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[文章介绍] 2017.12|陈锡良,梁超:负荷卸载在民用建筑电源转换系统中的应用

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发表于 2018-1-9 16:00:03 | 显示全部楼层 |阅读模式

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为防止单台变压器同时为两段母线供电时可能发生的过载,需要在低压母联自投的同时,对三级负荷进行自动卸载,以保障对一、二级负荷的供电。随着社会的不断进步,人们生活水平的不断提高,用户对供电连续性、可靠性的要求也越来越高。民用建筑中的一些三级负荷(如写字楼的办公照明,酒店的普通客房、餐饮娱乐用电,商场的出租商铺用电等),虽未被列入JGJ 16 - 2008《民用建筑电气设计规范》(以下简称《民规》)附表A所定义的一、二级负荷,但是由于负荷卸载会导致长时间的供电中断,仍然会对这些场所的正常生产、生活以及经营活动造成影响。如何解决变压器过载与三级负荷供电需求这一矛盾,找到一个妥善的解决办法,是一个值得深入研究和讨论的课题。

民用建筑分级负荷的供电方式

10 kV配变电所常见的主接线如图1所示。
a.jpg
图1 10 kV配变电所常见的主接线


1. 1 对供电电源及变压器的要求

a. 由两路10 kV电源供电,其中一路中断供电时,另一路电源能够满足全部一级和二级负荷的供电要求。

b. 两台变压器分列运行、互为备用,其容量的选择根据《工业与民用供配电设计手册》(第4版)2. 4. 1. 3节规定:“装有两台及以上变压器的变电所,当其中任何一台变压器断开时,其余变压器的容量应满足一级负荷及二级负荷的用电”。

c. 考虑到变压器长期工作、经济运行的要求,其负荷率通常按70 % 左右进行设计。

1. 2 分级负荷的供电方式

所有用电负荷均分别由0. 4 kV低压Ⅰ段及Ⅱ段母线供电。一、二级负荷的双回路电源在最末一级配电箱处自动切换。

1. 3 低压母联自投及负荷卸载

a. 变电所低压母联断路器设自动 / 手动投入功能。计划内停电检修时,采用手动投入方式;正常运行时设定为自动投入方式。

b. 当一路电源故障停电时,为确保一、二级负荷的供电,避免变压器过载,需要对三级负荷进行卸载。在有人值守的变电所,虽然可以采用手动卸载三级负荷,再投入母联的方式,但操作过程复杂,恢复供电时间长,并且与负荷侧的自动电源转换开关(ATS)在转换时间上难以配合,不利于保障一、二级负荷的供电可靠性。因此,应配合母联自投功能,自动卸载三级负荷。

c. 根据《民规》第4. 4. 12条的规定:低压母联断路器应装设“自投自复”“自投手复”“自投停用”3种状态的位置选择开关。母联自投操作的程序为:一侧电源故障失压 → 进线断路器分闸 → 自动卸载三级负荷 → 母联合闸 → 恢复失电母线上一、二级负荷的供电。母联自复操作的程序为:失压电源恢复供电 → 母联分闸 → 进线断路器合闸 → 手动加载被卸除的三级负荷。

d. 另外,《民规》第4. 4. 12条还规定:低压母联自投时应有一定的延时,当电源主断路器因过载或短路故障分闸时,母联断路器不得自动合闸。此时,一、二级负荷需通过配电级或负荷侧的自动电源转换开关(ATS)恢复供电。

上述例举并分析的民用建筑供配电系统,着重于说明低压母联自投及三级负荷卸载的措施,并未涉及一级负荷中特别重要负荷及其供电要求。为使表述简洁、重点突出,图1中未给出常用应急发电机组及相应配电线路的示意。


常用负荷卸载方式的比较分析

2. 1 采用失压脱扣器自动卸载三级负荷

a. 失压脱扣器是一种特殊型式的欠电压脱扣器,当外施电源电压下降至其额定电压的35 % ~ 10 % 时,失压脱扣器应脱扣,使电器断开,常用于在停电时需要自动断开电源的回路当中。失压脱扣器工作时线圈长时间带电,以保证电源电压正常时电器能够闭合。

b. 当利用电源失压进行负荷卸载时,需要在变电所主配电柜的三级负荷出线回路中安装失压脱扣器。当一路电源断电或一台变压器故障时,馈出线回路失压,装有失压脱扣器的断路器跳闸,将三级负荷自动断开。

c. 存在的问题:① 当大容量用电设备启动或系统低压侧发生短路故障时,母线电压会出现短时间电压跌落,失压脱扣器可能会出现误动作,导致意外的负荷卸载,影响三级负荷的供电连续性。② 当一侧电源或变压器故障时,失压脱扣器只能卸载失电侧母线上的三级负荷,而不能甩掉全部三级负荷。当低压母联自动投入后,变压器带全部的一、二级负荷及正常供电母线上的三级负荷,依然存在过载的风险。③ 失压脱扣器线圈长时间带电,持续发热,严重影响脱扣器的动作特性和使用寿命。

2. 2 采用分励脱扣器自动卸载三级负荷


a. 分励脱扣器是一种电磁操作的脱扣器,当电源电压保持在其额定控制电源电压的75 % ~ 110 %时,分励脱扣器应脱扣,使电器断开。常用于需要外部电信号控制断路器分闸、断开电源的回路。分励脱扣器正常时线圈不带电,仅当施加外部电压信号或需要将电器锁定在断开位置时才会带电。

b. 当采用外部分励信号进行负荷卸载时,需要在变电所主配电柜的三级负荷出线回路中安装分励脱扣器,将母联断路器的合闸辅助触点的常开触点接入分励线圈的控制电源回路。当母联自动投入时,其合闸辅助触点闭合,接通分励线圈的电源回路,线圈得电的同时断路器跳闸,将三级负荷自动断开。

c. 采用分励脱扣器自动卸载,与用失压脱扣器相比,避免了电压跌落引起的误动作,解决了线圈长期带电影响寿命的问题;同时还可以利用母联合闸信号一次性切除所有三级负荷。

d. 存在的问题:当低压母联投入后,由于其合闸信号的保持,三级负荷回路的分励线圈将始终有电,将断路器锁定在分闸位置。此时即便变压器负荷率低,能够带部分三级负荷,但是其回路中的断路器却不能合闸送电,影响了其供电连续性。


2. 3 分析比较的结果

通过对上述两种自动卸载方式的分析比较,发现两者虽各有特点,但有一个共同的不足之处,即当低压母联自动投入后,系统已经切除了全部或部分三级负荷。这样虽然确保了单台运行的变压器不会过载,但同时也牺牲了一般性负荷的供电连续性。

笔者结合自身的设计经验及对大量民用建筑工程案例的调查后发现,10 / 0. 4 kV变配电所变压器正常运行时的实际负荷率通常只有50 % ~ 60 %,有的项目变压器负荷率甚至更低,出现了“大马拉小车”的现象。造成这种现状的原因,除了采用需要系数法负荷计算值偏大之外,民用建筑的电气设备工况复杂、负荷波动较大也是一个重要因素。

因此,当一路电源或一台变压器故障,由另外一台变压器供电时,如果能够充分利用变压器实际具有冗余的带载能力,同时为三级负荷供电,将大大提高整个系统的供电连续性,减小对正常生产经营活动的影响。这就需要采用与前述两种方式不同的负荷卸载方法。


一种优化的负荷卸载方法

3. 1 实现方式

a. 为使三级负荷在低压母联自投时不受断电的影响,采用“先投母联,再卸载”的方式。当一侧电源故障停电后,母联自投,全部负荷均由一台变压器供电。如果变压器运行一段时间后未发生过载,则不需要卸载三级负荷;如果变压器发生了过载,则通过卸载信号,让两段母线上部分或全部三级负荷回路分励脱扣,将负荷切除。变压器是否出现过载,可通过低压主进断路器实测的负荷电流进行判断。通常主进断路器的长延时保护设定值Ir接近于或等于变压器低压侧额定电流,当实际负荷电流超过Ir时,即可认为变压器发生了过载,此时可发出信号,进行自动卸载。当电源恢复正常,母联自复之后,由人工采用手动方式给三级负荷回路恢复供电。


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图2 低压母联自投及负荷卸载电路图

b. 图2为低压母联自投及负荷卸载电路图(以施耐德电气产品为例)。图中两台进线断路器1QA、2QA和母联断路器3QA的自动转换采用施耐德电气的ATMT - 3A型自动电源转换系统。其中1QA和2QA采用Masterpact MT空气断路器,配有Micrologic P型智能控制单元,该控制单元具有根据电流卸载和恢复的功能。

c. 两台进线断路器1QA、2QA还配有M2C可编程触点。该触点是断路器内部的继电器,为两个独立的常开触点,用来指示瞬时或延时的阈值超限。

d. Micrologic P型控制单元的电流卸载和恢复功能不用于主进断路器跳闸,而用于过电流监测和报警,可配合M2C触点卸载非优先级回路(三级负荷)。通过控制单元的功能按键可以对M2C触点的电流卸载、恢复阈值以及延时时间进行设定,如图3所示。设定值的参数见表1。


c.jpg
图3 M2C 电流卸载、恢复值及延时的设定

                                                                                  表1 卸载及恢复设定参数表
d.jpg
注:表中Ir为断路器长延时电流设定值 tr为长延时时间设定值。

e. 两段低压母线上的三级负荷回路,均安装分励脱扣器MX,控制信号来自于卸载控制回路。


3. 2 工作原理

负荷卸载回路控制原理图如图4所示。

e.jpg
图4 负荷卸载回路控制原理图

1S1和2S1分别来自进线断路器1QA和2QA的M2C可编程触点,OF来自母联断路器3QA的合闸指示触点。为满足母联自投之后才能卸载负荷这一条件,1S1和2S1触点并联后串接了母联断路器的OF触点。KA为中间继电器,用于输出卸载指令;PGR为卸载指示灯,用于向运维人员提示是否有卸载动作发生。MX1和MX2分别是两段母线上三级负荷回路所安装的分励脱扣器线圈。

设定M2C可编程触点1S1和2S1的电流卸载、恢复阈值以及延时时间。例如:将电流卸载阈值设为Ir的90 %,延时时间设为tr的50 %,恢复阈值设为Ir的80 %,延时时间设为10 s。假设两台主进断路器的Ir整定值为2 000 A,tr整定值为12 s。当T2变压器故障停电,2QA分闸,3QA合闸,由T1变压器带全部负荷时,若1QA回路负荷电流超过1 800 A并延时6 s之后,1S1触点闭合,3QA的OF触点已经闭合,KA线圈得电,KA1和KA2输出接点分别接通MX1和MX2线圈的回路,相应回路中的分励脱扣器动作,断路器跳闸,三级负荷被自动卸载,同时卸载指示灯PGR点亮,通知现场运维人员,变压器接近过载,已有三级负荷被卸载;负荷卸载之后,电流随之下降。当1QA回路负荷电流小于1 600 A并延时10 s之后,1S1触点断开,KA线圈失电,KA1和KA2输出接点分别断开MX1和MX2线圈的回路,分励脱扣器复位,三级负荷仍保持断电状态,直到由人工手动合闸,恢复供电。


本文有删减,全文载于《建筑电气》2017年第12期,详文请见杂志。

版权归《建筑电气》所有。

作者信息:
陈锡良,男,施耐德万高(天津)电气设备有限公司,高级工程师,配电系统及产品应用经理。
梁   超,男,施耐德万高(天津)电气设备有限公司,工程师,市场部经理。


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发表于 2018-1-9 17:22:17 | 显示全部楼层

学习了 希望可以多增加一些涨知识环节
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