配電系統(tǒng)設(shè)計和防護方案

1、2020 年入春之際，一場突如其來的疫情肆虐來襲，在這場沒有硝煙的戰(zhàn)役 中，火神山、雷神山醫(yī)院無疑成為最大的英雄， “十天建成火神山醫(yī)院”也成為 史無前例的建設(shè)奇跡！ 在這背后鮮為人知的是， 作為維持醫(yī)院高速不間斷運行的 幕后功臣電力供應： 為了保障電力供應的安全暢通， 三天三夜為雷神山醫(yī)院 通電，五天五夜為火神山醫(yī)院通電， 37 小時為武漢最大方艙醫(yī)院通電，高峰時 段投入 15萬余名保電人員、 1000余輛應急發(fā)電車電力供應的重要性可見一 斑。試想一下，可謂在與時間賽跑的醫(yī)療場所中，一旦由于電力供應出現(xiàn)故障， 導致醫(yī)療設(shè)備癱瘓，帶來的后果往往就是直接威脅患者的生命安全。 當今社會，電力供應已

2、經(jīng)融入到我們工作生活的方方面面，重要到我們已經(jīng)習 以為常，一旦電力供應出現(xiàn)故障，往往就會帶來巨大的經(jīng)濟損失。 以互聯(lián)網(wǎng)時 代不可或缺的數(shù)據(jù)中心為例，根據(jù)波洛蒙研究所 2017 年發(fā)布的“數(shù)據(jù)中心成本 中斷”報告中顯示， 2010 年以來，平均每起電力故障停機事件成本為 740357美 元，相當于每分鐘損失成本近 9000 美元。電力供應出現(xiàn)故障，導致斷電等事故發(fā)生， 進而影響電力可用性的原因眾多， 一般包括配電系統(tǒng)設(shè)計存在缺陷， 短路、過載、接地等引起線路故障我們對 癥下藥，便能夠找到提高電力可用性，保證電力供應安全通暢的措施?；?EcoStruxure 架構(gòu)與平臺， 施耐德電氣倡導覆蓋上層

3、主干路， 下層分電 路及終端配電的完整產(chǎn)品， 融合更多數(shù)字化應用， 形成完整的解決方案， 從配電 系統(tǒng)及架構(gòu)設(shè)計出發(fā)， 以高度信息化的資產(chǎn)管理方式， 幫助用戶時刻清晰掌握系 統(tǒng)及設(shè)備狀態(tài)，預知風險，實現(xiàn)預防式維護，通過設(shè)備強大的數(shù)字化功能，快速 定位、分析故障，并恢復供電，滿足設(shè)計院、盤廠、總包商及最終用戶的不同需 求，進一步提高電力可用性，保障系統(tǒng)運行、各類生產(chǎn)或服務的高效可持續(xù)，從 而助力各行業(yè)企業(yè)免受電力中斷帶來的損失及風險。那么，今天，我們就從配電系統(tǒng)及架構(gòu)設(shè)計出發(fā)聊一聊電力可用性那些事兒。 一、完善的系統(tǒng)設(shè)計電力可用性的基礎(chǔ)眾所周知， 完善的系統(tǒng)設(shè)計， 為電力可用性提供基礎(chǔ)。 按照負

4、荷重要程度確 定供電方案， 從源頭確保供電連續(xù)； 按照負荷數(shù)量及大小合理選擇配電方式， 分 配設(shè)備及線纜確保供電可靠。同時， 可靠的系統(tǒng)防護，為電力可用性增強保障。 從單個回路來講，提供可靠的過載、短路和絕緣故障保護， 保障線路及設(shè)備安全； 從整個系統(tǒng)來講， 選擇性及級聯(lián)技術(shù)可把故障影響消除在最小范圍內(nèi)， 而不對其 他回路造成影響。 配電系統(tǒng)的設(shè)計， 可以從電源供應及配電方式上確保供電的連 續(xù)可靠?！?】按照負荷重要程度確定供電方案，從源頭確保供電連續(xù)依據(jù)規(guī)范要求， 負荷等級按照重要程度可分為一級負荷、 二級負荷、 三級負 荷。對于一級負荷， 應由兩路市電進線供電， 其中特別重要的負荷還必須增

5、設(shè)應 急電源；對于二級負荷，應由兩回路供電，供電變壓器應有兩臺。此外，在一、 二級負荷中，為了確保連續(xù)性，往往會使用自動轉(zhuǎn)換開關(guān)縮短恢復供電時間。通過對用電設(shè)備重要性進行劃分， 提供多回路及備用電源供電， 這對于提高 供電連續(xù)性至關(guān)重要。 例如，在對于醫(yī)療服務連續(xù)性要求很高的醫(yī)院工程中， 通 過劃分各類場所， 分別提供相應的電源保障， 避免因供電的不連續(xù)故障而對患者 生命安全構(gòu)成威脅， 醫(yī)院電力主要是采用多回路供電： 市政電網(wǎng)， 備用發(fā)電機系 統(tǒng)，帶電池的 UPS，發(fā)電機或 UPS的 N+1原則提升了連續(xù)性， 增強了電力可用性。根據(jù)負荷重要性劃分等級， 使得重要場所的電力供應更加持續(xù)穩(wěn)定， 避

6、免了 事故損失。【2】按照負荷數(shù)量及大小合理選擇配電方式，分配設(shè)備及線纜確保供電可靠 確定終端用電設(shè)備類型、數(shù)量及功率，選擇合適的配電方式， 進行負荷計算， 并在此基礎(chǔ)上選擇控制設(shè)備及線纜。配電方式應實現(xiàn)供電可靠、操作方便靈活， 層級不宜超過三級。我們常用的低壓配電系統(tǒng)多為樹干式與放射式相結(jié)合， 通過合理分配分支線路，采用適當?shù)慕拥叵到y(tǒng)，使配電系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定工作。二、可靠的系統(tǒng)防護電力可用性的保障在配電系統(tǒng)防護中， 有一個元器件最為至關(guān)重要： 配備在各級配電系統(tǒng)中的 斷路器?！?1】首先，從單個回路來講， 斷路器可提供可靠的過載、 短路和絕緣故障保護， 保障線路及設(shè)備安全。斷路器保護功能的核心在

7、于脫扣器， 我們以熱磁斷路器為例， 最重要的兩個 脫扣器：熱脫扣器和電磁脫扣器，解決了電路的三大故障：過載、短路和絕緣故 障。如圖所示， 斷路器主觸點通過手動或電動合閘后， 被鎖扣鎖在閉合位置， 電路正常工作。當電路出現(xiàn)過載故障時， 持續(xù)的過高電流使得熱脫扣器的金屬片受熱向上彎 曲，一定時間后便能推動自由脫扣機構(gòu)實現(xiàn)脫扣，這就是：過載長延時保護。當電路出現(xiàn)短路或接地故障時， 瞬間的高電流會使得電磁脫扣器因電磁吸力 將銜鐵迅速吸合，同時頂開自由脫扣機構(gòu)實現(xiàn)脫扣，這就是：瞬時動作保護。上面我們看到，熱磁式斷路器實現(xiàn)了過載長延時保護和瞬時動作保護。 反應在 I-t 圖上如下所示，即為：兩段式。也可稱

8、為非選擇性兩段式，一般用在 配電系統(tǒng)末端。還有一種形式的斷路器，在過載長延時保護和瞬時動作保護的基礎(chǔ)上， 具有短時耐受功能， 可實現(xiàn)短路短延時保護。 反應在 I-t 圖上如下所示，即為： 三段式。也可稱為選擇性三段式，一般用在配電系統(tǒng)首端。以上我們看到， 斷路器通過內(nèi)置的脫扣器在各種故障下的動作， 實現(xiàn)了對單個回 路的過載、短路和絕緣故障保護?！?】其次，從整個系統(tǒng)來講，斷路器間的選擇性及級聯(lián)技術(shù)可把故障影響消除 在最小范圍內(nèi)，而不對其他回路造成影響。對于當前復雜的配電系統(tǒng)， 很多上下級回路一起工作， 如何保證故障保護只 使最小范圍的回路斷開，而不影響其他回路，從而最大程度保證供電的連續(xù)性 呢

9、？這便是配電系統(tǒng)中斷路器的選擇性， 即：在故障發(fā)生時， 只能由最靠近故障 點的上級斷路器脫扣，非故障回路保持閉合持續(xù)供電。選擇性是如何實現(xiàn)的呢？第一，電流選擇性。 上下級斷路器的過載電流保護整定值不同， 上級高于下 級，存在極差，容易實現(xiàn)過載保護的選擇性。第二，時間選擇性。 當電路出現(xiàn)短路或絕緣故障， 瞬時大電流容易使得上下 級斷路器同時瞬動， 在這種情況下， 在滿足上下級電流極差的基礎(chǔ)下， 上級斷路 器就要采用三段式保護斷路器， 設(shè)定短路短延時時間， 大電流之下可以延時斷開， 使得下級斷路器優(yōu)先斷開。如果上級斷路器具有很強的短時承受能力， 在下級斷路器分斷能力以下， 延 時可以保證總是下級斷

10、路器先脫扣， 我們稱之為完全選擇性。 反之，在上面示意 圖中，只能在一定的過電流值以下能夠保證下級先于上級脫扣的， 我們稱之為部 分選擇性。第三，邏輯選擇性。 在上下級斷路器滿足電流及時間選擇性的基礎(chǔ)上， 上下 級之間連接二次信號線，下級 B 檢測到故障的同時能夠發(fā)送信號至上級 A，上級 A接收信號后可保持延時，等待下級 B 瞬動脫扣，如果上級 A 沒有接收到信號， 則可瞬動脫扣。邏輯選擇性顯著增強了上下級斷路器可靠性，避免了越級跳閘。第四，能量選擇性。 當上下級斷路器都為塑殼斷路器或微型斷路器， 大電流 下瞬時動作，時間極差小。在這樣的情況下，只要上下級具有足夠的電流極差， 則可采用能量的極

11、差（ Q=I2t ）實現(xiàn)選擇性。我們以最常用的施耐德電氣產(chǎn)品解決方案為例， 來看一看選擇性在工程實例 中是如何應用的？在下面這個簡化的三級配電示意圖中， 主配電柜采用三段式保護的框架式斷 路器 MTZ25H1+MIC5.0，A 出線柜采用三段式保護的塑殼式斷路器 NSX250N+MIC5.2A25，0 配電箱采用兩段式保護的微型斷路器 iC65NC50。如何判斷我們選配的斷路器上下級選擇性如何呢？施耐德電氣產(chǎn)品配套了 完整的選擇性表，可供我們快速查到斷路器產(chǎn)品之間的選擇性配合。查下表可得，第一級框架式與第二級塑殼式的選擇性配合為 T（Total ）， 可實現(xiàn)完全選擇性， 說明在第二級回路中若出

12、現(xiàn)三大故障， 都可以保證只是第二 級脫扣，保證第一級正常工作：查下表可得，第二級塑殼式與第三級微型式的選擇性配合為T（ Total ），可實現(xiàn)完全選擇性， 說明在第三級回路中若出現(xiàn)三大故障， 都可以保證只是第三 級脫扣扣，保證第二級正常工作：另外，施耐德電氣還提供了可供我們?nèi)我獠樵冞x擇性配合的軟件， 通過輸入上下級斷路器的規(guī)格，軟件生成 I-t 圖，并自動判斷選擇性配合關(guān)系：隨著施耐德電氣在斷路器限流技術(shù)上的發(fā)展， 由此推出的級聯(lián)技術(shù)， 更是進 一步增強了選擇性的配合。所謂限流技術(shù)是指， 當電路發(fā)生短路時， 短路電流可使上下級斷路器出頭微 微斥開，回路中串入兩段小電弧，反過來限制了短路電流。此時，下級斷路器在限流后的短路電流下分斷， 同時，上級斷路器觸頭恢復接通由此可見，下級斷路器的分斷能力可低于預期短路電流， 從而增強了選擇