供配電系統可靠性分析

楊順華，楊 彤

1.浙江大學醫學院附屬第一醫院，浙江杭州310003

2.浙江省建筑設計研究院，浙江杭州310006

0 引 言

能源安全事關國家經濟社會發展全局，電力供應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、發電、輸變電、供電、用戶可靠性管理等。電力用戶是其產權內配用電系統和設備可靠性管理的責任主體，應做好配用電系統和設備的配置與運行維護。電力設備制造企業也應充分應用電力可靠性管理的成果，加強產品可靠性設計、試驗及生產過程質量控制，依靠技術進步、管理創新和標準完善，提升設備可靠性水平［1］。

電力系統可靠性管理指為保障電力系統充裕性和安全性而開展的活動，包括電力系統風險的事前預測預警、事中過程管控、事后總結評估及采取的防范措施。供電可靠性管理是指為實現向用戶可靠供電的目標而開展的活動，包括配電系統和設備的可靠性管理。用戶可靠性管理是指為保證用電的可靠性目標，減小對電網安全和其他用戶的影響，對其產權內的配用電系統和設備開展的活動。供電企業應當按規定為重要電力用戶提供相應的供電電源，指導和督促重要用戶安全使用自備應急電源。對重要電力用戶較為集中的區域，供電企業應當科學合理規劃和建設供電設施，及時滿足重要用戶用電需要，確保供電能力和供電質量［1］。

本文結合杭州第19 屆亞運會建設相關工程，對重要場所的供配電設計、系統調試、運維管理、事故處理進行分析，總結筆者參與的某重點保電工程外部斷電事故處理經驗，為提高供電可靠性提供一定的參考。

1 電力設計

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模的逐步擴大，用電設備（如集中空調制冷設備）容量亦水漲船高，使得變壓器容量和低壓0.38 kV配電系統難以滿足設備的使用要求，大型設備開始逐步轉向10 kV中壓段直接供電，配電設計的可靠性要求也越來越高。

重要場所的保電設計一般采用用戶自備應急電源方案，自備電源的形式有發電機和儲能設備等，本文分析了10 kV柴油發電機組和不間斷電源UPS組合供電的保電方案，重點介紹柴油發電機組與市電切換的調試和配合。如圖1 所示，10 kV 柴油發電機組設在市電中壓段，切換采用并機不并網的方式，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 電源和分散設備自帶UPS 供電，實現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柴油發電機組，空調離心冷凍機組采用10 kV供電。該系統的優勢在于：

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

2）10 kV柴油發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，還可根據柴油發電機組負荷情況，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，通過中壓MTS 自動投切裝置，在外部供電系統故障時，按系統邏輯時序動作出口，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 系統調試

供配電系統調試是設計應用和用戶使用中尤為重要的一環，隨著供配電系統的微機保護裝置發展日益完善，在用戶側的應用也越來越廣泛。10 kV中壓段采用的微機保護裝置，確保在用戶系統內部發生故障時，保護裝置動作及時隔離內部故障。微機保護的整定計算應按照外部供電系統的最大或最小運行方式，結合內部設備容量配置，作完備的整定計算，保障安全可靠地切除內部故障。

10 kV中壓自動切換系統調試，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試，實現用戶系統內的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電機組，及自動加減載切換，最終達到設計要求可靠性的目的。

自動切換裝置調試建議如下：

1）自動切換邏輯方案，應全面考慮各種外線永久性故障情況下均能適用；

2）切換時序應按各級設備的動作時限，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，更是離不開專業團隊的管理，充足的運維技術人員是系統正常運行的保障。電氣設備故障主要分為以下幾點：

1）小動物造成的短路事件；

2）設備、線纜本體缺陷造成的故障；

3）設備操作使用不當造成的故障；

4）設備、電纜長期過載發熱造成的故障。

大部分電氣故障都是隱患的長期積累，事故發生前常伴隨有設備的發熱異常和放電異響，此類信號可以通過設備的紅外線成像測溫和運維人員設備巡視，在事故前期發現，并通過制定計劃檢修，消除隱患。另外，電氣設備故障的種類多樣，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（圖2）。

圖2 配電房運維管理框架

4 事故處理

供配電系統的停電原因種類繁多，用戶內部發生故障時，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部故障，本文針對供電系統外部發生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恢復供電，如電網臨近線路故障跳閘，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已恢復，則不會造成自動切換裝置動作。根據系統各級的時序配合，亦不會造成配電裝置動作，但可能會造成一些敏感設備，如自動扶梯、電梯、大型重要設備、多聯機空調等設備失壓自保護停機，此類異常可根據記錄的故障線路，及時展開末端排查，并恢復設備運行。

2）兩路市電同時失電，延時判斷時間內不能恢復，如當地區電網或本用戶電纜發生故障，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，經過延時判斷，市電仍未恢復，則自動切換裝置給柴油發電機組發出啟機信號，同時按時序切除故障母線段變壓器和負荷；在柴油發電機組通過自動啟機、并機，將機組發出的10 kV電送至柴油發電機組母線段，并在檢測電壓正常后，按時序自動合上10 kV柴發母線段出線斷路器，將電壓送至中壓MTS 自動切換裝置柴發側；切換裝置在檢測到柴發側電壓正常后，MTS自動切換至柴發側，并按時序恢復故障母線段變壓器和負荷。為保障柴油發電機組正常啟機，低壓部分設置的是失壓脫扣減負荷，可根據柴油發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，經過延時判斷，不會發出啟動柴油發電機組指令，僅按邏輯順序切除失電母線的變壓器和負荷。因高壓母聯在電網調度范圍內，非特殊情況用戶嚴禁使用高壓母聯，用戶可通過變壓器低壓母聯切換，根據變壓器負載情況，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，按供電系統要求，單相接地可持續保障供電一段時間等特殊情況，無法與自動邏輯系統兼容，操作和保電的順序則需要運維團隊根據實際情況出發，在滿足電網調度要求的情況下，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，實際案例應用中往往更為復雜，自動裝置調試完善后，可以應對電網發生的絕大部分常規故障，特殊情況仍需要手動操作，事故處理核心內容萬變不離其宗，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 語

供配電系統的可靠性與設計、調試、運維等各環節密切相關，由于現階段各環節的分工不明和銜接脫節，很容易造成系統的不完善或者不能達到設計初衷；再則，用戶運維人員專業知識不足和使用不當，均會對系統的可靠運行造成影響。通過對既有重要場所調研分析，建議從前期規劃設計階段，設計人員專業把控和對接，通過合理的方案論證、設計、實施和調試，進行全過程跟蹤；用戶運維人員通過系統交接、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。