高低压配电级数及选择性探讨

高低压配电级数及选择性探讨

陶云飞 / 连康龙 (深圳华森建筑与工程设计顾问有限公司， 北京 100048)

摘要简述供配电系统中配电级数的考虑和设置、配电级数与保护级数的区别及联系，并阐述了实现配电系统各级保护的选择性需采取的技术措施。

关键词配电级数 保护级数 选择性

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

本文主要论述民用建筑10kV及以下供配电系统中配电级数和保护选择性的问题。《供配电系统设计规范》(GB 50052-2009)4.0.6条“供配电系统应简单可靠，同一电压等级的配电级数高压不宜多于两级；低压不宜多于三级”。此条虽不是硬性要求，但应弄明白配电级数不宜太多的原因，在设计过程中，当条件许可时应尽量减少配电级数。

配电级数可以理解为对电能进行分配的次数，即经过一个配电柜、箱认为是一级配电，如图1所示，左侧图有三级配电，右侧图有二级配电。从图1中可以看到，配电级数少则配电系统简单，管理维护方便，故障率也低。因此重要的供电系统应尽量减少配电级数。

图1　配电级数的示意

1高压配电级数

根据规范要求，高压10kV配电系统同一电压的配电级数不宜超过两级，例如由低压侧为10kV的地区变电站配电至10kV用户变电所，再从该变电所以10kV配电给变压器，则认为10kV配电级数为两级。

当存在如下情况时，供电部门会在变电站与用户变电所之间增设10kV开关站：

1)变电站中压馈线开关柜数量不足。

2)变电站出线走廊受限。

3)为减少相同路径的电缆条数。

4)为大型住宅区的若干个拟建配电室供电。

图2所示为单路电源，中间增设10kV开关站的三级10kV配电系统。

图2　10kV三级配电示意图

高压配电级数过多，继电保护整定时限的级数也随之增多，而电力系统容许继电保护的时限级数对10kV来说通常只限于两级，如配电级数太多，则中间一级势必要与下一级或上一级之间无选择性。

用户变电所的上级电源一般由供电部门决定，当供电容量较大，对可靠性要求较高时可直接从上级变电站引接电源。用户内部10kV变电所宜直接配电给变压器，不宜再设二级10kV配电。

当工程体量较大，用户内部必须设多处变电所时，10kV配电可以采用下述配电方式。

1)10kV放射式配电。当总变电所与分变电所位于同一建筑物内部或通过走道相通时，可以采用图3所示的配电方式。分变电所变压器不设保护，就地设负荷开关，保护在总变电所完成。

图3　多处变电所10kV配电示意图

2)当分变电所距离主变电所较远、内部变压器数量多时，可考虑高压在分变电所内做二级配电。如图4所示，在超高层建筑地上避难层设分变电所，内设4台1 000kVA变压器，此时分变电所采用负荷开关熔断器对变压器进行保护。

图4　10kV二次分配示意图

分变电所也可以采用断路器保护，参见图集《超高层建筑电气设计与安装》(14D801)第12页。由于此方案多一级配电，继电保护难以整定，不是最佳方案。

2低压配电级数

规范要求低压配电系统的配电级数不宜多于三级，例如从10/0.4kV变电所低压配电屏至配电室分配电屏，由分配电屏至动力配电箱，由动力配电箱至终端用电设备，则认为380V配电级数为三级。在设计过程中，要满足重要用电设备配电级数不多于三级，普通用电配电级数不宜多于四级。

图5为地下室消防风机的配电，是设计人员常用的几种方式。左侧配电方式中配电级数达到四级，严格来说不符合规范要求，按图5中右侧的配电方式，虽然从变电所的出线回路增加了，但满足了三级配电的要求。

图5　低压配电级数示意图

树干式配电是否算一级？许多人对此有疑问。配电级数指电源分配的次数，而电源分配有多种方式，放射式、树干式及链式等。故本文将树干式配电作为一次配电级数考虑。

3配电级数与保护级数的区别

供电电源在分配的过程中，每一级配电箱柜都会有总进线开关和多个分支出线开关，各级配电的总开关与分开关之间就会产生上下级的保护选择性问题。同一条线路在上级出线端及下级进线端两个开关之间也会存在保护选择性问题。

如图6所示，当K4配出回路发生故障时，能实现K4动作，而K3、K2和K1不动作，这种设计满足保护选择性的要求。如果每级开关都可能随机动作，造成事故面的扩大，则认为设计不满足选择性要求。

一个有效的配电保护系统能精确识别故障和快速动作，做到清楚发生故障的原因和地点，避免不必要的脱扣，确保供电的连续性和稳定性。

图6　配电级数与保护级数示意图

在配电线路中，将起保护作用的开关作为一个保护级数，则图6中有二级配电四级保护，如果配电柜2的进线开关K3改为不具有保护功能的隔离开关，则认为该系统具有三级保护。由此可见，配电级数要少于保护级数，究竟什么时候需要设保护开关，应该根据工程具体需要设计。保护级数过多，要达到上下级保护之间的选择性将较难实现或不够经济，所以设计中也应尽量减少保护级数。

配电线路装设的上下级保护电器，其动作选择性分为完全选择性、不完全选择性和无选择性三种，且各级保护之间的选择性配合，应根据负荷的重要程度和管理维护的需要确定。

图6配电柜2中，K3与K4属于上下级关系，之间有保护选择性配合的问题，但K2与K3属于同一线路，二者跳闸造成的停电范围是一样的，因此K2与K3两个开关之间的选择性便应根据管理维护的方便确定。

4高压开关的选择性配合

常见高压10kV开关保护包括定时限的过电流保护及电流速断保护。以图7为例，K1为变电站出线开关，K2为变电所进线开关，K3为变压器的保护开关，讨论开关K1与K2及K2与K3之间的选择性配合问题。

图7　高压开关的选择性示意图

4.1过电流保护上下级配合

过电流保护应躲过线路的最大负荷电流，包括正常过负荷电流和尖峰电流，以免在线路通过正常的过负荷电流时保护装置误动作。

假设用户变电所线路K点发生相间短路，由于短路电流远大于线路上各个开关处的最大负荷电流，所以沿线的K1、K2及K3的过电流保护装置均要启动，为了保证选择性只让K3开关动作跳闸，此时可通过每级开关的动作时限加以区别，如K3延时时间T1，则K2延时时间按T1+Δt考虑。过电流保护的动作时限按阶梯原则考虑，如K3开关设定0.5s动作，K2设定0.7s动作，K1设定0.9s动作，这样可以保证上下级开关的选择性。实际工程中上述继电保护时间应由供电部门综合考虑。

4.2速断保护上下级配合

如果全部按照阶梯原则时间叠加，那么越靠近电源处的保护装置动作时间越长，会对系统的稳定性造成很大的影响。故规范要求当过电流保护的时限大于0.7s时，应装设瞬动的电流速断保护装置。为了保证前后两级速断保护的选择性，每级开关速断保护的动作电流应按躲过它所保护的线路末端的最大三相短路电流来整定。

如图7中，K1速断保护动作电流应大于K’点三相短路电流值，只有这样，当K2右侧线路短路时，才能保证K2开关动作，同时K1的速断保护不会动作，则二者之间具有了选择性。但是在K2点左侧的部分区域线路发生短路时K1也可能不动作，即速断保护存在保护死区，此时就要靠过电流保护作为主保护。

实际工程中由于配电线路WL1较短，K1既要躲过K’点的三相短路电流，又要保证WL1线路首端最小运行方式下两相短路电流能可靠跳闸，往往导致继电保护的配合很难实现，尤其对于K2与K3之间的速断保护选择性更难实现。

如在上下级速断保护中增加0.1～0.3s的时间级差，则能很好地解决保护选择性问题，但在实际工程中，变电站的出线开关K1及K2、K3的速断保护时间通常设为0s，算上断路器固有动作时间40～60ms，继电保护的响应时间30～40ms，则各级开关的全分断时间约100ms。

当末端采用负荷开关——熔断器保护变压器时，由于熔断器能快速切除短路故障电流，动作时间可以短至20ms，这样与上级开关全分断时间100ms有个很好的配合。这在住宅小区变电所设置中有较多应用，由于负荷开关分断转移电流的能力所限，在我国的多数地区只允许使用保护容量在1 250kVA以下的变压器。

5低压开关的选择性配合

《低压配电设计规范》(GB 50054-2011)6.1.2“配电线路装设的上下级保护电器，其动作特性应具有选择性，且各级之间应能协调配合。非重要负荷的保护电器，可采用部分选择性或无选择性切断”。

在低压配电系统中上下级开关的保护配合，过载保护容易实现，只要根据脱扣器的脱扣曲线，上下级开关的电流值保持1.3倍的级差基本可以实现有选择性的保护。对于短路短延时和短路瞬时保护则较为复杂。对上下级开关选择性保护通过电流选择性、时间选择性、区域逻辑选择性及能量选择性实现，具体原理可以查阅相关资料。

图8　低压开关的选择性示意图

在低压配电系统中，以图8为例，变电所低压柜配电到某区域配电箱1，再配电到某个房间配电箱2，各级开关之间的保护分析如下。

低压柜内主进开关K1及出线开关K2都按照选择型B类断路器设计，采用电子脱扣器保护。两者的长延时及短延时均设电流级差及时间级差，则可以达到完全选择性。

当图8中K3、K5按隔离开关设计，则K2与K4之间及K4与K6之间的选择性配合就较容易实现。由于K2与K4位于上下级配电箱的出线，其开关额定电流值一般会存在较大级差(同时要满足K2的短延时动作电流值大于K4瞬时动作电流值)，另外K2未设瞬动，当K4后线路短路故障时，K4会先于K2动作跳闸。而K4与K6之间电流级差达到2级或以上时，根据产品提供的能量选择性参考表，一般也能满足选择性要求。

当K3采用断路器，配电箱1内部短路，如短路电流较大，此时K3瞬动及K2短延时同时启动，由于K3瞬动时间一般为3～20ms，故K3先动作跳闸，具有选择性。当短路电流较小，在800～2 000A时，K2短延时启动，而K3瞬动元件不动作，这种情况下无选择性。

当K5采用断路器时，由于K4为非选择性断路器，二者选用同样电流规格的开关时，就没有选择性，由于这是同一个负荷配电线路末端，允许无选择性。但有些设计人员常将K4的电流值提高1、2个等级，认为这样可以具有部分选择性，这样做并不是很合适。由于线路WL1截面是根据K4来设计的，K5限制了线路提供电能的能力，既加大了导线成本也不能确保K4、K5之间的选择性。根据厂家对限流断路器的测试结果，当上下级开关额定值差到2级以上时才能保证有选择性，故没有特殊要求时，配电箱进线开关应优先采用隔离开关。

6结束语

以上是本人对供配电级数与保护的简单认识，论述过程中对灵敏度系数、可靠系数及一些小概率事件未做考虑，有不准确的地方请同仁批评指正。

参考文献

[1]刘介才编.工厂供电 (第4版 )[M].北京：机械工业出版社，2004.

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

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

Wang Zhenghao