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你知道吗?配电系统这样设计和防护 能大大提升电力可用性!

北极星输配电网  来源:施耐德电气    2020/5/20 13:24:38  我要投稿  

北极星输配电网讯: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——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。

作为中低压配电领域专家,施耐德电气认为,应从全生命周期的角度出发提升电力可用性,才可以无限接近对配电系统“零故障、零风险”的双零追求。

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。

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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。

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。

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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

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【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,电路正常工作。

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①热脱扣器②电磁脱扣器③失压脱扣器④分励脱扣器

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①过载长延时保护和②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①过载长延时保护和②瞬时动作保护的基础上,具有短时耐受功能,可实现③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。

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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?

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故障回路脱扣断开,其他回路不受影响

这便是配电系统中断路器的选择性,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。

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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。

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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。

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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。

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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=I2t)实现选择性。

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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。

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MTZ25H1+MIC5.0A图片

NSX250N+MIC5.2A250图片

iC65NC50图片

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:

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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,保证第二级正常工作:

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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:

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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弧,反过来限制了短路电流。

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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。

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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:

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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。

结语

探索提高电力可用性的道路没有止境,唯有不断探索场景,深挖需求,打磨产品,创新技术,才能无限接近对配电系统“零事故、零风险”的追求。以电气行业代表性厂商施耐德电气为例,在完善的系统设计的基础上,提供可靠的系统防护,实现高质量的电力可用性。

施耐德电气所拥有的完整的配电产品线,针对不同配电系统的设计,可以根据用户及设计师的需求,可通过回路配置设计,多系列ATS双电源转换开关,Galaxy VS/VX系列UPS,柴油发电机,Trihal系列干式变压器,MVnex系列中压柜、RM/GM/SM AirSeT系列全新无六氟化硫开关柜,以及Okken、Blokset,Prisma系列低压开关柜,贯穿中低压及终端配电的多系列断路器等的灵活组合,搭配而成更加可靠的系统架构,最大化降低系统故障风险发生率,保障供电连续性。在此基础上,施耐德电气在断路器方面完整的选择性和独特的级联技术不但能够加强对主干路的保护,同时加强限流能力,提高下级断路器的分断能力,从而有效保持供电连续,并优化成本。

施耐德电气将继续在此方面精益求精,打造更高品质的产品设备,及完整的解决方案,助力客户构建更完善的配电系统,为各行业的高效可持续发展护航始终。

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