公路營運中心供配電系統故障診斷

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摘要:簡要介紹了高速公路供配電系統的組成。通過對博深高速公路義和管理中心的電力故障進行檢查及診斷,提出了相應的處理措施,降低了故障風險,保障了管理中心供配電系統的正常工作。

關鍵詞:高速公路;供配電系統;故障診斷;三相電力變壓器

0引言

隨著國民經濟的快速發展,越來越多的高速公路也應運而生。為了確保高速公路上各項機電設備的順利運行,供配電系統的搭建尤為重要。供配電系統正常工作時,可以防止電源干擾,保證不間斷供電,確保用電安全,最大限度地發揮高速公路的綜合效益。高速公路供配電系統的供電對象主要有:照明系統、通風系統、消防系統、監控系統及生活用電等。對于高速公路供配電設施,在收費站、服務區、生活辦公區、隧道等場合,其接地制式大都采用TN-S或TN-C-S制式。無論采用什么制式,在配電房變壓器低壓側的中性點(零線)均需可靠接地。但在實踐中,由于個別設計、施工單位未按規范要求設計或者施工,造成個別項目其變壓器低壓側中性點沒有接地的案例,甚至連掛墻圖、施工設計圖都沒有相關要求。

1供配電系統無法正常工作案例

1.1故障案例背景

博深高速公路義和管理中心占地約6.5萬m2,有各類宿舍大樓、辦公樓泵房及配電房11座,總建筑面積1.5647萬m2,供配電計算總容量1173kVA,配套一臺10kV/0.4kV、1600kVA的變壓器作為主用電源,以及一臺功率為800kW的柴油發電機組作為應急備用電源。主要常用負荷包括5棟宿舍樓生活設施用電、場區照明用電、辦公樓用電以及機房設備用電等,其中機房設備包含UPS。此外,每棟建筑物的主電源進線開關均采用三相四線漏電空氣開關。博深高速公路管理中心供電系統為TN-S制式。自2013年底博深高速公路開始運營以來,義和管理中心經常性、毫無征兆地連續幾棟宿舍大樓、辦公樓等排隊跳閘,造成多棟建筑物整體停電,給營運管理工作帶來不便。查看記錄可以發現,每次大規模跳閘大都集中在用電高峰時段,且最早跳閘的往往是辦公大樓主電源開關,然后是宿舍樓群主電源開關。故障發生后,往往關閉一兩路負荷后,又可以恢復正常供電。此外,根據記錄還發現,每次大規模跳閘前供電回路的工作情況均不相同,同時,每次大規模跳閘的大樓也不相同,但有一個情況相同,就是每次大規模跳閘都有辦公大樓主電源開關參與。

1.2故障檢查方向

1.2.1檢查漏電開關。采用1000V絕緣電阻測試儀對每棟大樓、每個回路對地進行絕緣電阻測試,從而判斷主開關跳閘是否是由于回路漏電所致。1.2.2檢查接地系統。首先目視檢查配電房的設備,尤其是變壓器的接地線連接情況,檢查各棟大樓主電源開關箱的接地情況。如果均有連接,則采用接地電阻測試儀對配電房及各棟大樓地極的接地電阻值進行測試。

1.3檢查結果

(1)采用1000V絕緣電阻測試儀測試4000多個供電回路對地的絕緣電阻,均大于2MΩ,相間絕緣電阻均大于2MΩ,視為合格。(2)采用接地電阻測試儀測試辦公樓及各棟大樓地極系統的接地電阻,均小于4Ω,視為合格。(3)目視檢查發現配電房1600kVA變壓器低壓側零線中性點沒有接地,測量零線與地線之間的電壓,發現存在AC22V的交流電壓差;此外,各棟大樓的零線均沒有接地,從配電房敷設至大樓主電源開關箱的4芯電力電纜的零線直接進入大樓主電源開關的上樁,期間沒有接地。測量零線與地線之間的電壓,發現同樣存在AC22V的交流電壓差。至此,可判斷這就是頻繁異常跳閘的原因所在。(4)檢查掛墻圖和竣工圖,發現設計單位的原施工設計圖紙均沒有明確標明變壓器零線接地要求,因此,認為是設計圖紙出了問題。同時由于施工單位缺乏經驗,沒有及時發現設計圖紙中的問題,照圖施工所致。

2三相電力變壓器低壓側中性點接地分析

電器工程規范要求電力變壓器的中性線必須可靠接地(礦山除外)。如果中性線不接地的話,當出現偏相時,就會出現“中性點漂移”的現象,零線會帶電,有時電壓會很高,用手摸零線會有麻電的感覺。此外,如果中性線不接地的話,還會出現一些諧波干擾等問題,所以變壓器的中性線必須接地(僅對電力變壓器,輸變電變壓器除外)。另外中性點不接地還會造成嚴重的安全問題:假如在中性線接地的三相四線制的供電系統中,A相線發生了金屬性接地,那么強大的短路電流就會熔斷保險或使開關跳閘,將故障點排除。要是中性線不接地的話,接地相與零線構不成回路,就形不成短路電流,這時系統還會繼續運行。但是這時的大地就是A相的電位,這時如果有一用戶的電源接在B相,在接線時發生了觸電,那么其觸電電壓是380V的線電壓,遠遠大于中性點接地時的220V相電壓,這對人員而言是十分危險的。而在中性線接地良好的情況下,一旦發生相線接地事故,就會產生較大的短路電流,促使保護裝置(熔斷器、斷路器等)迅速切斷電路,從而能避免發生更嚴重的事故。正常情況下,三相供配電系統的電壓矢量圖如圖1所示。由于整個場區的零線沒有接地,當用電處于高峰時段,將出現三相負荷嚴重不平衡,這時的電壓矢量圖如圖2所示。由此可見,當三相負荷不平衡時,中性點電位(零線電壓)“O”點發生漂移至O′點,O與O′點之間的電壓差就是地線與零線之間的電壓差。當負荷越大、三相負荷越不平衡,O點與O′點之間的電壓差也就會越來越大。同時電壓矢量圖發生畸變,即三相電壓矢量不對稱,電壓矢量間的角度已不是120°。機房中的UPS設備對三相交流電源波形要求十分嚴格,通常會根據相角時間觸發激發脈沖信號,當相角發生偏差,將會影響UPS的工作質量。因此,UPS設備均設置了相角偏差保護功能,當相角偏移超過一定值后,UPS的相角保護功能馬上起保護作用,UPS將報警甚至停機。由于辦公大樓和宿舍樓的零線均沒有接地,加載在三相負荷上的電壓已發生偏差,某相電壓可能減小,同時另一相電壓可能會增加,電流增大,當機房的UPS跳閘后,極有可能增加了機房、辦公樓的三相負荷不平衡度,這時,對于整個場區成百上千個瀕臨臨界狀態的開關斷路器及供電系統再次造成瞬間沖擊,導致大樓主開關跳閘。隨后,沖擊配電房整個·65·供電系統,發生連鎖反應,陸續導致已處于臨界狀態的宿舍樓跳閘,最終形成大面積停電。中性點接地的作用,是保證中性線上的電位與大地相同,將中性點鎖定為零電位,避免發生中性點偏移,改變相線間的夾角,造成三相電壓不平衡。通過以上分析,可知“跳閘”就是由于中性點偏移所造成的。

3處理方案

配電房主用1600kVA變壓器的零線銅排重新與接地極連接,連接導體采用YJV-1×240mm2電纜,或截面積不小于單根相線銅排截面積的絕緣導體,如圖3所示。從配電房埋地敷設至辦公樓以及各棟宿舍樓的4芯電力電纜,其零線到達大樓主電源開關箱后,接入主開關上樁頭前首先與地線連接,連接線采用與相線截面積相等的單芯電纜。接線方式如圖4所示。

4問題研討

按以上方法處理后,在應用中,當出現三相不平衡的情況時,可確保零線電壓始終為0V。這時零線將出現電流,但零線電流不會大于三相電流的最大值,因此,零線以及零線與地線的連接線選用與相線截面積相等的單芯電線即可。零線可靠接地后,確保了零線電位與地線電位相同,從而,三相電壓的矢量圖回復標準且對稱狀態,確保相間角度為120°。同時,相電壓也能保證相等,確保UPS、變頻設備、軟啟動設備、可控硅調壓設備等對電源波形要求較高的設備正常工作。原設計中,各棟建筑物(包括辦公樓和宿舍樓)的主電源開關采用漏電保護開關,筆者認為這種設計存在不合理的因素。漏電保護開關是一種在設備發生漏電故障時及時斷開電路的一種開關,將漏電保護器安裝在低壓電路中,當發生漏電和觸電,且達到保護器所限定的動作電流值時,保護器就立即在限定的時間內動作自動斷開電源進行保護。博深高速公路義和管理中心的供電系統設計為保護接地,但無論是“接零保護”或者“接地保護”,其保護范圍都是有限的。“保護接地”就是將電氣設備的金屬外殼與接地(PE)連接,并在電源側加裝熔斷器。當用電設備發生碰殼故障(某相與外殼碰觸)時,則形成該相對PE線的單相短路,由于短路電流很大,迅速將保險熔斷,斷開電源進行保護。然而一般的電氣碰殼故障并不頻繁,經常發生的是漏電故障,如設備受潮、負荷過大、絕緣老化等造成的漏電,這些漏電電流值較小,不能迅速切斷保險,因此,故障不會自動消除而長時間存在,但這種漏電電流對人身安全亦能構成嚴重的威脅。因此,還需要加裝靈敏度更高的漏電保護器進行補充保護。義和管理中心各宿舍樓的進線主開關均安裝有漏電保護開關。由于宿舍樓的流動人員較多,人員較雜,有可能帶進宿舍的用電設備多種多樣,造成漏電跳閘的機會較辦公樓多很多,一旦出現某個用電器故障,導致漏電保護跳閘,將造成整棟宿舍樓停電,給其他宿舍的人員帶來不便。因此,本案例中建議取消各棟宿舍樓主開關的漏電保護功能,將漏電開關分散到每個宿舍,即使接入故障用電器,也只能跳斷單個宿舍樓的電源,可大大減少受影響的范圍。

5主開關頻繁異常跳閘及發生流程分析

本案例場區各棟大樓主開關頻繁異常跳閘的原因及發生流程如圖5所示。

6結語

綜上所述,電力變壓器低壓側中性點接地十分必要。本文雖然只列舉了高速公路營運管理中心的案例,但高速公路機電系統廣泛使用軟啟動器、UPS、甚至變頻器,因此,本文結論同樣適用于隧道、收費站、生活辦公區等場合。此外,對于漏電保護開關的安裝位置,也應引起足夠的重視。

參考文獻:

[1]工業與民用電力裝置的接地設計規范GBJ65-83[S].北京:水利電力出版社,1984.

[2]民用建筑電氣設計規范JGJ16-2008[S].北京:機械工業出版社,2008.

作者:彭健 單位:廣東博大高速公路有限公司博深分公司