建筑工程变电所系统有效运行研究
2014-03-29余旋
余旋
（安徽建筑大学 电子与信息工程学院，安徽 合肥 230601）
建筑工程变电所系统有效运行研究
余旋
（安徽建筑大学 电子与信息工程学院，安徽 合肥 230601）
建筑工程是一个由多个部分有机构成的复杂系统，在诸多构成部分之中，电力系统是必不可少的，直接关系到整个建筑工程能否正常使用，变电所是整个电力系统中最为核心和关键的，基于此，本文对变电所有效运行的诸因素进行研究，从变电所位置选择出发，研究了建筑工程变电所交直流操作电源的选用原则和方式，也对建筑工程变电所高低压开关柜的进出线方式选择进行分析，在前述基础上，对建筑工程变电所电力变压器的故障、保护和整定进行探讨.
建筑工程；变电所；有效运行
众所周知，建筑工程是一个复杂的系统，有多个组成部分，在诸多部分之中，电力系统是现代建筑必不可少的，在一定意义上可以说直接关系到整个建筑工程能否正常使用，而变电所是整个电力系统中最为核心和关键的，因此，建筑工程中的变电所的正常和有效运行就显得极为重要，这也是本文研究的基本出发点所在.
1 建筑工程内的变电所位置选择——首要的基本条件
一个建筑工程，在设计之初就应当考虑到变电所的位置，这是建筑工程变电所运行的首要的基本条件，变电所的选择应基于以下几个方面的考虑.
1.1 应尽可能接近用电负荷中心
变电所接近负荷中心，低压供电半径小，减少电压降，节省线缆、减少能耗，提高供电质量，是首先要考虑的原则.对于高层建筑、地下室和屋顶是电力负荷相对比较集中的两个区域，地下室有冷冻机房、水泵房、锅炉间、通风设备等，约占整个大楼用电负荷的40%～55%，尤其是冷冻机房是用电大户，因此变电所应尽量靠近冷冻机房一侧.对于建筑体量比较大的高层建筑，特别是超高层，其屋面层电力负荷比较大，如电梯、消防风机、冷却塔等.在北方，空调采暖采用电热泵机组，一般布置在屋面层，这样也可考虑在屋面层或技术层设置分变电所.
1.2 变电所位置选择要考虑到进出线方便
高压进线要尽量减少与建筑周围其他管道的交叉.出线要靠近用电负荷侧，特别希望与电气竖井靠近，并使大部分线缆的走向尽量能避免与其他专业的大管道交叉.尤其在高层有限的情况下，更应综合考虑，合理布置.
1.3 电气设备运输、吊装的便利
设在地下室的变电所，其电气设备的运输通道，首先应尽量利用地下层的车道，但应注意其层高能否满足要求，通往变电所的通道有否剪力墙等不可拆移的障碍物.总之，必须满足首次搬运、安装和将来检修的需要，特别应注意今后更换变压器时搬运的可能.如果没有车道或不能满足以上要求，则要考虑可否在变电所某一位置的顶板上予留吊装孔，吊装孔还应考虑一些善后处理的措施.
设置在屋顶层或中间技术层的变电所，主要应考虑电气设备吊装的可能，以及楼板荷载的承重问题.
1.4 其他需要考虑的因素
1.4.1 变电所位置选择还需要考虑到防水.变电所若设于地下室，不宜设在最底层，当地下层仅有一层时，应采取适当抬高地面等防水措施.变电所不应设在厕所、浴室或其他经常积水场所的正下方或邻近.
1.4.2 变电所位置还应考虑避开剧烈振动的场所、远离污秽的地方（如污水处理站），不应与有火灾危险的场所邻近.
2 建筑工程变电所交直流操作电源的选用——变电所运行的核心
2.1建筑工程变电所交流电的选用
交流操作电源一般有“电压源”与“电流源”两种.“电压源”主要来自所用变或配电变压器二次侧380/220V母线，或电压互感二次侧经100/220V隔离变压器取得.但须注意，从电压互感器引来的“电压源”不能作为短路保护装置的操作电源，为解决变电所首次电动合闸问题，电压互感器必须接在进线断路器的电源侧.为提高其供电的可靠性，电压互感器二次绕组中性点采用经击穿保险器接地，当其二次回路任一相发生接地时，可由电压继电器监察并发出信号.
“电源流”由电流互感器提供，主要供继电保护跳闸.短路故障时，可利用电流互感器二次侧短路电流使断路器跳闸.交流操作电源具有接线简单、投资低、节省占地面积等优点，但还不能构成十分完善的保护系统，一般只能应用在中小型变电所中.
2.2 建筑工程变电所直流电的选用
建筑工程变电所的直流操作电源可分为两种，一种是由蓄电池组组成，另一种是由交流整流获得，现从以下两个方面进行论述.
2.2.1 蓄电池组电源.免维护铅酸蓄电池直流系统成套装置和镉镍蓄电池直流系统成套装置.前者主电路是由铅酸蓄电池组、充电/浮充电机、硅稳压调压装置及直流输出回路组成；后者有镉镍蓄电池组、充电机、直流恒压装置和直流输出回路组成.这两种直流电源均是一个独立的电源，与系统运行状况无关，可以在停电情况下保证直流操作机构、继电保护、信号、自动装置以及应急事故负荷电源的供电.
尤其是镉镍蓄电池直流装置，采用密封免维护电池，无须补液，并能防止出现爬碱现象，具有可靠性高、占地面积小、维护工作量少、可以实现复杂的继电保护等优点，已被广泛应用.但该直流电源也存在接线复杂、直流网络较长、设备一次投资大、易引起直流一点接地故障等缺电，因此仅在对操作电源要求特别可靠的工程中采用.
2.2.2 整流操作电源.常见的是由硅整流装置和电容补偿装置构成.系统正常运行时，操作电源由硅整流装置提供，继电保护电源由电容补偿装置供给.当系统故障时，交流电源电压降低甚至消失时，由电容储能装置放电使断路器跳闸，其优点是设备简单、投资省、便于维护；缺点是可靠性不如蓄电池直流系统.在小型变配电系统中得到广泛地应用.
在民用工程的变配电系统中，操作电源的选择应根据建筑物（群）或小区的规模、性质（重要性）以及断路器选型对操作电源的要求、经济指标、变电所的面积条件等综合考虑确定.应该说，交流操作电源首先被广泛采用，仅在对供电可靠性有特别要求的工程，或规模特别大的系统才考虑用直流操作，且一般首选镉镍蓄电池直流装置.需要提醒的是，对供电部门要求用户电源进线断路器加失压保护的系统，断路器必须选用带失压脱扣机构，否则交流操作电源难以满足这个要求.
3 建筑工程变电所高低压开关柜的进出线方式选择——变电所内电流运行的路径
一般而言，建筑工程变电所高低压开关柜的进出线方式主要分为上进上出和下进下出或二者兼有几种方式，这几种方式各有优缺点，应根据工程具体情况选择，下面针对这几种出现方式，进行分析.
3.1 建筑工程变电所高低压开关柜的下进下出线方式
这是一种比较传统的方式，即电源进线及馈出线均以电缆形式从开关柜下部进出，需要在开关柜下面做电缆沟或电缆夹层，作为电缆敷设之用，安装检修十分方便，地面上变电所常用这种方式.对于地下室变电所，要设电缆夹层或电缆沟，为满足大电缆弯曲半径的需要，沟深要1m左右，夹层则要1.8～2.4m高，这就可能出现一系列问题，如地下层要有足够的高度才能做架空地板，以形成电缆沟或夹层；土建造价势必大为提高，很不经济.若在结构底板上开沟，则必须断筋，给结构带来难度，而且缆沟进水、积水、电缆泡水也难以处理.另外，由于电缆沟尺寸因设备不同而异，而设备定货往往在土建施工之后才能落实，因而常造成土建大返工.因此“下进下出”的方式在地下层变电所的应用受到诸多因素的限制，而逐渐被“上进上出”所取代.
3.2 建筑工程变电所高低压开关柜的上进上出线方式
这是近年来地下室变电所较广泛应用的进出线方式，即电源进线与馈出线均从开关柜顶部进出.随着电缆桥架、密集型母线的问世，为导线敷设方式开辟了新的途径，也使得“上进上出”成为可能.它避免了“下进下出”的一系列弊端，充分利用了开关柜顶的空间，压缩了层高，解决了进水、积水问题，比较经济合理.但对开关柜制造厂提出了新的要求，即要求开关柜应有导体上引的通道.目前国内外均有这类产品问世，国产的如KYN、JYN改型的高压柜（即柜台后加背包作为电缆进出的空间），低压柜如GCK、GCS、MNS等，均可实现“上进上出”.
3.3 建筑工程变电所高低压开关柜的混合型出线方式
即一部分线缆上进上出，一部分为下进下出.这多适用于设在楼层上的配电室，馈出线既有往高层走，也有往低层去，这在设备订货时，应特别注意对厂家提出不同的出线要求.
4 电力变压器的故障、保护和整定——建筑工程变电所有效运行的有力保障
4.1 建筑工程变电所电力变压器的常见故障
变压器故障可分为内部故障和外部故障两种.
内部故障指变压器相间、绕组匝间短路和单相接地短路，短路电流的电弧不仅会破坏绕组绝缘、烧坏铁芯，而且还会由于绝缘材料和变压器油因受热分解产生严重后果.
外部故障指引出线上绝缘套管相间短路和过负荷引起的过电流、绕组温度升高、油温升高、油面降低等.
4.2 建筑工程变电所电力变压器的保护和整定
根据上述故障及运行的异常现象，考虑民用建筑变压器容量一般在2000kV·A及以下，一般应按照以下方式进行保护和整定.
4.2.1 过电流保护和整定
防御外部短路而引起的过电流，并作为速断保护的后备保护，带时限动作于跳闸.其整定原则如下：
（1）按躲过变压器可能出现的最大负荷电流来整定（主要应考虑电动机的自起动等因素）.
（2）过电流保护动作时限应与低压侧熔断器或断路器保护相配合，时限阶段取△t=0.5～0.7s.
（3）灵敏度按变压器二次侧两相短路的条件来校验.
4.2.2 速断保护和整定
防御变压器的内部故障和引出线的相间短路、接地短路，瞬时作用于跳闸，一般当过流时限大于0.5s时，需装设速断.
整定原则为，起动电流应躲过系统最大运行方式时变压器二次侧短路电流，所以二次侧套管引出线发生短路，保护不会动作，只能保护变压器大部分绕组.因此必须与过流、瓦斯等配合，才能有效地保护变压器.
4.2.3 瓦斯保护和整定
用于800kV·A及以上油浸式变压器，防御变压器油箱内部多种类型故障尤其是绕组匝间短路最灵敏.短路电流的电弧使绝缘物和油分解产生大量气体，于是热油膨胀，油流冲击瓦斯继电器，使舌簧接点接通，重瓦斯作用于跳闸，轻瓦斯作用于报警.
4.2.4 过负荷保护和整定
防御因过载而引起的过电流，一般只在有可能过载时才装设.如并列运行的变压器，或作为其他备用电源变压器等，一般作用于信号（带时限）.还可利用变压器低压侧空气断路器的长延时脱扣器，实现过负荷保护.
整定原则为，起动电流按躲过变压器的额定电流1.2～1.5倍整定，其动作时限应大于过电流保护的时限，一般10～15s.
4.2.5 单相接地保护和整定
对于变压器低压侧为干线制Y，yn0的变压器，当利用高压侧的过流保护兼作单相接地保护，或利用低压侧三相过流保护不能满足灵敏度要求时，应装设单相接地保护作用于跳闸.
整定原则为，应躲过正常运行时变压器中性线上流过的最大不平衡电流（一般不超过变压器额定电流的25%）.
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