白 永 生

(北京科技建筑设计院, 北京　100069)



高压系统供配电设计

白 永 生

(北京科技建筑设计院, 北京100069)

摘要：从高压系统的概念、电源的采用、接地的类型、电气设备的选择等方面介绍了高压系统中有关供配电设计的相关内容,从施工图设计的实际操作角度对高压分界室及箱式变压器予以引申阐述,以期为电气设计人员提供参考。

关键词：高压系统; 接地选择; 供电模式; 设备选择

0引言

高压线路由地区供电单位输送高压电源至建筑变配电机房高压开关柜内,北京自管的进户处还需要设置高压进线间,并内设高压进线柜,作为供电单位和业主之间的权限分隔点。

1高压供电两种常见电压等级

目前高压系统多采用10 kV线路。当负荷为3 000~5 000 kW时,单回路专线供电容量的上限一般不超过6 300 kVA,供电电压为10 kV,输送距离为5~15 km;如果不是专线供电,则供电容量更小,采用多路电源运行方式(10 kV双路供电,高压无联络)。当负荷为5 000~10 000 kW时,单回路专线供电容量不超过18 000 kVA,供电电压选为35 kV,输送距离为20~50 km。

2高压供电电度表计量方式

(1) 高供高计。高压供电,高压侧计量,一般适用于业主自管的变配电室,如独立公建项目,供电局仅通过高压侧采用高压电压互感器、高压电流互感器进行计量。

(2) 高供低计。高压供电,低压侧计量,同样适用于业主自管的变配电室,供电部门须经低压电流互感器进行计量。目前,设计业主自管的公建项目以高供高计较为普遍,实际设计时需了解当地的供电计量要求。

(3) 低供低计。低压供电,低压计量,适用于住宅等个人用户,电表额定电压为AC 220~380 V,电量即可直接从电表内读出,也可从加装的互感器读出。

3高压系统常规设置

(1) 多为两路高压10 kV电源进线,单母线运行,高压采用直流操作,电源电压为DC 220 V或DC 100 V。

(2) 继电保护:进线柜设过流、电流速断、零序电流保护;至变压器的出线柜采用过流、电流速断、零序电流保护、超高温跳闸及门控。

(3) 计量柜一般设置高压多功能表及电量远程采集装置。

(4) 10 kV进线隔离柜、进线柜及计量柜之间需加电气闭锁装置,闭锁的程序为:合闸时,必须先合隔离车和计量车,再合进线开关;分闸时,必须先分进线开关后,才能拉出隔离和计量车。

4高压供电系统设计

4.1供电模式

(1) 两路供电高压不设联络,母线检修时需全部停电,二级负荷无法满足二路供电(停一路供一路)的要求,但不可能对电网产生冲击。高压单线图(一)如图1所示。低压模式在两路进线中间设置联络,这是目前较为常见的供电模式,低压联络断路器必须是四极的。该模式中有以下三种运行模式:

图1　高压单线图(一)

① 两台变压器单独运行,即联络断路器断开,另外两台进线断路器合上;

② 1#变压器运行,即1#进线断路器和联络断路器合上,2#进线断路器断开;

③ 2#变压器运行,即2#进线断路器和联络断路器合上,1#进线断路器断开。中性线均是经变压器低压中性点引出的,平时不带电,但如果出现单相接地或短路时中性线带电的情况,必须断开不公用的中性线,所以,低压联络断路器需采用四极断路器,而低压进线可以是三极断路器。

(2) 设置联络开关,当一路电源故障时,另一路电源通过联络负担全部下级各变压器负荷,此时低压变压器仍正常工作,低压两段母线不受故障影响,设置母联隔离柜在母联发生故障时,低压供电不受影响,即带高压母联分段,但一般供电局基于安全考虑(高压同时并网可造成对电网的冲击),可能不同意在高压侧做切换。所以,低压侧母联设计更为常见。高压单线图(二)如图2所示。

图2　高压单线图(二)

(3) 高压环网柜是指负荷开关柜用于环网式供电,环网柜中的高压开关一般是负荷开关,用负荷开关操作正常电流,而用熔断器切除短路电流。供电电源通过环形配电网向该环形干线供电,从干线上再分路通过高压开关向外配电,每个配电支路都可以由它的左或右侧干线取电源。尽管电源是单路供电,但每个配电支路可得到类似于双路供电的使用状态,从而提高供电的可靠性。户内环网柜一般用于高压侧的配电,由进线柜、出线柜、变压器馈线柜组成,可以用于环网式供电,如高压分界室派接、中压末端变电室供电。负荷开关柜结构简单,成本较低,体积小,一般只有熔断器保护而无继电保护。负荷开关柜主母线载流量一般不大于630 A,变压器柜(出线柜)额定电流(熔断器)一般不大于125 A,负荷开关额定开断电流一般不大于630 A 。环网柜单线如图3所示。

图3　环网柜单线图

4.2接地选择

(1) 中性点不接地方式。当中性点不接地的配电网发生单相接地故障时,非故障的二相对地电压将升高,即相电压升高为原来的线电压,但线电压除了相位发生变化外,电压值没有变化。中性点不接地系统单相接地相电流示意图如图4所示。由图4可见,中性点不接地方式对用户供电影响不大,且接地电流很小,对邻近通信线路、信号系统的干扰小。

图4　中性点不接地系统单相接地相电流示意图

当中性点不接地系统单相接地时,电缆电路增多,电容电流增大,同时接地电弧不能可靠熄灭。当接地电流>10 A时,有可能产生不稳定的间歇性电弧,弧光接地过电压,将破坏设备绝缘。同时,当接地电流较大时,接地点电弧不易熄灭,对消除故障不利,且持续电弧造成空气的离解,破坏周围空气的绝缘,继而引发相间短路。当配电网组成形式以架空线路为主时,电网的电容电流小于10 A,同时建议安装小电流接地选线装置。

(2) 10 kV经消弧线圈接地系统。10 kV架空线路系统单相接地故障电流>20 A或10 kV电缆线路系统单相接地故障电流>30 A时,应装设消弧线圈,电网安装消弧线圈后,发生单相接地时消弧线圈产生电感电流,补偿因单相接地而形成的电容电流,使接地电流减小,同时使故障相恢复电压速度减慢,有效地防止铁磁谐振过电压的产生,但消弧线圈不能对谐波部分有效补偿。如果谐波分量达到一定数值,会加剧接地电弧的发展,此外单相接地故障的选线失误率会增高。

安装在Y/△接线的双绕组变压器或Y/Y/△接线三绕组变压器中性点上的消弧线圈容量,不应超过变压器三相总容量的50%,且不得大于三绕组变压器任何绕组的容量。安装在Y/Y接线变压器上的消弧线圈容量,不应超过变压器三相总容量的20%。

该接地方式适用于城区变电所,配电网的组成主要由架空线路和电缆线路组成,电容电流为10~200 A时,消弧线圈选用自动调谐系统,同时安装小电流接地选线装置。

(3) 中性点经小电阻接地方式。随着城市建设和供电业务的迅速发展,10 kV配电网主要采用地下电缆,使对地电容电流大大增加。如果采用消弧线圈接地,则需要较大的补偿容量,且要多台配置。由于10 kV配电网线路在运行中经常要进行操作,因此消弧线圈的分接头的及时调整存在困难,易出现谐振过电压现象。所以,城市10 kV配电网多采用中性点经小电阻接地方式,会产生足够的零序电压或零序电流,作用于零序继电保护动作而跳开接地线路开关,可以保证其他线路的正常运行,在一定程度上降低了用户的用电可靠性。当电缆发生单相接地故障时,电容电流较大,单相接地故障发展为相间故障的概率较大。

该接地方式适用于电容电流较大(200 A以上)或以电缆线路组成为主的配电网络(城市内部的变配电系统或中心变电所)。中性点的工作方式如图5所示。

图5　中性点的工作方式

4.3设备选择

高压系统图如图6所示。

(1) 零序电流互感器的选择。

① 设置于中性点经小电阻接地系统中,分别安装一套在高压进线隔离柜及高压出线柜处,完成对高压零序电流的检测动作。

图6　高压系统图

② 工作原理与低压侧的剩余电流保护器的原理类似,如果在三相四线中接入一个电流互感器,感应电流为0,当电路中发生触电或剩余电流故障时,回路中有剩余电流流过,穿过互感器的三相电流相量和不为0,这样互感器二次侧线圈中有感应电压。该电压加于检测部分的电子放大电路,与保护区装置预定动作电流值相比较,如果大于动作电流,即使灵敏继电器动作,作用于执行脱扣器分闸,安装的互感器称为零序电流互感器,三相电流的相量和不为0,所产生的差值电流为零序电流。

③ 中性点不接地或消弧线圈接地的方式中,一般电流在10 A以下保护就要动作,故设置安装小电流接地选线装置进行选线;小电阻接地系统接地电流有可能大于10 A,故选择设置零序电流互感器进行保护。10 kV变配电室的零序速断保护值一般为20 A,则一次侧电流选择为50、75、100 A,二次侧电流选择为1、5 A等。如果电流互感器的二次侧电流为5 A,常选择变比为100/5,可以满足一般综合保护装置动作电流的要求。当电流互感器需避免平时不平衡电流时,建议变比取得稍大些,如50/1等。

(2) 高压系统开关的选择。

① 以10 kV为例,高压主进开关的电流一般选择1 250 A,母线采用3(80×10)。

② 高压出线开关的电流一般选择630 A,主要采用真空断路器,而第一级真空断路器的额定电流为630 A。

③ 高压出线开关需设置两段温度保护(温升Ⅰ段报警保护,温升Ⅱ段跳闸保护),接入综合保护装置后作为数字输入信号,以实现变压器的高温跳闸功能。

④ 10 kV高压开关的额定电流最小为630 A,其分断能力为20~25 kA。额定电流为1 250~1 600 A的开关,其分断能力为31.5 kA;额定电流为2 500~3 150 A的开关,其分断能力为40 kA。高压开关常采用额定短路分断电流为25 kA,需注意其分断能力要小于供电局局端的分断能力。

⑤ 高压进线开关需加装避雷器,以防止产生操作过电压。

⑥ 高压开关柜设置在地下室时,可依据环境情况考虑设置加热器,用以除湿。

⑦ 线路越接近电源,其动作时间越长,故必须依靠主保护迅速切断故障。

(3) 电流互感器的选择。

① 10P10、10P20等级用于保护,设置于高压进线柜及出线柜内,当一次侧电流为额定二次侧电流的10或20倍时,电流互感器要求的复合误差≤±10%。图6中电流互感器的变比为300/5,由于10 kV高压短路电流的10倍约为300 A,因此选择10P10级的电流互感器。同理,高压出线回路电流互感器的变比为150/5,可选择10P10级的电流互感器。

② 0.5级一般用于测量,同样设置于高压进线柜、出线柜内。以2 000 kVA变压器为例,每个变压器出线电流为2 000/(10×1.732)=115 A,变比按额定电流的2倍来选择,所以选择变比200/5的电流互感器。同理可知,800 kVA变压器选择变比75/5的电流互感器,1 250 kVA变压器选择变比100/5的电流互感器。测量信号用于综合保护装置的过流、速断保护,每回路设置与一次侧电流同级的电流表。

③ 0.2级一般用于计量,设置于高压计量柜内,考虑10 kV高压设备为对称三相负荷,因没有中性点(线)引出,不会有高压单相用电设备存在,所以计量柜一般用一组两绕组(A、C相)电流互感器即可实现计量,变比按额定电流(或略高)来考虑,但一般不会大于1.2倍额定电流。这样既可保证小负荷时的计量精度,又可以在大电流时饱和,防止二次出现大电流而烧毁计量仪表。

(4) 电压互感器的选择。

① 设置于高压进线隔离柜处,用于进线电压的测量,0.5级一般用于测量。

② 设置于高压计量柜处,用于计量使用,与电流互感器类似,计量采用0.2级。

(5) 电压互感器熔断器的选择。当发生故障时,应尽可能快地切断电压互感器的电源,以便限制故障的影响。电压互感器的高压熔断器只需按额定电压和断流容量选择。由于电压互感器没有负荷电流,运行时电流很小,因此熔体的选择只限能承受电压互感器的励磁冲击电流,而不必校验额定电流。

(6) 高压系统柜体的选择。

① 中置柜功能全,体积大,一般分为三层(上层为母线及仪表室,中间层为断路器室,下层为电缆室)。中置柜内常设置为真空断路器的自动保护装置。

② 环网柜功能单一,体积小巧,柜内一般没有保护装置,在事故时内部安装的熔断器过热熔断,切断电路。开关多选用户内交流高压负荷开关加熔断器组合电器,或六氟化硫(SF6)负荷开关,通过母线铜排连接成一个系统,分为进线隔离柜及至变压器的隔离柜,采用负荷开关不带保护,仅进行分闸操作。

(7) 变压器的选择。设计时尽量采用普通分接头的变压器,负荷率在75%~80%为宜,单台容量不宜大于1 600 kVA。当用电设备容量较大,负荷集中且运行合理时,可选用2 000 kVA及以上容量的变压器。

(8) 直流屏的选择。直流屏专供控制负荷时宜采用110 V,专供动力负荷时宜采用220 V,当控制负荷与动力负荷合并供电时,宜采用220 V。

(9) 带电显示器。提示型显示器(G) DXN-10/T仅提示高压设备是否带电,强制型显示器(G)DXN-10/Q不仅有提示功能,还有强制闭锁功能,需设置于所有高压柜体。

(10) 接地开关的设置。用于10 kV及以下交流50 Hz的电力系统中,可作为高压电器设备检修时用作接地保护。所以,各高压出线回路设置接地开关,型号依据电压等级进行选择。

(11) 失压计时仪。用于监视三相三线或三相四线的无功、有功电能表的运行状态的仪表,设置于高压出线计量柜内。

(12) 综合保护设备的选择。设置于高压进线柜、出线柜及高压母联柜等处,与测量型电流、电压互感器配套使用,采样模拟信号转换为数字信号,再由CPU发出执行信号,通过继电器控制断路器的动作,主要分为三种:

① 馈线终端设备装设在出线开关旁的监控设备,为户外的柱上开关,在室内变配电室设计中应用不多。

② 配电终端设备为变压器使用,监控并记录变压器运行工况,根据电压、电流值计算有功、无功、电流、电压等。

③ 开闭所终端设备,完成对开关设备的电压、电流、有功、无功等采集、计量,可对开关进行分/合闸操作,部分具有备用电源的自动投入功能。

④ 远程终端设备一般装设于变配电机房,将测得的状态或信号转换成可在通信媒体上发送的数据格式,并将从控制中心的数据转换成命令,实现对断路器的控制。

(13) 高压避雷器的选择。高压避雷器设置于各高压出线柜处。根据GB/T 50064—2014《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》,电气设备的操作冲击绝缘水平与操作冲击保护水平之比值不得小于1.15,而15 kV电气设备的耐受电压(操作冲击绝缘水平)为45 kV,则避雷器的操作冲击残压应不大于39.1 kV。所以10 kV系统选择HY5WZ-17/43.5避雷器,其中10 kV系统额定电压为17 kV,残压为43.5 kV。

(14) 智能仪表的选择。设置于高压计量柜、高压母联柜、高压出线柜,测量项目一般有三相电流、三相电压、有功/无功功率测量、有功/无功电能计量;并对断路器状态、保护动作信号进行反馈,与综合保护器配合使用。

4.4高压进线

(1) 管顶标高为-1.1 m,钢管出散水外2 m。

(2) 高压电缆进线孔处,在电缆桥架外围应设置防护网。

(3)设于地下层的变配电室,进线电缆竖井可以按1 500 mm×2 000 mm净尺寸进行预留。

5结语

高压系统供配电设计不但考虑技术的可行性，还要兼顾经济合理性，按负荷性质、用电容量、工程特点和地区供电条件，合理确定设计方案。

参考文献

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[5]JGJ 16—2008民用建筑电气设计规范[S].

[6]GB 50057—2010建筑物防雷设计规范[S].

谌小莉(1983—),女,工程师,从事城市轨道交通供配电方面的工作。

Design of Power Supply and Distribution in High-voltage SystemBAIYongsheng

(Beijing Architectural Design Institute of Science and Technology, Beijing 100069, China)

Abstract：This paper introduced the design of power supply and distribution in high-voltage system from the concept of high pressure system,power supply,grounding type,the selection of electrical equipment.The high pressure separation chamber and box transformer are extended from the actual operation view of construction drawing design focus.It can provide references for electrical designers.

Key words:high-voltage system; grounding selection; power supply mode; equipment selection

收稿日期：2015-02-06

中图分类号：TU 856

文献标志码：B

文章编号：1674-8417(2015)06-0021-06