華東某高校10kV線路斷電分析與解決——學校變壓器的失壓保護問題

楊 勇 趙星熠

華東某高校10kV線路斷電分析與解決——學校變壓器的失壓保護問題

楊 勇 趙星熠

[華東師范大學]

隨著高校規(guī)模的不斷擴大和教學科研活動的不斷增加，高校用電需求也隨之日益增加。高校內部建設有眾多10kV變電站，市政高壓供電進入學校后，經10kV站變配電輸送至各用電設備，市政供電電網的波動也隨之影響學校供電穩(wěn)定性，市政電網波動造成學校供電線路斷電情況時有發(fā)生。本文通過對學校10kV線路斷電情況進行研究分析，介紹了變壓器低壓開關失壓保護裝置的不同形式，提出要選擇變壓器合適的保護裝置，以確保學校供電線路的穩(wěn)定性。

10kV站；線路斷電；變壓器；失壓保護

伴隨著教育改革的不斷推進，大學的招生規(guī)模逐年擴大，教學科研用能設備逐年增加，供電網絡的任何波動，都會對學校精密科研儀器以及數(shù)據(jù)產生影響，電力供應的安全性和穩(wěn)定性尤為重要。

作為國家重點知名高校，華東某高校由市政高壓環(huán)網供電，供電環(huán)網分三路分別進入學校教學區(qū)、本科生公寓區(qū)以及研究生公寓區(qū)。其中學校教學區(qū)供電網絡由一個35kV高壓站和13個10kV高壓站（共計32臺變壓器）以及低壓供電網組成。本科生公寓區(qū)供電網絡由10個10kV箱變（共計20臺變壓器）以及低壓供電電網組成。研究生公寓區(qū)供電網路由5個10kV高壓站（共計9臺變壓器）以及低壓供電電網組成。為方便供電網路檢修及確保學校供電穩(wěn)定，市政三路高壓進線均分為Ⅰ段和Ⅱ段供電線路，各高壓站及箱變的變壓器均按其負荷平均分配在Ⅰ段和Ⅱ段供電線路上。

2019年10月某日晚，學校出現(xiàn)大面積斷電情況，學校教學區(qū)部分10kV線路斷電。經現(xiàn)場調查，本次教學區(qū)斷電共計影響教學區(qū)的7個10kV站。初步調查原因為上級電網波動造成35kV站Ⅱ段進線電壓波動，進而造成7個10kV變電站內Ⅱ段變壓器低壓側開關斷路器失壓保護裝置啟動造成停電。

為確定學校大面積斷電的具體原因，保障學校電力供應的安全，對本次停電情況進行了詳細的調查分析。

一、停電情況分析

（一）學校供電網絡35kV高壓變配電系統(tǒng)結構

供電流程：35kV外線電網——高壓斷路器——高壓變壓器——10kV斷路器——10kV母線——10kV斷路器——各10kV變壓器——低壓開關斷路器（帶失壓保護裝置）——400V用電設備，詳見圖1。

圖1 校區(qū)35kV高壓變配電系統(tǒng)

失壓保護裝置作用：在遇到市政供電高壓環(huán)網瞬間失壓時，變壓器低壓側開關斷路器的失壓保護裝置瞬間啟動，斷路器跳閘。根據(jù)GB14148.1-2000《低壓開關設備和控制設備總則》規(guī)定欠壓脫扣動作的的范圍為額定電壓的35%-70%，失壓脫扣的動作的的范圍為額定電壓的10%-35%。[1]

（二）市政高壓供電環(huán)網波動原因分析

從供電局了解到，10月某日夜間，學校附近一處工廠的一臺變壓器發(fā)生故障。故障發(fā)生后，為防止損失進一步擴大，市政高壓供電保護裝置啟動，高壓供電設備在0.2秒內跳閘一次，切除故障線路供電，因此造成市政供電線路0.2秒的瞬時失壓，進而引起市政35kV高壓供電環(huán)網產生波動。本次市政高壓電網波動影響周圍（包括學校在內）的多個廠區(qū)、園區(qū)。

（三）學校停電情況分析

在本次市政供電環(huán)網波動造成的學校大面積停電中，本科生公寓以及研究生公寓區(qū)供電未受到影響，部分10kV站Ⅱ段變壓器及新建樓宇10kV站Ⅱ段變壓器也未出現(xiàn)停電現(xiàn)象。其中本科生公寓以及研究生公寓區(qū)由其他兩路市政高壓供電網絡供電，不受本次供電網絡波動影響。對其余未停電10kV站Ⅱ段變壓器調查分析，原因主要有以下兩種。

一是變壓器退出了低壓開關失壓（欠壓）保護功能。調查發(fā)現(xiàn)，實驗樓Ⅱ段變壓器低壓斷路器失壓（欠壓）保護裝置因失效已被拆除，并且未加裝新的保護裝置，因此本次事故中未受到影響。

二是變壓器低壓開關失壓（欠壓）保護增加了延時裝置。變壓器低壓側失壓保護裝置并聯(lián)有延時保護裝置，延時裝置內部能夠存儲電能。當供電電網瞬時失壓，變壓器低壓開關將不會跳閘，若電網長時失壓或欠壓（小于電網額定電壓的70%），供電電壓不能由延時裝置內部存儲的電能維持時，低壓開關才會斷開[2]。學校新建10kV站內安裝的變壓器均采用延時保護功能，因此本次未發(fā)生停電現(xiàn)象。

二、原因分析及解決

本次教學區(qū)7個10kV變電站內Ⅱ段變壓器斷電，均是由高壓供電電網波動造成變壓器低壓開關失壓（欠壓）保護啟動引起。為保障學校供電網絡的安全穩(wěn)定，對學校目前變壓器低壓開關失壓（欠壓）保護現(xiàn)狀進行調查分析。

（一）低壓開關失壓（欠壓）保護

變壓器低壓開關失壓（欠壓）保護的主要作用是，在維持供電電網穩(wěn)定的同時，保護供電線路上的用電設備不受電網波動的損害。失壓（欠壓）保護裝置啟動，斷路器斷開，供電電網恢復后，供電線路上所載負荷不會同時啟動，避免了高壓供電線路負載過高造成電網瞬間過載；同時能夠避免低壓端用電設備瞬間啟停造成的操作過電壓和電流的沖擊。

但是，低壓開關失壓（欠壓）保護裝置啟動后，用電線路斷電，需要電力搶修人員到10kV站內對各斷電變壓器手動合閘進行送電，這種情況不僅供電速度很慢，而且電力搶修人員工作量大，學校斷電時間較長，承擔的風險系數(shù)較高。由于學校數(shù)據(jù)中心、重點實驗室對供電網絡穩(wěn)定性的要求越來越高，學校內變壓器必須選取合適的失壓（欠壓）保護方式，以解決市政高壓電網波動產生的變壓器失壓脫扣保護與學校快速恢復供電之間的矛盾。

（二）學校變壓器低壓開關失壓（欠壓）保護情況

目前學校10kV站變壓器針對電網波動有三種應對方式：低壓開關退出失壓（欠壓）保護、低壓開關瞬時失壓（欠壓）保護、低壓開關延時失壓（欠壓）保護。下面對三種方式進行分析。

方式一：低壓開關退出失壓（欠壓）保護。在市政高壓電網失壓或者欠壓時，由于變壓器退出了失壓（欠壓）保護，其低壓側開關始終保持閉合，當市政高壓電網恢復供電后，變壓器直接恢復供電。對于學校現(xiàn)有變壓器，只需將低壓開關失壓保護裝置拆除即可。這種方式原理簡單，改造起來也較為簡單同時成本較低。但是，這種方式會對市政電網的安全穩(wěn)定運行、學校的高精密實驗設備等帶來損害。一是由于操作過電壓會對市政供電電網產生沖擊，造成高壓電網瞬間的電壓質量劣化，對學校眾多用電設備造成嚴重損害。二是則當供電電壓欠壓較嚴重（如小于電網額定電壓的70%）時，供電電壓嚴重不足，低壓側用電設備欠壓運行，輕則造成學校實驗設備斷電，數(shù)據(jù)丟失，實驗中斷；重則造成設備電機電流過大，燒毀用電設備，引發(fā)安全隱患。

方式二：低壓開關瞬時失壓（欠壓）保護。在市政高壓電網失壓或者欠壓情況下，變壓器低壓開關啟動保護斷開線路，市政高壓電網恢復后，電力搶修人員到現(xiàn)場逐一手動合閘送電，速度比較慢，且人員工作量很大。同時由于電網波動較為頻繁，容易造成學校頻繁無預警停電，針對學校眾多的用電設備、實驗設備以及數(shù)據(jù)中心會造成設備損壞、數(shù)據(jù)丟失等嚴重影響教學科研活動的情況。

方式三：低壓開關延時失壓（欠壓）保護。在供電電網正常供電時，對變壓器低壓側失壓延時裝置充電。當市政高壓電網瞬時失壓，欠壓延時裝置釋放其內部儲備的電能，從而維持電網供電。安裝了延時裝置，對于市政高壓電網的瞬時失壓，變壓器低壓開關將不會跳閘，只有當市政高壓電網長時間失壓或欠壓（小于電網額定電壓的70%），供電電壓不能由延時裝置內部存儲的電能維持，變壓器失壓（欠壓）保護啟動，開關才會跳閘。總體來說，延時保護能夠很好的應對電網波動，減少停電風險，保護用電設備正常運行，保障學校供電安全。

此次市政供電電網波動造成的停電事故中，受到影響的均是按照方式二進行的低壓開關瞬時失壓（欠壓）保護的10kV線路變壓器。

（三）解決方案

通過分析發(fā)現(xiàn)，10kV站變壓器低壓開關選擇退出失壓（欠壓）保護或低壓開關瞬時失壓（欠壓）保護均不能很好的應對供電電網波動。目前，學校已對現(xiàn)有變壓器低壓側出線開關進行全面調查，在條件允許情況下，全部選擇低壓開關延時保護方案保證學校供電網絡安全。

三、結論及展望

通過本次學校停電情況的調查，分析了變壓器低壓開關失壓（欠壓）保護的各種方式，進而保障學校供電網絡的安全性和穩(wěn)定性。建議各高校根據(jù)自身實際情況，就是否有利于供電穩(wěn)定性、是否有利于學校用電設備安全性、是否有利于學校變壓器跳閘后快速恢復供電等多方面進行詳細比較，綜合考慮用電需求和改造成本選擇適當?shù)谋Ｗo方式。

隨著科技的發(fā)展，供電網絡也越來越智能化，目前已有低壓自動開關失壓保護自恢復技術，通過AI技術自動判斷開關分閘是由失壓引起還是正常分閘（人工斷開），并根據(jù)判定結果來確定開關是否重新合閘并自動進行動作。利用此類科技手段可大大減少電力搶修人員恢復供電時間和勞動強度，更好地保證電力的供應和穩(wěn)定。

[1]GB14148.1-2000，低壓開關設備和控制設備，[S].

[2]王維儉.電氣主設備繼電保護原理與應用（第二版）[M].北京：中國電力出版社，2002.

（責任編輯：趙鵬程）