配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)和防護(hù)方案

1、2020 年入春之際，一場(chǎng)突如其來(lái)的疫情肆虐來(lái)襲，在這場(chǎng)沒(méi)有硝煙的戰(zhàn)役 中，火神山、雷神山醫(yī)院無(wú)疑成為最大的英雄， “十天建成火神山醫(yī)院”也成為 史無(wú)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(yùn)行的 幕后功臣電力供應(yīng)： 為了保障電力供應(yīng)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(shí)為武漢最大方艙醫(yī)院通電，高峰時(shí) 段投入 15萬(wàn)余名保電人員、 1000余輛應(yīng)急發(fā)電車(chē)電力供應(yīng)的重要性可見(jiàn)一 斑。試想一下，可謂在與時(shí)間賽跑的醫(yī)療場(chǎng)所中，一旦由于電力供應(yīng)出現(xiàn)故障， 導(dǎo)致醫(yī)療設(shè)備癱瘓，帶來(lái)的后果往往就是直接威脅患者的生命安全。 當(dāng)今社會(huì)，電力供應(yīng)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(xí) 以為常，一旦電力供應(yīng)出現(xiàn)故障，往往就會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。 以互聯(lián)網(wǎng)時(shí) 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(bào)告中顯示， 2010 年以來(lái)，平均每起電力故障停機(jī)事件成本為 740357美 元，相當(dāng)于每分鐘損失成本近 9000 美元。電力供應(yīng)出現(xiàn)故障，導(dǎo)致斷電等事故發(fā)生， 進(jìn)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(jì)存在缺陷， 短路、過(guò)載、接地等引起線路故障我們對(duì) 癥下藥，便能夠找到提高電力可用性，保證電力供應(yīng)安全通暢的措施?；?EcoStruxure 架構(gòu)與平臺(tái)， 施耐德電氣倡導(dǎo)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(yīng)用， 形成完整的解決方案， 從配電 系統(tǒng)及架構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)， 以高度信息化的資產(chǎn)管理方式， 幫助用戶(hù)時(shí)刻清晰掌握系 統(tǒng)及設(shè)備狀態(tài)，預(yù)知風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)預(yù)防式維護(hù)，通過(guò)設(shè)備強(qiáng)大的數(shù)字化功能，快速 定位、分析故障，并恢復(fù)供電，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)院、盤(pán)廠、總包商及最終用戶(hù)的不同需 求，進(jìn)一步提高電力可用性，保障系統(tǒng)運(yùn)行、各類(lèi)生產(chǎn)或服務(wù)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(lái)的損失及風(fēng)險(xiǎn)。那么，今天，我們就從配電系統(tǒng)及架構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)電力可用性的基礎(chǔ)眾所周知， 完善的系統(tǒng)設(shè)計(jì)， 為電力可用性提供基礎(chǔ)。 按照負(fù)

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(fù)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(shí)， 可靠的系統(tǒng)防護(hù)，為電力可用性增強(qiáng)保障。 從單個(gè)回路來(lái)講，提供可靠的過(guò)載、短路和絕緣故障保護(hù)， 保障線路及設(shè)備安全； 從整個(gè)系統(tǒng)來(lái)講， 選擇性及級(jí)聯(lián)技術(shù)可把故障影響消除在最小范圍內(nèi)， 而不對(duì)其 他回路造成影響。 配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)， 可以從電源供應(yīng)及配電方式上確保供電的連 續(xù)可靠?！?】按照負(fù)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(fù)荷等級(jí)按照重要程度可分為一級(jí)負(fù)荷、 二級(jí)負(fù)荷、 三級(jí)負(fù) 荷。對(duì)于一級(jí)負(fù)荷， 應(yīng)由兩路市電進(jìn)線供電， 其中特別重要的負(fù)荷還必須增

5、設(shè)應(yīng) 急電源；對(duì)于二級(jí)負(fù)荷，應(yīng)由兩回路供電，供電變壓器應(yīng)有兩臺(tái)。此外，在一、 二級(jí)負(fù)荷中，為了確保連續(xù)性，往往會(huì)使用自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)縮短恢復(fù)供電時(shí)間。通過(guò)對(duì)用電設(shè)備重要性進(jìn)行劃分， 提供多回路及備用電源供電， 這對(duì)于提高 供電連續(xù)性至關(guān)重要。 例如，在對(duì)于醫(yī)療服務(wù)連續(xù)性要求很高的醫(yī)院工程中， 通 過(guò)劃分各類(lèi)場(chǎng)所， 分別提供相應(yīng)的電源保障， 避免因供電的不連續(xù)故障而對(duì)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(jī)系 統(tǒng)，帶電池的 UPS，發(fā)電機(jī)或 UPS的 N+1原則提升了連續(xù)性， 增強(qiáng)了電力可用性。根據(jù)負(fù)荷重要性劃分等級(jí)， 使得重要場(chǎng)所的電力供應(yīng)更加持續(xù)穩(wěn)定， 避

6、免了 事故損失?！?】按照負(fù)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(lèi)型、數(shù)量及功率，選擇合適的配電方式， 進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算， 并在此基礎(chǔ)上選擇控制設(shè)備及線纜。配電方式應(yīng)實(shí)現(xiàn)供電可靠、操作方便靈活， 層級(jí)不宜超過(guò)三級(jí)。我們常用的低壓配電系統(tǒng)多為樹(shù)干式與放射式相結(jié)合， 通過(guò)合理分配分支線路，采用適當(dāng)?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(hù)電力可用性的保障在配電系統(tǒng)防護(hù)中， 有一個(gè)元器件最為至關(guān)重要： 配備在各級(jí)配電系統(tǒng)中的 斷路器?！?1】首先，從單個(gè)回路來(lái)講， 斷路器可提供可靠的過(guò)載、 短路和絕緣故障保護(hù)， 保障線路及設(shè)備安全。斷路器保護(hù)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(gè) 脫扣器：熱脫扣器和電磁脫扣器，解決了電路的三大故障：過(guò)載、短路和絕緣故 障。如圖所示， 斷路器主觸點(diǎn)通過(guò)手動(dòng)或電動(dòng)合閘后， 被鎖扣鎖在閉合位置， 電路正常工作。當(dāng)電路出現(xiàn)過(guò)載故障時(shí)， 持續(xù)的過(guò)高電流使得熱脫扣器的金屬片受熱向上彎 曲，一定時(shí)間后便能推動(dòng)自由脫扣機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)脫扣，這就是：過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)。當(dāng)電路出現(xiàn)短路或接地故障時(shí)， 瞬間的高電流會(huì)使得電磁脫扣器因電磁吸力 將銜鐵迅速吸合，同時(shí)頂開(kāi)自由脫扣機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)脫扣，這就是：瞬時(shí)動(dòng)作保護(hù)。上面我們看到，熱磁式斷路器實(shí)現(xiàn)了過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)和瞬時(shí)動(dòng)作保護(hù)。 反應(yīng)在 I-t 圖上如下所示，即為：兩段式。也可稱(chēng)

8、為非選擇性?xún)啥问?，一般用?配電系統(tǒng)末端。還有一種形式的斷路器，在過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)和瞬時(shí)動(dòng)作保護(hù)的基礎(chǔ)上， 具有短時(shí)耐受功能， 可實(shí)現(xiàn)短路短延時(shí)保護(hù)。 反應(yīng)在 I-t 圖上如下所示，即為： 三段式。也可稱(chēng)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(guò)內(nèi)置的脫扣器在各種故障下的動(dòng)作， 實(shí)現(xiàn)了對(duì)單個(gè)回 路的過(guò)載、短路和絕緣故障保護(hù)?！?】其次，從整個(gè)系統(tǒng)來(lái)講，斷路器間的選擇性及級(jí)聯(lián)技術(shù)可把故障影響消除 在最小范圍內(nèi)，而不對(duì)其他回路造成影響。對(duì)于當(dāng)前復(fù)雜的配電系統(tǒng)， 很多上下級(jí)回路一起工作， 如何保證故障保護(hù)只 使最小范圍的回路斷開(kāi)，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(shí)， 只能由最靠近故障 點(diǎn)的上級(jí)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(shí)現(xiàn)的呢？第一，電流選擇性。 上下級(jí)斷路器的過(guò)載電流保護(hù)整定值不同， 上級(jí)高于下 級(jí)，存在極差，容易實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)的選擇性。第二，時(shí)間選擇性。 當(dāng)電路出現(xiàn)短路或絕緣故障， 瞬時(shí)大電流容易使得上下 級(jí)斷路器同時(shí)瞬動(dòng)， 在這種情況下， 在滿(mǎn)足上下級(jí)電流極差的基礎(chǔ)下， 上級(jí)斷路 器就要采用三段式保護(hù)斷路器， 設(shè)定短路短延時(shí)時(shí)間， 大電流之下可以延時(shí)斷開(kāi)， 使得下級(jí)斷路器優(yōu)先斷開(kāi)。如果上級(jí)斷路器具有很強(qiáng)的短時(shí)承受能力， 在下級(jí)斷路器分?jǐn)嗄芰σ韵拢?延 時(shí)可以保證總是下級(jí)斷

10、路器先脫扣， 我們稱(chēng)之為完全選擇性。 反之，在上面示意 圖中，只能在一定的過(guò)電流值以下能夠保證下級(jí)先于上級(jí)脫扣的， 我們稱(chēng)之為部 分選擇性。第三，邏輯選擇性。 在上下級(jí)斷路器滿(mǎn)足電流及時(shí)間選擇性的基礎(chǔ)上， 上下 級(jí)之間連接二次信號(hào)線，下級(jí) B 檢測(cè)到故障的同時(shí)能夠發(fā)送信號(hào)至上級(jí) A，上級(jí) A接收信號(hào)后可保持延時(shí)，等待下級(jí) B 瞬動(dòng)脫扣，如果上級(jí) A 沒(méi)有接收到信號(hào)， 則可瞬動(dòng)脫扣。邏輯選擇性顯著增強(qiáng)了上下級(jí)斷路器可靠性，避免了越級(jí)跳閘。第四，能量選擇性。 當(dāng)上下級(jí)斷路器都為塑殼斷路器或微型斷路器， 大電流 下瞬時(shí)動(dòng)作，時(shí)間極差小。在這樣的情況下，只要上下級(jí)具有足夠的電流極差， 則可采用能量的極

11、差（ Q=I2t ）實(shí)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(lái)看一看選擇性在工程實(shí)例 中是如何應(yīng)用的？在下面這個(gè)簡(jiǎn)化的三級(jí)配電示意圖中， 主配電柜采用三段式保護(hù)的框架式斷 路器 MTZ25H1+MIC5.0，A 出線柜采用三段式保護(hù)的塑殼式斷路器 NSX250N+MIC5.2A25，0 配電箱采用兩段式保護(hù)的微型斷路器 iC65NC50。如何判斷我們選配的斷路器上下級(jí)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(jí)框架式與第二級(jí)塑殼式的選擇性配合為 T（Total ）， 可實(shí)現(xiàn)完全選擇性， 說(shuō)明在第二級(jí)回路中若出

12、現(xiàn)三大故障， 都可以保證只是第二 級(jí)脫扣，保證第一級(jí)正常工作：查下表可得，第二級(jí)塑殼式與第三級(jí)微型式的選擇性配合為T(mén)（ Total ），可實(shí)現(xiàn)完全選擇性， 說(shuō)明在第三級(jí)回路中若出現(xiàn)三大故障， 都可以保證只是第三 級(jí)脫扣扣，保證第二級(jí)正常工作：另外，施耐德電氣還提供了可供我們?nèi)我獠樵?xún)選擇性配合的軟件， 通過(guò)輸入上下級(jí)斷路器的規(guī)格，軟件生成 I-t 圖，并自動(dòng)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(jí)聯(lián)技術(shù)， 更是進(jìn) 一步增強(qiáng)了選擇性的配合。所謂限流技術(shù)是指， 當(dāng)電路發(fā)生短路時(shí)， 短路電流可使上下級(jí)斷路器出頭微 微斥開(kāi)，回路中串入兩段小電弧，反過(guò)來(lái)限制了短路電流。此時(shí)，下級(jí)斷路器在限流后的短路電流下分?jǐn)啵?同時(shí)，上級(jí)斷路器觸頭恢復(fù)接通由此可見(jiàn)，下級(jí)斷路器的分?jǐn)嗄芰傻陀陬A(yù)期短路電流， 從而增強(qiáng)了選擇