高低壓配電級數及選擇性探討

高低壓配電級數及選擇性探討

陶云飛 / 連康龍 (深圳華森建筑與工程設計顧問有限公司， 北京 100048)

摘要簡述供配電系統中配電級數的考慮和設置、配電級數與保護級數的區別及聯系，并闡述了實現配電系統各級保護的選擇性需采取的技術措施。

關鍵詞配電級數 保護級數 選擇性

AbstractThe consideration and the setting of distribution series in the power supply distribution system and the differences and relationship between distribution series and protection series are introduced, and the technical measures need to take to realize the distribution of selective are described.

Keywordsdistribution series, protection series, selectivity

0概述

本文主要論述民用建筑10kV及以下供配電系統中配電級數和保護選擇性的問題。《供配電系統設計規范》(GB 50052-2009)4.0.6條“供配電系統應簡單可靠，同一電壓等級的配電級數高壓不宜多于兩級；低壓不宜多于三級”。此條雖不是硬性要求，但應弄明白配電級數不宜太多的原因，在設計過程中，當條件許可時應盡量減少配電級數。

配電級數可以理解為對電能進行分配的次數，即經過一個配電柜、箱認為是一級配電，如圖1所示，左側圖有三級配電，右側圖有二級配電。從圖1中可以看到，配電級數少則配電系統簡單，管理維護方便，故障率也低。因此重要的供電系統應盡量減少配電級數。

圖1　配電級數的示意

1高壓配電級數

根據規范要求，高壓10kV配電系統同一電壓的配電級數不宜超過兩級，例如由低壓側為10kV的地區變電站配電至10kV用戶變電所，再從該變電所以10kV配電給變壓器，則認為10kV配電級數為兩級。

當存在如下情況時，供電部門會在變電站與用戶變電所之間增設10kV開關站：

1)變電站中壓饋線開關柜數量不足。

2)變電站出線走廊受限。

3)為減少相同路徑的電纜條數。

4)為大型住宅區的若干個擬建配電室供電。

圖2所示為單路電源，中間增設10kV開關站的三級10kV配電系統。

圖2　10kV三級配電示意圖

高壓配電級數過多，繼電保護整定時限的級數也隨之增多，而電力系統容許繼電保護的時限級數對10kV來說通常只限于兩級，如配電級數太多，則中間一級勢必要與下一級或上一級之間無選擇性。

用戶變電所的上級電源一般由供電部門決定，當供電容量較大，對可靠性要求較高時可直接從上級變電站引接電源。用戶內部10kV變電所宜直接配電給變壓器，不宜再設二級10kV配電。

當工程體量較大，用戶內部必須設多處變電所時，10kV配電可以采用下述配電方式。

1)10kV放射式配電。當總變電所與分變電所位于同一建筑物內部或通過走道相通時，可以采用圖3所示的配電方式。分變電所變壓器不設保護，就地設負荷開關，保護在總變電所完成。

圖3　多處變電所10kV配電示意圖

2)當分變電所距離主變電所較遠、內部變壓器數量多時，可考慮高壓在分變電所內做二級配電。如圖4所示，在超高層建筑地上避難層設分變電所，內設4臺1 000kVA變壓器，此時分變電所采用負荷開關熔斷器對變壓器進行保護。

圖4　10kV二次分配示意圖

分變電所也可以采用斷路器保護，參見圖集《超高層建筑電氣設計與安裝》(14D801)第12頁。由于此方案多一級配電，繼電保護難以整定，不是最佳方案。

2低壓配電級數

規范要求低壓配電系統的配電級數不宜多于三級，例如從10/0.4kV變電所低壓配電屏至配電室分配電屏，由分配電屏至動力配電箱，由動力配電箱至終端用電設備，則認為380V配電級數為三級。在設計過程中，要滿足重要用電設備配電級數不多于三級，普通用電配電級數不宜多于四級。

圖5為地下室消防風機的配電，是設計人員常用的幾種方式。左側配電方式中配電級數達到四級，嚴格來說不符合規范要求，按圖5中右側的配電方式，雖然從變電所的出線回路增加了，但滿足了三級配電的要求。

圖5　低壓配電級數示意圖

樹干式配電是否算一級？許多人對此有疑問。配電級數指電源分配的次數，而電源分配有多種方式，放射式、樹干式及鏈式等。故本文將樹干式配電作為一次配電級數考慮。

3配電級數與保護級數的區別

供電電源在分配的過程中，每一級配電箱柜都會有總進線開關和多個分支出線開關，各級配電的總開關與分開關之間就會產生上下級的保護選擇性問題。同一條線路在上級出線端及下級進線端兩個開關之間也會存在保護選擇性問題。

如圖6所示，當K4配出回路發生故障時，能實現K4動作，而K3、K2和K1不動作，這種設計滿足保護選擇性的要求。如果每級開關都可能隨機動作，造成事故面的擴大，則認為設計不滿足選擇性要求。

一個有效的配電保護系統能精確識別故障和快速動作，做到清楚發生故障的原因和地點，避免不必要的脫扣，確保供電的連續性和穩定性。

圖6　配電級數與保護級數示意圖

在配電線路中，將起保護作用的開關作為一個保護級數，則圖6中有二級配電四級保護，如果配電柜2的進線開關K3改為不具有保護功能的隔離開關，則認為該系統具有三級保護。由此可見，配電級數要少于保護級數，究竟什么時候需要設保護開關，應該根據工程具體需要設計。保護級數過多，要達到上下級保護之間的選擇性將較難實現或不夠經濟，所以設計中也應盡量減少保護級數。

配電線路裝設的上下級保護電器，其動作選擇性分為完全選擇性、不完全選擇性和無選擇性三種，且各級保護之間的選擇性配合，應根據負荷的重要程度和管理維護的需要確定。

圖6配電柜2中，K3與K4屬于上下級關系，之間有保護選擇性配合的問題，但K2與K3屬于同一線路，二者跳閘造成的停電范圍是一樣的，因此K2與K3兩個開關之間的選擇性便應根據管理維護的方便確定。

4高壓開關的選擇性配合

常見高壓10kV開關保護包括定時限的過電流保護及電流速斷保護。以圖7為例，K1為變電站出線開關，K2為變電所進線開關，K3為變壓器的保護開關，討論開關K1與K2及K2與K3之間的選擇性配合問題。

圖7　高壓開關的選擇性示意圖

4.1過電流保護上下級配合

過電流保護應躲過線路的最大負荷電流，包括正常過負荷電流和尖峰電流，以免在線路通過正常的過負荷電流時保護裝置誤動作。

假設用戶變電所線路K點發生相間短路，由于短路電流遠大于線路上各個開關處的最大負荷電流，所以沿線的K1、K2及K3的過電流保護裝置均要啟動，為了保證選擇性只讓K3開關動作跳閘，此時可通過每級開關的動作時限加以區別，如K3延時時間T1，則K2延時時間按T1+Δt考慮。過電流保護的動作時限按階梯原則考慮，如K3開關設定0.5s動作，K2設定0.7s動作，K1設定0.9s動作，這樣可以保證上下級開關的選擇性。實際工程中上述繼電保護時間應由供電部門綜合考慮。

4.2速斷保護上下級配合

如果全部按照階梯原則時間疊加，那么越靠近電源處的保護裝置動作時間越長，會對系統的穩定性造成很大的影響。故規范要求當過電流保護的時限大于0.7s時，應裝設瞬動的電流速斷保護裝置。為了保證前后兩級速斷保護的選擇性，每級開關速斷保護的動作電流應按躲過它所保護的線路末端的最大三相短路電流來整定。

如圖7中，K1速斷保護動作電流應大于K’點三相短路電流值，只有這樣，當K2右側線路短路時，才能保證K2開關動作，同時K1的速斷保護不會動作，則二者之間具有了選擇性。但是在K2點左側的部分區域線路發生短路時K1也可能不動作，即速斷保護存在保護死區，此時就要靠過電流保護作為主保護。

實際工程中由于配電線路WL1較短，K1既要躲過K’點的三相短路電流，又要保證WL1線路首端最小運行方式下兩相短路電流能可靠跳閘，往往導致繼電保護的配合很難實現，尤其對于K2與K3之間的速斷保護選擇性更難實現。

如在上下級速斷保護中增加0.1～0.3s的時間級差，則能很好地解決保護選擇性問題，但在實際工程中，變電站的出線開關K1及K2、K3的速斷保護時間通常設為0s，算上斷路器固有動作時間40～60ms，繼電保護的響應時間30～40ms，則各級開關的全分斷時間約100ms。

當末端采用負荷開關——熔斷器保護變壓器時，由于熔斷器能快速切除短路故障電流，動作時間可以短至20ms，這樣與上級開關全分斷時間100ms有個很好的配合。這在住宅小區變電所設置中有較多應用，由于負荷開關分斷轉移電流的能力所限，在我國的多數地區只允許使用保護容量在1 250kVA以下的變壓器。

5低壓開關的選擇性配合

《低壓配電設計規范》(GB 50054-2011)6.1.2“配電線路裝設的上下級保護電器，其動作特性應具有選擇性，且各級之間應能協調配合。非重要負荷的保護電器，可采用部分選擇性或無選擇性切斷”。

在低壓配電系統中上下級開關的保護配合，過載保護容易實現，只要根據脫扣器的脫扣曲線，上下級開關的電流值保持1.3倍的級差基本可以實現有選擇性的保護。對于短路短延時和短路瞬時保護則較為復雜。對上下級開關選擇性保護通過電流選擇性、時間選擇性、區域邏輯選擇性及能量選擇性實現，具體原理可以查閱相關資料。

圖8　低壓開關的選擇性示意圖

在低壓配電系統中，以圖8為例，變電所低壓柜配電到某區域配電箱1，再配電到某個房間配電箱2，各級開關之間的保護分析如下。

低壓柜內主進開關K1及出線開關K2都按照選擇型B類斷路器設計，采用電子脫扣器保護。兩者的長延時及短延時均設電流級差及時間級差，則可以達到完全選擇性。

當圖8中K3、K5按隔離開關設計，則K2與K4之間及K4與K6之間的選擇性配合就較容易實現。由于K2與K4位于上下級配電箱的出線，其開關額定電流值一般會存在較大級差(同時要滿足K2的短延時動作電流值大于K4瞬時動作電流值)，另外K2未設瞬動，當K4后線路短路故障時，K4會先于K2動作跳閘。而K4與K6之間電流級差達到2級或以上時，根據產品提供的能量選擇性參考表，一般也能滿足選擇性要求。

當K3采用斷路器，配電箱1內部短路，如短路電流較大，此時K3瞬動及K2短延時同時啟動，由于K3瞬動時間一般為3～20ms，故K3先動作跳閘，具有選擇性。當短路電流較小，在800～2 000A時，K2短延時啟動，而K3瞬動元件不動作，這種情況下無選擇性。

當K5采用斷路器時，由于K4為非選擇性斷路器，二者選用同樣電流規格的開關時，就沒有選擇性，由于這是同一個負荷配電線路末端，允許無選擇性。但有些設計人員常將K4的電流值提高1、2個等級，認為這樣可以具有部分選擇性，這樣做并不是很合適。由于線路WL1截面是根據K4來設計的，K5限制了線路提供電能的能力，既加大了導線成本也不能確保K4、K5之間的選擇性。根據廠家對限流斷路器的測試結果，當上下級開關額定值差到2級以上時才能保證有選擇性，故沒有特殊要求時，配電箱進線開關應優先采用隔離開關。

6結束語

以上是本人對供配電級數與保護的簡單認識，論述過程中對靈敏度系數、可靠系數及一些小概率事件未做考慮，有不準確的地方請同仁批評指正。

參考文獻

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

Application Situation and Design of Distributed Photovoltaic Power Generation Status in Residential Building Project

Wang Zhenghao