供配电系统可靠性分析

杨顺华，杨 彤

1.浙江大学医学院附属第一医院，浙江杭州310003

2.浙江省建筑设计研究院，浙江杭州310006

0 引 言

能源安全事关国家经济社会发展全局，电力供应保障是能源安全的重要组成部分。电力可靠性管理是指为提高电力可靠性水平而开展的管理活动，包括电力系统、发电、输变电、供电、用户可靠性管理等。电力用户是其产权内配用电系统和设备可靠性管理的责任主体，应做好配用电系统和设备的配置与运行维护。电力设备制造企业也应充分应用电力可靠性管理的成果，加强产品可靠性设计、试验及生产过程质量控制，依靠技术进步、管理创新和标准完善，提升设备可靠性水平［1］。

电力系统可靠性管理指为保障电力系统充裕性和安全性而开展的活动，包括电力系统风险的事前预测预警、事中过程管控、事后总结评估及采取的防范措施。供电可靠性管理是指为实现向用户可靠供电的目标而开展的活动，包括配电系统和设备的可靠性管理。用户可靠性管理是指为保证用电的可靠性目标，减小对电网安全和其他用户的影响，对其产权内的配用电系统和设备开展的活动。供电企业应当按规定为重要电力用户提供相应的供电电源，指导和督促重要用户安全使用自备应急电源。对重要电力用户较为集中的区域，供电企业应当科学合理规划和建设供电设施，及时满足重要用户用电需要，确保供电能力和供电质量［1］。

本文结合杭州第19 届亚运会建设相关工程，对重要场所的供配电设计、系统调试、运维管理、事故处理进行分析，总结笔者参与的某重点保电工程外部断电事故处理经验，为提高供电可靠性提供一定的参考。

1 电力设计

建筑工程的供配电形式一般分为中压10 kV（20 kV）和低压0.38 kV 两部分，随着各类重要场所建造规模的逐步扩大，用电设备（如集中空调制冷设备）容量亦水涨船高，使得变压器容量和低压0.38 kV配电系统难以满足设备的使用要求，大型设备开始逐步转向10 kV中压段直接供电，配电设计的可靠性要求也越来越高。

重要场所的保电设计一般采用用户自备应急电源方案，自备电源的形式有发电机和储能设备等，本文分析了10 kV柴油发电机组和不间断电源UPS组合供电的保电方案，重点介绍柴油发电机组与市电切换的调试和配合。如图1 所示，10 kV 柴油发电机组设在市电中压段，切换采用并机不并网的方式，作为重要场所主要备用电源；末端一级负荷中特别重要负荷和有特殊要求的负荷，采用集中UPS 电源和分散设备自带UPS 供电，实现末端重要负荷在电压波动、闪断以及在外线失电切换、柴油发电机启动期间的不间断供电。

图1 10 kV一次电气主接线示意

如图1 所示，供电主进线为双路10 kV市电，备用电源为2台10 kV柴油发电机组，空调离心冷冻机组采用10 kV供电。该系统的优势在于：

1）冷冻机组启动不受变压器容量限制，此类大型设备的启动，仅需在市电侧继电保护整定综合考虑即可；

2）10 kV柴油发电机组在市电外线全部失电的情况下，切入后不仅可以保障UPS、一级负荷等重要负荷供电，还可根据柴油发电机组负荷情况，保障重要场所其他负荷供电，确保场所最大程度恢复运行；

3）10 kV 中压部分配置的自动切换系统，通过中压MTS 自动投切装置，在外部供电系统故障时，按系统逻辑时序动作出口，自动投切，减少断电影响时间，避免因人为故障处理和倒闸操作的繁琐步骤造成长时间停电。

2 系统调试

供配电系统调试是设计应用和用户使用中尤为重要的一环，随着供配电系统的微机保护装置发展日益完善，在用户侧的应用也越来越广泛。10 kV中压段采用的微机保护装置，确保在用户系统内部发生故障时，保护装置动作及时隔离内部故障。微机保护的整定计算应按照外部供电系统的最大或最小运行方式，结合内部设备容量配置，作完备的整定计算，保障安全可靠地切除内部故障。

10 kV中压自动切换系统调试，可通过重要场所的使用特性和负荷等级，按投切逻辑和时序调试，实现用户系统内的10 kV中压段单路失电自动加减载切换，双路失电自动启动柴油发电机组，及自动加减载切换，最终达到设计要求可靠性的目的。

自动切换装置调试建议如下：

1）自动切换逻辑方案，应全面考虑各种外线永久性故障情况下均能适用；

2）切换时序应按各级设备的动作时限，确定各级自动装置配合切换时序；

3）加减载顺序宜按负荷的重要程度，确定切换动作的先后顺序。

3 运维管理

供配电系统自动化程度高和用电可靠性要求高的重要场所，更是离不开专业团队的管理，充足的运维技术人员是系统正常运行的保障。电气设备故障主要分为以下几点：

1）小动物造成的短路事件；

2）设备、线缆本体缺陷造成的故障；

3）设备操作使用不当造成的故障；

4）设备、电缆长期过载发热造成的故障。

大部分电气故障都是隐患的长期积累，事故发生前常伴随有设备的发热异常和放电异响，此类信号可以通过设备的红外线成像测温和运维人员设备巡视，在事故前期发现，并通过制定计划检修，消除隐患。另外，电气设备故障的种类多样，判断事故类型，分析故障点，也需要一个专业的运维团队去完成，一个高水平的运维管理团队是提高供电可靠性的重要一环（图2）。

图2 配电房运维管理框架

4 事故处理

供配电系统的停电原因种类繁多，用户内部发生故障时，通过可靠的中压继电保护装置和低压的断路器选择性保护，可以及时可靠地隔离内部故障，本文针对供电系统外部发生10 kV进线市电停电故障，作以下简单分析：

1）一路或两路市电同时失电，在中压MTS 自动切换装置延时判断时间内恢复供电，如电网临近线路故障跳闸，造成的短时间电压闪断或波动，中压MTS 自动切换装置虽检测到市电失电信号，但在装置的延时动作时间内已恢复，则不会造成自动切换装置动作。根据系统各级的时序配合，亦不会造成配电装置动作，但可能会造成一些敏感设备，如自动扶梯、电梯、大型重要设备、多联机空调等设备失压自保护停机，此类异常可根据记录的故障线路，及时展开末端排查，并恢复设备运行。

2）两路市电同时失电，延时判断时间内不能恢复，如当地区电网或本用户电缆发生故障，造成两路市电停电。中压MTS 自动切换装置检测到市电进线失压后，经过延时判断，市电仍未恢复，则自动切换装置给柴油发电机组发出启机信号，同时按时序切除故障母线段变压器和负荷；在柴油发电机组通过自动启机、并机，将机组发出的10 kV电送至柴油发电机组母线段，并在检测电压正常后，按时序自动合上10 kV柴发母线段出线断路器，将电压送至中压MTS 自动切换装置柴发侧；切换装置在检测到柴发侧电压正常后，MTS自动切换至柴发侧，并按时序恢复故障母线段变压器和负荷。为保障柴油发电机组正常启机，低压部分设置的是失压脱扣减负荷，可根据柴油发电机组的负荷情况逐步投入，完成市电两路长时间故障情况下的柴油发电机组保供电（图3）。

图3 两路失电处理流程

3）一路市电失电，延时判断时间内不能恢复，另外一路市电正常供电，原因与两路失电类似，但该情况下中压MTS 自动切换装置检测到仅一路市电进线失压，另外一路市电有压，经过延时判断，不会发出启动柴油发电机组指令，仅按逻辑顺序切除失电母线的变压器和负荷。因高压母联在电网调度范围内，非特殊情况用户严禁使用高压母联，用户可通过变压器低压母联切换，根据变压器负载情况，按电工操作流程，恢复失电母线段低压部分单电源负荷供电，完成单路市电的保电（图4）。

图4 一路失电处理流程

4）外线带接地运行的特殊情况，如一路市电外线10 kV单相接地故障，按供电系统要求，单相接地可持续保障供电一段时间等特殊情况，无法与自动逻辑系统兼容，操作和保电的顺序则需要运维团队根据实际情况出发，在满足电网调度要求的情况下，配合操作，完成特殊情况下的保电工作。

因电力故障种类多样，内部和外部故障、瞬时和永久故障、单相接地、相间短路、三相短路、两相三相接地等等，实际案例应用中往往更为复杂，自动装置调试完善后，可以应对电网发生的绝大部分常规故障，特殊情况仍需要手动操作，事故处理核心内容万变不离其宗，隔离故障并恢复供电，恢复的电源是来自市电双电源，还是用户自备电源决定操作的顺序；备用电源切换的机械闭锁和电气闭锁，亦是手动操作过程中防误操作的重要保障。

5 结 语

供配电系统的可靠性与设计、调试、运维等各环节密切相关，由于现阶段各环节的分工不明和衔接脱节，很容易造成系统的不完善或者不能达到设计初衷；再则，用户运维人员专业知识不足和使用不当，均会对系统的可靠运行造成影响。通过对既有重要场所调研分析，建议从前期规划设计阶段，设计人员专业把控和对接，通过合理的方案论证、设计、实施和调试，进行全过程跟踪；用户运维人员通过系统交接、培训等方式，提高运维管理水平，重要场所供电可靠性保障的措施大有可为。