关于超高层建筑中高区分变电站继电保护设计的探讨

嵇文津 (AECOM咨询（深圳）有限公司， 北京 100025)

超高层建筑的出现给建筑变配电系统带来的变化是十分巨大的。由于建筑高度是传统建筑的两倍、三倍甚至四、五倍，使得建筑规模出现大幅度增加，同时建筑的功能也由单一功能变成多功能组合。这些变化使建筑内变配电系统无论是系统规模，还是结构复杂性，与过去相比都发生了巨大变化，随之而来的是许多新的技术问题的出现。为了保证供电系统的安全性、可靠性，要求我们对以往的设计做出调整。

1 主-分变电站结构的10kV变配电系统

超高层建筑中10kV变配电系统的主要结构形式是采用主-分变电站系统结构。超高层建筑的高度和规模的变化，使过去设计中单独一座中心变电站已无法满足建筑供电需求，分变电站出现在超高层建筑内。380V低压供电半径的限制和变压器深入负荷中心的要求，使变压器离开中心变电站，并且与低压主配电屏组成了分变电站,且被设置在超高层建筑的高区，从而出现了高区分变电站。原有的中心变电站扩展成主-分变电站结构形式变配电系统。按照相关设计规程规定，由于商业建筑中压变电站一般都是末端用户变电站，按照上级供电网络对用户变电站的继电保护级别配合的要求，用户变电站的10kV配电系统一般都是一级配电。因此，主-分变电站结构是常用的超高层建筑内的10kV变配电系统结构，如图1所示。

2 原有设计中变压器继电保护在10kV主-分变电站系统中的不足

依照《工业与民用建筑配电手册》中电力变压器的保护的要求，建筑中的变压器一般情况下容量在2500kVA以下，传统设计中建筑变配电系统中变电站内变压器的继电保护由带时限的过电流保护和电流速断保护组成。这种继电保护的设计在10kV主-分变电站系统中存在一些不足。

1） 在单一的中心变电站内，变压器的继电保护配置既保护馈线电缆，也保护变压器。由于中压配电柜和变压器布置于一室，自馈线开关至变压器的电缆距离很短，安全系数很高。当继电保护动作开关跳闸之后，无论是由电缆引起的故障，还是由变压器引起的故障，值班人员很容易辨别并确定故障部位。因此，所配置的带时限过电流保护和短路电流速断保护能够完全对变压器起到保护作用。当设计为主-从变电站系统方式时问题发生了变化，从图1我们可以看出，分变电站的变压器与主配电柜不在一个房间内，是在几百米以外的分变电站内。当发生故障而引起继电保护动作开关跳闸后，带时限过电流保护和短路电流速断保护从功能上是无法辨别出故障来自哪一个设备。靠运行人员进行检查也有困难，馈线电缆几百米长，延桥架和垂直电力竖井敷设，检查起来不容易。变压器的检查也比较困难，由于变压器位于建筑物的高区，自位于地下层的主变电站值班室到高区分变电站即使乘电梯也要一段时间，影响运行人员的故障排查。

图1 主-分变电站配电系统结构示意图

2） 变压器温度保护功能的丧失。干式变压器的保护使用温度保护，一般设置2级。1级启动风机进行强迫风冷降温并报警，2级动作开关跳闸。在高区分变电站设计中会出现新的问题。由于变压器和馈线开关不在一个站内，变压器出现异常温升的信号要经过几百米的距离才能由分变电站送到馈线开关，而由于供电距离超过了低压（380/220V）有效供电半径，信号传输出现了问题，许多设计中不得不取消了这一功能。

可见, 在超高层建筑中的主-变电站系统中高区分变电站的出现，使过去继电保护配置出现了问题，需要对过去的设计进行调整。

3 关于高区分变电站变压器继电保护的设置变化的探讨

为了提高分变电站变压器的保护功能，在设计中对变压器开关和继电保护的设置进行了如下的调整：

1）在变压器前设置具有自动操作功能的真空断路器开关

以往的设计中，分变电站的变压器前为了检修安全通常设置一个隔离开关，有的即使是真空断路器也是起隔离开关的作用，隔离开关一般是手动操作。而这里设计的是具有自动操作功能的开关，这样做的目的是将一部分变压器的保护功能设置在分变电站内。

2） 变压器温度保护的2级超温跳闸信号接入变压器前端设置的真空断路器开关

变压器自带的温度控制箱设置2级温度保护，当1级超温保护动作时，启动风机强迫排风。 当2级超温保护动作时，将2级超温保护信号接入变压器前端的真空断路器开关，动作真空断路器开关跳闸， 恢复变压器超温保护的功能。

3） 新增设置变压器差动保护

非常重要的变化是增设专门针对变压器的继电保护措施——变压器差动保护。

变压器差动保护原理，如图2所示，差动保护是根据“电路中流入节点电流的总和等于零”的原理制成的。差动保护把被保护的电气设备看成是一个接点，那么正常时流进被保护设备的电流和流出的电流相等，差动电流等于零。当设备出现故障时，流进被保护设备的电流和流出的电流不相等，差动电流大于零。当差动电流大于差动保护装置的整定值时，发生保护动作，将被保护设备的各侧断路器跳开，使故障设备断开电源。

图2 变压器差动保护原理图

差动保护在分变电站变压器保护中的应用。在《工业与民用建筑配电手册》中电力变压器的保护的要求中，一般条件下1600kVA以下的变压器是不装设差动保护的，但在主-分变电站系统中由于前面所分析的分变电站中变压器运行所存在的各种不利因素，要求引入新的继电保护措施来有效地辨别各级不同设备的故障。变压器差动保护的设置起到了这一作用，通过设置变压器差动保护，使我们能够在变压器出现故障时能够有效地发现故障，弥补了10kV馈线开关设置的过电流保护和电流速断保护在故障发生时无法识别故障点是发生在馈线电缆处还是变压器处的不足。

4） 10kV中压开关柜中馈线开关原有设置的过电流保护和电流速断保护的作用

由于前面1、2和3项措施，能够有效地识别和切除变压器的故障，10kV馈线开关所设置的过电流保护和电流速断保护的作用将转变为主要向开关下口的馈线线路提供保护，同时，也成为变压器的后备保护。

5） 新设计条件下各级继电保护功能的分析

通过上述设计调整，超高层建筑内10kV主-分变电站配电系统的可靠性、选择性和灵敏性有了一定的提高，系统内各级设备故障情况下识别能力和层次都有了改善，详见表1。

表1 10kV主-分变电站系统各级继电保护功能设置

4 结束语

超高层建筑中10kV主-分变电站变配电系统中，由于高区分变电站的变压器和10kV主配电柜不在一处，使原有的变配电系统继电保护的设置在辨别故障设备的过程中出现了问题，通过增加变压器前端断路器开关，并结合设置变压器温度保护和差动保护，能够有效地弄清10kV馈线开关下口馈线电缆和变压器的故障位置，提高了整个系统的选择性水平，有利于提高超高层建筑变配电系统可靠性、选择性和灵敏性，保证超高层建筑中变配电系统更好地运行。

[1] 中国航空工业规划设计研究院.工业与民用配电设计手册（3版）[M].北京：中国电力出版社，2005.