關于超高層建筑中高區分變電站繼電保護設計的探討

嵇文津 (AECOM咨詢（深圳）有限公司， 北京 100025)

超高層建筑的出現給建筑變配電系統帶來的變化是十分巨大的。由于建筑高度是傳統建筑的兩倍、三倍甚至四、五倍，使得建筑規模出現大幅度增加，同時建筑的功能也由單一功能變成多功能組合。這些變化使建筑內變配電系統無論是系統規模，還是結構復雜性，與過去相比都發生了巨大變化，隨之而來的是許多新的技術問題的出現。為了保證供電系統的安全性、可靠性，要求我們對以往的設計做出調整。

1 主-分變電站結構的10kV變配電系統

超高層建筑中10kV變配電系統的主要結構形式是采用主-分變電站系統結構。超高層建筑的高度和規模的變化，使過去設計中單獨一座中心變電站已無法滿足建筑供電需求，分變電站出現在超高層建筑內。380V低壓供電半徑的限制和變壓器深入負荷中心的要求，使變壓器離開中心變電站，并且與低壓主配電屏組成了分變電站,且被設置在超高層建筑的高區，從而出現了高區分變電站。原有的中心變電站擴展成主-分變電站結構形式變配電系統。按照相關設計規程規定，由于商業建筑中壓變電站一般都是末端用戶變電站，按照上級供電網絡對用戶變電站的繼電保護級別配合的要求，用戶變電站的10kV配電系統一般都是一級配電。因此，主-分變電站結構是常用的超高層建筑內的10kV變配電系統結構，如圖1所示。

2 原有設計中變壓器繼電保護在10kV主-分變電站系統中的不足

依照《工業與民用建筑配電手冊》中電力變壓器的保護的要求，建筑中的變壓器一般情況下容量在2500kVA以下，傳統設計中建筑變配電系統中變電站內變壓器的繼電保護由帶時限的過電流保護和電流速斷保護組成。這種繼電保護的設計在10kV主-分變電站系統中存在一些不足。

1） 在單一的中心變電站內，變壓器的繼電保護配置既保護饋線電纜，也保護變壓器。由于中壓配電柜和變壓器布置于一室，自饋線開關至變壓器的電纜距離很短，安全系數很高。當繼電保護動作開關跳閘之后，無論是由電纜引起的故障，還是由變壓器引起的故障，值班人員很容易辨別并確定故障部位。因此，所配置的帶時限過電流保護和短路電流速斷保護能夠完全對變壓器起到保護作用。當設計為主-從變電站系統方式時問題發生了變化，從圖1我們可以看出，分變電站的變壓器與主配電柜不在一個房間內，是在幾百米以外的分變電站內。當發生故障而引起繼電保護動作開關跳閘后，帶時限過電流保護和短路電流速斷保護從功能上是無法辨別出故障來自哪一個設備。靠運行人員進行檢查也有困難，饋線電纜幾百米長，延橋架和垂直電力豎井敷設，檢查起來不容易。變壓器的檢查也比較困難，由于變壓器位于建筑物的高區，自位于地下層的主變電站值班室到高區分變電站即使乘電梯也要一段時間，影響運行人員的故障排查。

圖1 主-分變電站配電系統結構示意圖

2） 變壓器溫度保護功能的喪失。干式變壓器的保護使用溫度保護，一般設置2級。1級啟動風機進行強迫風冷降溫并報警，2級動作開關跳閘。在高區分變電站設計中會出現新的問題。由于變壓器和饋線開關不在一個站內，變壓器出現異常溫升的信號要經過幾百米的距離才能由分變電站送到饋線開關，而由于供電距離超過了低壓（380/220V）有效供電半徑，信號傳輸出現了問題，許多設計中不得不取消了這一功能。

可見, 在超高層建筑中的主-變電站系統中高區分變電站的出現，使過去繼電保護配置出現了問題，需要對過去的設計進行調整。

3 關于高區分變電站變壓器繼電保護的設置變化的探討

為了提高分變電站變壓器的保護功能，在設計中對變壓器開關和繼電保護的設置進行了如下的調整：

1）在變壓器前設置具有自動操作功能的真空斷路器開關

以往的設計中，分變電站的變壓器前為了檢修安全通常設置一個隔離開關，有的即使是真空斷路器也是起隔離開關的作用，隔離開關一般是手動操作。而這里設計的是具有自動操作功能的開關，這樣做的目的是將一部分變壓器的保護功能設置在分變電站內。

2） 變壓器溫度保護的2級超溫跳閘信號接入變壓器前端設置的真空斷路器開關

變壓器自帶的溫度控制箱設置2級溫度保護，當1級超溫保護動作時，啟動風機強迫排風。 當2級超溫保護動作時，將2級超溫保護信號接入變壓器前端的真空斷路器開關，動作真空斷路器開關跳閘， 恢復變壓器超溫保護的功能。

3） 新增設置變壓器差動保護

非常重要的變化是增設專門針對變壓器的繼電保護措施——變壓器差動保護。

變壓器差動保護原理，如圖2所示，差動保護是根據“電路中流入節點電流的總和等于零”的原理制成的。差動保護把被保護的電氣設備看成是一個接點，那么正常時流進被保護設備的電流和流出的電流相等，差動電流等于零。當設備出現故障時，流進被保護設備的電流和流出的電流不相等，差動電流大于零。當差動電流大于差動保護裝置的整定值時，發生保護動作，將被保護設備的各側斷路器跳開，使故障設備斷開電源。

圖2 變壓器差動保護原理圖

差動保護在分變電站變壓器保護中的應用。在《工業與民用建筑配電手冊》中電力變壓器的保護的要求中，一般條件下1600kVA以下的變壓器是不裝設差動保護的，但在主-分變電站系統中由于前面所分析的分變電站中變壓器運行所存在的各種不利因素，要求引入新的繼電保護措施來有效地辨別各級不同設備的故障。變壓器差動保護的設置起到了這一作用，通過設置變壓器差動保護，使我們能夠在變壓器出現故障時能夠有效地發現故障，彌補了10kV饋線開關設置的過電流保護和電流速斷保護在故障發生時無法識別故障點是發生在饋線電纜處還是變壓器處的不足。

4） 10kV中壓開關柜中饋線開關原有設置的過電流保護和電流速斷保護的作用

由于前面1、2和3項措施，能夠有效地識別和切除變壓器的故障，10kV饋線開關所設置的過電流保護和電流速斷保護的作用將轉變為主要向開關下口的饋線線路提供保護，同時，也成為變壓器的后備保護。

5） 新設計條件下各級繼電保護功能的分析

通過上述設計調整，超高層建筑內10kV主-分變電站配電系統的可靠性、選擇性和靈敏性有了一定的提高，系統內各級設備故障情況下識別能力和層次都有了改善，詳見表1。

表1 10kV主-分變電站系統各級繼電保護功能設置

4 結束語

超高層建筑中10kV主-分變電站變配電系統中，由于高區分變電站的變壓器和10kV主配電柜不在一處，使原有的變配電系統繼電保護的設置在辨別故障設備的過程中出現了問題，通過增加變壓器前端斷路器開關，并結合設置變壓器溫度保護和差動保護，能夠有效地弄清10kV饋線開關下口饋線電纜和變壓器的故障位置，提高了整個系統的選擇性水平，有利于提高超高層建筑變配電系統可靠性、選擇性和靈敏性，保證超高層建筑中變配電系統更好地運行。

[1] 中國航空工業規劃設計研究院.工業與民用配電設計手冊（3版）[M].北京：中國電力出版社，2005.