于額定轉移電流值時，首開相電流由熔斷器開斷，而后兩相電流由負荷開關開斷(這個短路電流是三相短路電流的0.866倍,即兩相短路電流與三相短路電流之比)；當預期短路電流大于額定轉移電流值時，三相電流僅由熔斷器開斷。

一般情況下，制造廠的產品樣本會給出組合電器的額定轉移電流,額定轉移電流是指負荷開關所能配用最大值熔斷器的轉移電流,實際上所選熔體不一定是最大的,因此這種介于熔斷器的額定最小開斷電流與組合電器額定轉移電流之間的轉移電流就可以理解為實際轉移電流。

表1 20kV系統熔斷器選擇表

圖3 Fusarc cF熔斷器時間-電流特性曲線(12-24kV)

對于給定用途的組合電器，其實際轉移電流可按下述方法確定。

在熔斷器的最小弧前時間-電流特性曲線上，Tm1所對應的電流值就是確定的實際轉移電流值，Tm1按式(5)計算：

Tm1=0.9T0

(5)

式中，Tm1為三相故障電流下首先動作的熔斷器在最小時間-電流特性曲線上的熔斷時間，s；T0為熔斷器觸發的負荷開關分閘時間，s。

在IEC標準中，對T0的選值定為0.05s～0.3s，而我國大多數壓氣型負荷開關的分閘時間為0.1s～0.2s。

根據《工業與民用配電設計手冊》(第三版)217～218頁，通過計算得到的實際轉移電流Ic.zy應小于變壓器二次側直接短路時一次側故障電流Isc，即:

Ic.zy

(6)

5 工程設計案例

在本工程中，以1 000kVA箱式變電站為例。變壓器選用S9-M-1000kVA-20/0.4kV油浸式變壓器，聯結組別為D，yn11， Uk=4.5 %。采用負荷開關-熔斷器組合電器控制保護變壓器。組合電器選用額定電流200A的SF6負荷開關，分閘時間為0.05s(T0=0.05s)，額定電流50A 的Fusarc CF 熔斷器，額定短路開斷電流為40kA，最小開斷電流為180A。組合電器額定轉移電流為1 750A。根據式(1)～(5)對熔斷器選型進行校驗。

由式(1)可得：

In=1000 / (1.732×20)=28.87A

Is=12×29=346.44A

由式(4)可得：

47.5A=1.638×29 ≤Ifn≤ 1.89×29=54.81A

即 48 ≤Ifn≤ 55

故取熔斷器額定電流Ifn=50A。由圖3可得，熔斷器在0.1 s時允許通過的電流Is=450A， 大于變壓器勵磁涌流Is=346.44A。當變壓器二次側端子直接短路時，變壓器一次側最大故障電流Isc=1 000/( 1.732×20×4.5% )=641.52A。在時間-電流特性曲線(圖3)中，以Tm1=0.9，T0=0.045s作一水平線，與額定電流為50A的特性曲線的交點所對應的電流值，便為組合電器的實際轉移電流。即Ic.zy=580A(基于電流偏差-6.5%，其值還會略小一些)，小于變壓器一次側最大故障電流Isc。

上述校驗結果表明：高壓負荷開關-熔斷器組合電器的實際轉移電流小于其額定轉移電流，大于熔斷器的額定最小開斷電流，并且小于變壓器二次側直接短路時一次側的最大故障電流，這就保證了組合電器中負荷開關的安全使用。

本工程中壓20kV及低壓0.4kV配電部分皆已于2012年6月開始供電運行，使用正常，至今并未發現任何因設計缺陷所導致的電氣事故。

6 結束語

由于非洲城市居民用電配電系統采用室外箱變供電至路邊配電箱的形式，故選擇負荷開關-熔斷器組合電器不僅節約成本、減少箱變的體積，還能更有效的保護箱變中的油浸式變壓器。

本工程是中非諸多合作工程中的一個縮影，對這樣的改造工程進行設計時，不僅需要考慮技術方面的問題，還要考慮當地人民的生活水平和習慣，尊重當地的國情及民情。希望本文對日后的援非工程設計起到拋磚引玉的作用，從而讓更多的人了解、參與非洲工程，一同為促進中非合作做出貢獻。

[1] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.高壓交流負荷開關一熔斷器組合電器(GB 16926-2009)[S].北京：中國標準出版社，2009.

[2] 中國航空工業規劃設計研究院組編.工業與民用配電設計手冊[M].北京： 中國電力出版社，2005：215- 219.

[3] 王季梅.高壓交流熔斷器[M].西安：西安交通大學出版社，2000：60 - 80.

作者簡介

錢龍

2011年7月畢業于西安建筑科技大學自動化專業，畢業后一直從事電氣設計工作，助理工程師?，F供職于中國建筑設計院有限公司(原中國建筑設計研究院)智能工程中心，先后參與TELEHOUSE BEIJING 第二數據中心設計，海西商務大廈強弱電設計，中國建設銀行北京生產基地一期項目數據機房總控中心設計，奧體金融中心項目A棟樓數據中心機房系統工程項目設計，赤道幾內亞城市電網工程現場設計。