高速公路營(yíng)運(yùn)管理中心供配電系統(tǒng)故障診斷與分析

彭 健

(廣東博大高速公路有限公司博深分公司，廣東 惠州 516100)

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的高速公路也應(yīng)運(yùn)而生。為了確保高速公路上各項(xiàng)機(jī)電設(shè)備的順利運(yùn)行，供配電系統(tǒng)的搭建尤為重要。供配電系統(tǒng)正常工作時(shí)，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(fā)揮高速公路的綜合效益。

高速公路供配電系統(tǒng)的供電對(duì)象主要有：照明系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)及生活用電等。對(duì)于高速公路供配電設(shè)施，在收費(fèi)站、服務(wù)區(qū)、生活辦公區(qū)、隧道等場(chǎng)合，其接地制式大都采用TN-S或TN-C-S制式。無(wú)論采用什么制式，在配電房變壓器低壓側(cè)的中性點(diǎn)(零線)均需可靠接地。但在實(shí)踐中，由于個(gè)別設(shè)計(jì)、施工單位未按規(guī)范要求設(shè)計(jì)或者施工，造成個(gè)別項(xiàng)目其變壓器低壓側(cè)中性點(diǎn)沒(méi)有接地的案例，甚至連掛墻圖、施工設(shè)計(jì)圖都沒(méi)有相關(guān)要求。

1 供配電系統(tǒng)無(wú)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(wàn)m2，有各類宿舍大樓、辦公樓泵房及配電房11座，總建筑面積1.564 7萬(wàn)m2，供配電計(jì)算總?cè)萘? 173kVA，配套一臺(tái)10kV/0.4kV、1 600kVA的變壓器作為主用電源，以及一臺(tái)功率為800kW的柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急備用電源。主要常用負(fù)荷包括5棟宿舍樓生活設(shè)施用電、場(chǎng)區(qū)照明用電、辦公樓用電以及機(jī)房設(shè)備用電等，其中機(jī)房設(shè)備包含UPS。此外，每棟建筑物的主電源進(jìn)線開(kāi)關(guān)均采用三相四線漏電空氣開(kāi)關(guān)。博深高速公路管理中心供電系統(tǒng)為TN-S制式。

自2013年底博深高速公路開(kāi)始運(yùn)營(yíng)以來(lái)，義和管理中心經(jīng)常性、毫無(wú)征兆地連續(xù)幾棟宿舍大樓、辦公樓等排隊(duì)跳閘，造成多棟建筑物整體停電，給營(yíng)運(yùn)管理工作帶來(lái)不便。查看記錄可以發(fā)現(xiàn)，每次大規(guī)模跳閘大都集中在用電高峰時(shí)段，且最早跳閘的往往是辦公大樓主電源開(kāi)關(guān)，然后是宿舍樓群主電源開(kāi)關(guān)。故障發(fā)生后，往往關(guān)閉一兩路負(fù)荷后，又可以恢復(fù)正常供電。此外，根據(jù)記錄還發(fā)現(xiàn)，每次大規(guī)模跳閘前供電回路的工作情況均不相同，同時(shí)，每次大規(guī)模跳閘的大樓也不相同，但有一個(gè)情況相同，就是每次大規(guī)模跳閘都有辦公大樓主電源開(kāi)關(guān)參與。

1.2 故障檢查方向

1.2.1 檢查漏電開(kāi)關(guān)

采用1 000V絕緣電阻測(cè)試儀對(duì)每棟大樓、每個(gè)回路對(duì)地進(jìn)行絕緣電阻測(cè)試，從而判斷主開(kāi)關(guān)跳閘是否是由于回路漏電所致。

1.2.2 檢查接地系統(tǒng)

首先目視檢查配電房的設(shè)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(kāi)關(guān)箱的接地情況。如果均有連接，則采用接地電阻測(cè)試儀對(duì)配電房及各棟大樓地極的接地電阻值進(jìn)行測(cè)試。

1.3 檢查結(jié)果

(1)采用1 000V絕緣電阻測(cè)試儀測(cè)試4 000多個(gè)供電回路對(duì)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(cè)試儀測(cè)試辦公樓及各棟大樓地極系統(tǒng)的接地電阻，均小于4Ω，視為合格。

(3)目視檢查發(fā)現(xiàn)配電房1 600kVA變壓器低壓側(cè)零線中性點(diǎn)沒(méi)有接地，測(cè)量零線與地線之間的電壓，發(fā)現(xiàn)存在AC 22V的交流電壓差；此外，各棟大樓的零線均沒(méi)有接地，從配電房敷設(shè)至大樓主電源開(kāi)關(guān)箱的4芯電力電纜的零線直接進(jìn)入大樓主電源開(kāi)關(guān)的上樁，期間沒(méi)有接地。測(cè)量零線與地線之間的電壓，發(fā)現(xiàn)同樣存在AC 22V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(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)單位的原施工設(shè)計(jì)圖紙均沒(méi)有明確標(biāo)明變壓器零線接地要求，因此，認(rèn)為是設(shè)計(jì)圖紙出了問(wèn)題。同時(shí)由于施工單位缺乏經(jīng)驗(yàn)，沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)圖紙中的問(wèn)題，照?qǐng)D施工所致。

2 三相電力變壓器低壓側(cè)中性點(diǎn)接地分析

電器工程規(guī)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(dāng)出現(xiàn)偏相時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)“中性點(diǎn)漂移”的現(xiàn)象，零線會(huì)帶電，有時(shí)電壓會(huì)很高，用手摸零線會(huì)有麻電的感覺(jué)。此外，如果中性線不接地的話，還會(huì)出現(xiàn)一些諧波干擾等問(wèn)題，所以變壓器的中性線必須接地(僅對(duì)電力變壓器，輸變電變壓器除外)。

另外中性點(diǎn)不接地還會(huì)造成嚴(yán)重的安全問(wèn)題：假如在中性線接地的三相四線制的供電系統(tǒng)中，A相線發(fā)生了金屬性接地，那么強(qiáng)大的短路電流就會(huì)熔斷保險(xiǎn)或使開(kāi)關(guān)跳閘，將故障點(diǎn)排除。要是中性線不接地的話，接地相與零線構(gòu)不成回路，就形不成短路電流，這時(shí)系統(tǒng)還會(huì)繼續(xù)運(yùn)行。但是這時(shí)的大地就是A相的電位，這時(shí)如果有一用戶的電源接在B相，在接線時(shí)發(fā)生了觸電，那么其觸電電壓是380V的線電壓，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于中性點(diǎn)接地時(shí)的220V相電壓，這對(duì)人員而言是十分危險(xiǎn)的。而在中性線接地良好的情況下，一旦發(fā)生相線接地事故，就會(huì)產(chǎn)生較大的短路電流，促使保護(hù)裝置(熔斷器、斷路器等)迅速切斷電路，從而能避免發(fā)生更嚴(yán)重的事故。

正常情況下，三相供配電系統(tǒng)的電壓矢量圖如圖1所示。由于整個(gè)場(chǎng)區(qū)的零線沒(méi)有接地，當(dāng)用電處于高峰時(shí)段，將出現(xiàn)三相負(fù)荷嚴(yán)重不平衡，這時(shí)的電壓矢量圖如圖2所示。

圖1 三相負(fù)荷平衡時(shí)的電壓矢量

圖2 三相負(fù)荷不平衡時(shí)的電壓矢量

由此可見(jiàn)，當(dāng)三相負(fù)荷不平衡時(shí)，中性點(diǎn)電位(零線電壓)“O”點(diǎn)發(fā)生漂移至O′點(diǎn)，O與O′點(diǎn)之間的電壓差就是地線與零線之間的電壓差。當(dāng)負(fù)荷越大、三相負(fù)荷越不平衡，O點(diǎn)與O′點(diǎn)之間的電壓差也就會(huì)越來(lái)越大。同時(shí)電壓矢量圖發(fā)生畸變，即三相電壓矢量不對(duì)稱，電壓矢量間的角度已不是120°。

機(jī)房中的UPS設(shè)備對(duì)三相交流電源波形要求十分嚴(yán)格，通常會(huì)根據(jù)相角時(shí)間觸發(fā)激發(fā)脈沖信號(hào)，當(dāng)相角發(fā)生偏差，將會(huì)影響UPS的工作質(zhì)量。因此，UPS設(shè)備均設(shè)置了相角偏差保護(hù)功能，當(dāng)相角偏移超過(guò)一定值后，UPS的相角保護(hù)功能馬上起保護(hù)作用，UPS將報(bào)警甚至停機(jī)。由于辦公大樓和宿舍樓的零線均沒(méi)有接地，加載在三相負(fù)荷上的電壓已發(fā)生偏差，某相電壓可能減小，同時(shí)另一相電壓可能會(huì)增加，電流增大，當(dāng)機(jī)房的UPS跳閘后，極有可能增加了機(jī)房、辦公樓的三相負(fù)荷不平衡度，這時(shí)，對(duì)于整個(gè)場(chǎng)區(qū)成百上千個(gè)瀕臨臨界狀態(tài)的開(kāi)關(guān)斷路器及供電系統(tǒng)再次造成瞬間沖擊，導(dǎo)致大樓主開(kāi)關(guān)跳閘。隨后，沖擊配電房整個(gè)供電系統(tǒng)，發(fā)生連鎖反應(yīng)，陸續(xù)導(dǎo)致已處于臨界狀態(tài)的宿舍樓跳閘，最終形成大面積停電。

中性點(diǎn)接地的作用，是保證中性線上的電位與大地相同，將中性點(diǎn)鎖定為零電位，避免發(fā)生中性點(diǎn)偏移，改變相線間的夾角，造成三相電壓不平衡。通過(guò)以上分析，可知“跳閘”就是由于中性點(diǎn)偏移所造成的。

3 處理方案

配電房主用1 600kVA變壓器的零線銅排重新與接地極連接，連接導(dǎo)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(dǎo)體,如圖3所示。

圖3 連接導(dǎo)體

從配電房埋地敷設(shè)至辦公樓以及各棟宿舍樓的4芯電力電纜，其零線到達(dá)大樓主電源開(kāi)關(guān)箱后，接入主開(kāi)關(guān)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。

圖4 接線方式

4 問(wèn)題研討

按以上方法處理后，在應(yīng)用中，當(dāng)出現(xiàn)三相不平衡的情況時(shí)，可確保零線電壓始終為0V。這時(shí)零線將出現(xiàn)電流，但零線電流不會(huì)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(fù)標(biāo)準(zhǔn)且對(duì)稱狀態(tài)，確保相間角度為120°。同時(shí)，相電壓也能保證相等，確保UPS、變頻設(shè)備、軟啟動(dòng)設(shè)備、可控硅調(diào)壓設(shè)備等對(duì)電源波形要求較高的設(shè)備正常工作。

原設(shè)計(jì)中，各棟建筑物(包括辦公樓和宿舍樓)的主電源開(kāi)關(guān)采用漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)，筆者認(rèn)為這種設(shè)計(jì)存在不合理的因素。漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)是一種在設(shè)備發(fā)生漏電故障時(shí)及時(shí)斷開(kāi)電路的一種開(kāi)關(guān)，將漏電保護(hù)器安裝在低壓電路中，當(dāng)發(fā)生漏電和觸電，且達(dá)到保護(hù)器所限定的動(dòng)作電流值時(shí)，保護(hù)器就立即在限定的時(shí)間內(nèi)動(dòng)作自動(dòng)斷開(kāi)電源進(jìn)行保護(hù)。

博深高速公路義和管理中心的供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)為保護(hù)接地，但無(wú)論是“接零保護(hù)”或者“接地保護(hù)”，其保護(hù)范圍都是有限的?！氨Ｗo(hù)接地”就是將電氣設(shè)備的金屬外殼與接地(PE)連接，并在電源側(cè)加裝熔斷器。當(dāng)用電設(shè)備發(fā)生碰殼故障(某相與外殼碰觸)時(shí)，則形成該相對(duì)PE線的單相短路，由于短路電流很大，迅速將保險(xiǎn)熔斷，斷開(kāi)電源進(jìn)行保護(hù)。然而一般的電氣碰殼故障并不頻繁，經(jīng)常發(fā)生的是漏電故障，如設(shè)備受潮、負(fù)荷過(guò)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(xiǎn)，因此，故障不會(huì)自動(dòng)消除而長(zhǎng)時(shí)間存在，但這種漏電電流對(duì)人身安全亦能構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。因此，還需要加裝靈敏度更高的漏電保護(hù)器進(jìn)行補(bǔ)充保護(hù)。

義和管理中心各宿舍樓的進(jìn)線主開(kāi)關(guān)均安裝有漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)。由于宿舍樓的流動(dòng)人員較多，人員較雜，有可能帶進(jìn)宿舍的用電設(shè)備多種多樣，造成漏電跳閘的機(jī)會(huì)較辦公樓多很多，一旦出現(xiàn)某個(gè)用電器故障，導(dǎo)致漏電保護(hù)跳閘，將造成整棟宿舍樓停電，給其他宿舍的人員帶來(lái)不便。因此，本案例中建議取消各棟宿舍樓主開(kāi)關(guān)的漏電保護(hù)功能，將漏電開(kāi)關(guān)分散到每個(gè)宿舍，即使接入故障用電器，也只能跳斷單個(gè)宿舍樓的電源，可大大減少受影響的范圍。

5 主開(kāi)關(guān)頻繁異常跳閘及發(fā)生流程分析

本案例場(chǎng)區(qū)各棟大樓主開(kāi)關(guān)頻繁異常跳閘的原因及發(fā)生流程如圖5所示。

圖5 異常跳閘原因及發(fā)生流程

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，電力變壓器低壓側(cè)中性點(diǎn)接地十分必要。本文雖然只列舉了高速公路營(yíng)運(yùn)管理中心的案例，但高速公路機(jī)電系統(tǒng)廣泛使用軟啟動(dòng)器、UPS、甚至變頻器，因此，本文結(jié)論同樣適用于隧道、收費(fèi)站、生活辦公區(qū)等場(chǎng)合。

此外，對(duì)于漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)的安裝位置，也應(yīng)引起足夠的重視。