配电系统设计和防护方案

2020年入春之际，一场突如其来的疫情肆虐来袭，在这场没有硝烟的战役 中，火神山、雷神山医院无疑成为最大的英雄，“十天建成火神山医院”也成为 史无前例的建设奇迹！在这背后鲜为人知的是，作为维持医院高速不间断运行的 幕后功臣一一电力供应：为了保障电力供应的安全畅通，三天三夜为雷神山医院 通电，五天五夜为火神山医院通电，37小时为武汉最大方舱医院通电，高峰时 段投入15万余名保电人员、1000余辆应急发电车电力供应的重要性可见一 斑。试想一下，可谓在与时间赛跑的医疗场所中，一旦由于电力供应出现故障， 导致医疗设备瘫痪，带来的后果往往就是直接威胁患者的生命安全。当今社会，电力供应已经融入到我们工作生活的方方面面，重要到我们已经习 以为常，一旦电力供应出现故障，往往就会带来巨大的经济损失。以互联网时 代不可或缺的数据中心为例，根据波洛蒙研究所2017年发布的“数据中心成本 中断”报告中显示，2010年以来，平均每起电力故障停机事件成本为740357美 元，相当于每分钟损失成本近9000美元。电力供应出现故障，导致断电等事故发生，进而影响电力可用性的原因众多， 一般包括配电系统设计存在缺陷，短路、过载、接地等引起线路故障我们对 症下药，便能够找到提高电力可用性，保证电力供应安全通畅的措施。基于EcoStruxure架构与平台，施耐德电气倡导覆盖上层主干路，下层分电 路及终端配电的完整产品，融合更多数字化应用，形成完整的解决方案，从配电 系统及架构设计出发，以高度信息化的资产管理方式，帮助用户时刻清晰掌握系 统及设备状态，预知风险，实现预防式维护，通过设备强大的数字化功能，快速 定位、分析故障，并恢复供电，满足设计院、盘厂、总包商及最终用户的不同需 求，进一步提高电力可用性，保障系统运行、各类生产或服务的高效可持续，从 而助力各行业企业免受电力中断带来的损失及风险。那么，今天，我们就从配电系统及架构设计出发聊一聊电力可用性那些事儿。一、完善的系统设计电力可用性的基础众所周知，完善的系统设计，为电力可用性提供基础。按照负荷重要程度确 定供电方案，从源头确保供电连续；按照负荷数量及大小合理选择配电方式，分 配设备及线缆确保供电可靠。同时，可靠的系统防护，为电力可用性增强保障。 从单个回路来讲，提供可靠的过载、短路和绝缘故障保护，保障线路及设备安全； 从整个系统来讲，选择性及级联技术可把故障影响消除在最小范围内，而不对其 他回路造成影响。配电系统的设计，可以从电源供应及配电方式上确保供电的连 续可靠。【1】按照负荷重要程度确定供电方案，从源头确保供电连续依据规范要求，负荷等级按照重要程度可分为一级负荷、二级负荷、三级负 荷。对于一级负荷，应由两路市电进线供电，其中特别重要的负荷还必须增设应 急电源；对于二级负荷，应由两回路供电，供电变压器应有两台。此外，在一、 二级负荷中，为了确保连续性，往往会使用自动转换开关缩短恢复供电时间。普用发电顾耳|白南电.*凹携矗统I计旬机暮）通过对用电设备重要性进行划分，提供多回路及备用电源供电，这对于提高 供电连续性至关重要。例如，在对于医疗服务连续性要求很高的医院工程中，通 过划分各类场所，分别提供相应的电源保障，避免因供电的不连续故障而对患者 生命安全构成威胁，医院电力主要是采用多回路供电：市政电网，备用发电机系 统，带电池的UPS，发电机或UPS的N+1原则提升了连续性，增强了电力可用性。町昨蹈的值的t同菁I七蝎生垒IT K咛貌段:特ftft1整也祜Iftftfl根据负荷重要性划分等级，使得重要场所的电力供应更加持续稳定，避免了 事故损失。【2】按照负荷数量及大小合理选择配电方式，分配设备及线缆确保供电可靠确定终端用电设备类型、数量及功率，选择合适的配电方式，进行负荷计算， 并在此基础上选择控制设备及线缆。配电方式应实现供电可靠、操作方便灵活， 层级不宜超过三级。我们常用的低压配电系统多为树干式与放射式相结合，通过合理分配分支线 路，采用适当的接地系统，使配电系统连续稳定工作。二、可靠的系统防护电力可用性的保障在配电系统防护中，有一个元器件最为至关重要：配备在各级配电系统中的 断路器。【1】首先，从单个回路来讲，断路器可提供可靠的过载、短路和绝缘故障保护， 保障线路及设备安全。断路器保护功能的核心在于脱扣器，我们以热磁断路器为例，最重要的两个 脱扣器：热脱扣器和电磁脱扣器，解决了电路的三大故障：过载、短路和绝缘故 障。如图所示，断路器主触点通过手动或电动合闸后，被锁扣锁在闭合位置，电LI L2 L3代触点|1曲ttt扣帆构热脱招器包磁脱扣器失压脱拒器分境聪扣器路正常工作。当电路出现过载故障时，持续的过高电流使得热脱扣器的金属片受热向上弯 曲，一定时间后便能推动自由脱扣机构实现脱扣，这就是：过载长延时保护。当电路出现短路或接地故障时，瞬间的高电流会使得电磁脱扣器因电磁吸力 将衔铁迅速吸合，同时顶开自由脱扣机构实现脱扣，这就是：瞬时动作保护。上面我们看到，热磁式断路器实现了过载长延时保护和瞬时动作保护。 反应在I-t图上如下所示，即为：两段式。也可称为非选择性两段式，一般用在 配电系统末端。还有一种形式的断路器，在过载长延时保护和瞬时动作保护的基础上， 具有短时耐受功能，可实现短路短延时保护。反应在I-t图上如下所示，即为： 三段式。也可称为选择性三段式，一般用在配电系统首端。以上我们看到，断路器通过内置的脱扣器在各种故障下的动作，实现了对单个回 路的过载、短路和绝缘故障保护。【2】其次，从整个系统来讲，断路器间的选择性及级联技术可把故障影响消除 在最小范围内，而不对其他回路造成影响。对于当前复杂的配电系统，很多上下级回路一起工作，如何保证故障保护只 使最小范围的回路断开，而不影响其他回路，从而最大程度保证供电的连续性 呢？这便是配电系统中断路器的选择性，艮即在故障发生时，只能由最靠近故障 点的上级断路器脱扣，非故障回路保持闭合持续供电。选择性是如何实现的呢？第一，电流选择性。上下级断路器的过载电流保护整定值不同，上级高于下 级，存在极差，容易实现过载保护的选择性。I mA!r 3 Ir A Isc B电流差第二，时间选择性。当电路出现短路或绝缘故障，瞬时大电流容易使得上下 级断路器同时瞬动，在这种情况下，在满足上下级电流极差的基础下，上级断路 器就要采用三段式保护断路器，设定短路短延时时间，大电流之下可以延时断开， 使得下级断路器优先断开。如果上级断路器具有很强的短时承受能力，在下级断路器分断能力以下，延 时可以保证总是下级断路器先脱扣，我们称之为完全选择性。反之，在上面示意 图中，只能在一定的过电流值以下能够保证下级先于上级脱扣的，我们称之为部 分选择性。第三，逻辑选择性。在上下级断路器满足电流及时间选择性的基础上，上下 级之间连接二次信号线，下级B检测到故障的同时能够发送信号至上级A，上级 A接收信号后可保持延时，等待下级B瞬动脱扣，如果上级A没有接收到信号， 则可瞬动脱扣。逻辑选择性显著增强了上下级断路器可靠性，避免了越级跳闸。第四，能量选择性。当上下级断路器都为塑壳断路器或微型断路器，大电流 下瞬时动作，时间极差小。在这样的情况下，只要上下级具有足够的电流极差， 则可采用能量的极差（Q=ft）实现选择性。我们以最常用的施耐德电气产品解决方案为例，来看一看选择性在工程实例 中是如何应用的？在下面这个简化的三级配电示意图中，主配电柜采用三段式保护的框架式断 路器MTZ25H1+MIC5.0A，出线柜采用三段式保护的塑壳式断路器 NSX250N+MIC5.2A250，配电箱采用两段式保护的微型断路器iC65NC50。MTZ25H1+ MIC5.0A断路器A 断路器日NSX250N MIC52A 250断路器C J 1C65N C50如何判断我们选配的断路器上下级选择性如何呢？施耐德电气产品配套了 完整的选择性表，可供我们快速查到断路器产品之间的选择性配合。查下表可得，第一级框架式与第二级塑壳式的选择性配合为T（Total）， 可实现完全选择性，说明在第二级回路中若出现三大故障，都可以保证只是第二 级脱扣，保证第一级正常工作：Ug 或触M.Mitoi vuinMWGi 二. i3WTZl.ngJ JhrH；N*|1 wSDKIkdQMiijETEKL*1/ ,q.I. i. . w* j| .切 I gM -1i.wIl wMTawrr ifSO12X dilXC K * lj iXC C 3 g imCOOSMM*-3*-W-PKI51h-H7|T% 4rrCv Mia1 !J :JU JJ项七妈二nSAMG1*；?*0f7 1 ntwX t Caa h!Mm31 4i-5e n yissiMciwiaflgM12-dEl40eEJCJ:r r -siT5 to虻ED虻4C:tO-EMl h.： L.h ：4电 gKHKgC4K1*=U hCKD*L虾港*的削MWI买料mi*查下表可得，第二级塑壳式与第三级微型式的选择性配合为T（Total）， 可实现完全选择性，说明在第三级回路中若出现三大故障，都可以保证只是第三 级脱扣扣，保证第二级正常工作：T另外，施耐德电气还提供了可供我们任意查询选择性配合的软件，通过输入 上下级断路器的规格，软件生成I-t图，并自动判断选择性配合关系：随着施耐德电气在断路器限流技术上的发展，由此推出的级联技术，更是进 一步增强了选择性的配合。所谓限流技术是指，当电路发生短路时，短路电流可使上下级断路器出头微 微斥开，回路中串入两段小电弓瓜，反过来限制了短路电流。此时，下级断路器在限流后的短路电流下分断，同时，上级断路器触头恢复接通。由此可见，下级断路器的分断能力可低于预期短路电流，从而增强了选择性， 允许用分断能力低的设备，降低了成本。这种上下级断路器的联合动作，我们称 之为级联。同样，在级联技术应用上，施耐德电气产品也配套了级联增强的选择性表， 可供我们快速查到增强的选择性配合关系：附加技术佬意点缀底榔强的分断能加0)由银联增强的畏 律柱初根kAKt5 ixiuuU& 21F44 V*5 11D-130 VAC |A 8MC5Snfifl2H3DSM5 1W 1她的 1D&1KJWIM J&顽 1515O 由知 15ffTM WlM IWtK 皿醐 趴CO如!W31M2 4&0MUnE. NSJCr BNGJUnh mcx cpg ID TWO M&X1P0F IM MSK1DCN TV-0 imtw ru-tTlfl-DUtrCAw 也!MM UiWiWMvwgn 就 TOO 9*35E 坦 ” 1R F -WO % 25 边-1蔺40 1 也lS3S135W以上我们看到，配电系统中各级断路器通过四种选择性配合方式，把故障造 成的断电影响控制在最小范围内，最大程度保证配电系统的供电连续性；而基于 限流技术的级联，更进一步增强了选择性。