非洲城市电网改造与中压保护电器的选择

1项目概况赤道几内亚位于非洲中西部几内亚湾，地处热带地区。属赤道雨林气候，年降水量1900mm，年平均相对湿度85%，最低约80%，无冰雪覆盖，最大风速20m/s，地震烈度3度。马拉博(Malabo)是赤道几内亚首都、北比奥科省省会，居民住宅密集，以木制或砖砌平房为主。工程所在地区处于平原和小丘岭的城市区及郊区。马拉博原有一座燃机电厂，总装机容量为27MW。由66kV输电线路经由变电站，利用分布在城市中的若干15/0.4kV箱式变电站向城市供电。箱式变电站之间采用15kV架空线干线式供电，箱变至用户段采用0.4kV架空线路配电。由于年深日久以及气候原因，设备老化严重，许多变电所服务年限超过设备正常寿命，其中一些变电所的变压器已经停运，严重影响供电可靠性。此外，因0.4kV系统采用架空线至居民用电，致使居民用电利用就近电杆私搭乱接现象特别严重，既存在极大人身安全隐患，也影响整个城市电网的安全运行，对城市街道景观破坏严重。再加之城市发展迅速，电源容量已不能满足用电需求，需新建电厂及城市电网。本文将介绍新建城网部分。2工程设计范围及主要内容本工程分为两期。一期自20kV中压站开关出线开始，经20kV配电线路、变电所、0.4kV配电线路至路边配电箱（AL箱）止。二期自路边配电箱（AL箱）出线开关下口开始，至居民电表箱止。工程内容主要包括新装箱式变电站内中、低压配电系统；20kV及0.4kV城市配电网系统；居民用电供电系统；接地系统。具体包括20kV配电线路的新建、20/0.4kV变压器系统及0.4kV配电线路的新建。市区及城市近郊区内居民电表箱及其供电线路的新建。3

箱式变电站老城网箱式变电站为简化版欧式箱变，体积较大。箱变内分为中压室、低压室及变压器室。中压室内采用SchneiderSM6中压开关柜，低压侧主进线开关为ABBSACE系列低压断路器，出线为DF熔断器。但由于熔断器的一次性使用特性、用户接线不规范以及箱变安全性不强屡遭当地不法分子的破坏等原因，造成熔断器的大量损毁，中压柜遭到严重破坏，进而屡屡发生各种电气事故，危害居民人身安全。经与当地政府及电力公司的共同调研及商讨，决定采用中国产20/0.4kV箱式变电站。中国箱变综合了欧式箱变和美式箱变的优点，其外形同欧式箱变，但体积却大大小于欧式箱变。此外，与之前箱变相比，增加了接地开关和避雷器。接地开关与主开关之间有机械联锁，且密封性及安全性更强，这样既提高了箱变本身的安全性，又保证了在进行箱变维护时的人员安全。新建箱变内中压室、低压室、变压器室分隔布置。变电站的20kV进线为电缆引入方式，0.4kV出线采用电缆引出方式。20kV配电设备采用中压环网开关柜，SF6负荷开关，并备用一路出线开关，便于需要20kV电源时，由就近箱变引出。低压系统为单母线运行方式，配电装置主进线开关为MT系列低压断路器，出线均为NS系列低压断路器。4

中压供电及其保护4.1中压供电原电网采用干线式供电，即采用一条15kV线路贯穿整个城市的箱变。而随着用电设备的不断增多，用电可靠性差的弊端逐渐显现。故新城网20kV中压供电系统采用区域式双向有电源的环型供电方式，如图1所示。图1

高压供配电系统示意图由于两电源间潮流分布不均衡或相位不一致等因素，一旦闭环，将产生环流，增加供电线路的电能损耗，故本城网采用闭环设计、开环运行方式，环路中有一处开环，正常运行时，此开环点总是断开的。当供电线路的某一区域发生故障时，配电系统能够自动隔离故障区段、自动恢复非故障区段供电。以上供电方案需要遵循以下基本条件。1）在线路选择和设计时，两个电源应有互带能力。2）实施线路分段原则，缩小因个别用户或线路故障带来的整体停电；将线路合理分段并设置分段点，提高供电可靠性。3）干线的分段原则：①用户负荷均等；②线路长度均等；③用户数量尽量均等。4.2中压保护城网箱变采用24kVSchneider中压RM6柜，4路IIQI组合，见图2。图2

高压环网柜配电系统图如图2所示，箱变中共有4面高压柜，分别为进线柜、出线柜、变压器保护柜、备用柜（顺序从左至右）。在这里，对中压线路采用负荷开关进行保护；对变压器的保护采用负荷开关-熔断器组合电器。负荷开关-熔断器组合电器是由高压负荷开关来承担正常工作电流及过负荷电流的关合和开断，并要求承担“转移电流”（见本文后述）的开断；而变压器高压侧的短路保护则由熔断器来承担。当变压器高压侧发生过载或短路时，故障电流流过熔体，因其自身发热而使熔体熔断从而分断电路。1）负荷开关-熔断器组合电器与断路器保护的对比对于设立专用变压器的用户，变压器的保护配置方案通常有以下两种：一是用断路器保护，二是用负荷开关-熔断器的组合保护（目前在发达国家，负荷开关与断路器的使用比例是5:1；而在我国则正好相反，断路器与负荷开关比例是5:1）。这两种保护方式各有特点，本文重点从下述两方面做对比。（1）有效性限流型熔断器能在10ms内切除短路故障，同时熔断器上的撞击器可以迅速撞开负荷开关的脱扣机构使负荷开关分闸，从而保护变压器。而断路器保护时间由三部分组成：继电保护时间＋断路器固有分闸时间＋燃弧时间，这就要求变压器必须能够忍耐较长时间的短路电流。（2）经济性实际运行中经常对负荷进行开关切断，但电气短路情况发生较少。断路器保护结构复杂，操作机构庞大，造价贵。负荷开关-熔断器组合将控制与保护两个功能分开，经常发生的负荷切换由负荷开关完成；极少发生的短路保护由熔断器来完成，成本较低。此外，负荷开关-熔断器组合体积较小，运用在箱变中大大节省了高压室的空间，可使箱变体积进一步缩小，从而再次降低了成本。如果再考虑到后期维护和检修成本，负荷开关-熔断器的经济优势将体现得更为突出。综上所述，在这次援非项目中采用负荷开关-熔断器组合电器作为变压器的保护配置装置。2）熔断器的选择选择熔断器时，要注意工作电压与熔断器的额定电压相符，并且熔断器与电源侧继电保护之间以及熔断器与负荷开关之间需匹配。此外，熔断器还需要满足以下条件。（1）能耐受变压器合闸时产生的励磁涌流峰值。当变压器的励磁涌流峰值Is通过熔断器时，其产生的热效应一般按照10～20倍变压器额定负载电流持续0.1s来计算。假若取12倍的变压器一次侧额定电流In，即：Is≥12InIn=Sn

/(Un

)

（1）式中，In为变压器一次侧额定电流，A；Sn为变压器额定容量，kVA；Un为系统额定电压，kV。（2）满足过负荷要求，确定熔断器允许的过负荷电流。在正常环境温度（不超过40℃）下，熔断器的额定电流不应小于1.3倍变压器额定电流，以避免其装入开关柜后温度升高引起的降容影响。一般情况下，熔断器额定电流Ifn选择范围：1.3In≤Ifn≤1.5In（2）同时熔断器应能耐受如下条件的过负荷电流：设变压器分接开关按-5%分接抽头计算，变压器过负荷120%，则变压器高压侧过负荷电流If可由式（3）确定：If=In×120%×105%=1.26

In

（3）即：1.26×1.3In=1.638In≤Ifn≤1.5×1.3In

=1.89In（4）熔断器产品样本中，用于变压器一次侧熔断器选用如表1所示（此表为本工程所用FusarccF高压限流型熔断器选择表）。表1

20kV系统熔断器选择表3）负荷开关-熔断器的组合电器与转移电流国家标准GB16926-2009《高压交流负荷开关一熔断器组合电器》对负荷开关加熔断器组合电器的定义是：一种组合电器，包括一组三极负荷开关及配有撞击器的三只熔断器，任何一个撞击器的动作会引起负荷开关三极全部自动分闸。而当采用撞击器操作负荷开关分闸时，在熔断器完全熔断与由负荷开关分断的转换开断职能的三相对称电流值变为两相间的电流，此电流值称为组合电器的额定转移电流。当预期短路电流低于额定转移电流值时，首开相电流由熔断器开断，而后两相电流由负荷开关开断(这个短路电流是三相短路电流的0.866倍，即两相短路电流与三相短路电流之比)；当预期短路电流大于额定转移电流值时，三相电流仅由熔断器开断。一般情况下，制造厂的产品样本会给出组合电器的额定转移电流，额定转移电流是指负荷开关所能配用最大值熔断器的转移电流,实际上所选熔体不一定是最大的，因此这种介于熔断器的额定最小开断电流与组合电器额定转移电流之间的转移电流就可以理解为实际转移电流。对于给定用途的组合电器，其实际转移电流可按下述方法确定。在熔断器的最小弧前时间-电流特性曲线上，Tm1所对应的电流值就是确定的实际转移电流值，Tm1按式（5）计算：Tm1=

0.9

T0（5）式中，Tm1为三相故障电流下首先动作的熔断器在最小时间-电流特性曲线上的熔断时间，s；T0为熔断器触发的负荷开关分闸时间，s。在IEC标准中，对T0的选值定为0.05s～0.3s，而我国大多数压气型负荷开关的分闸时间为0.1s～0.2s。根据《工业与民用配电设计手册》(第三版)217~218页，通过计算得到的实际转移电流Ic.zy应小于变压器二次侧直接短路时一次侧故障电流Isc，即:Ic.zy<

Isc

（6）5

工程设计案例在本工程中，以1000kVA箱式变电站为例。变压器选用S9-M-1000kVA-20/0.4kV油浸式变压器，联结组别为D，yn11，Uk=4.5%。采用负荷开关-熔断器组合电器控制保护变压器。组合电器选用额定电流200A的SF6负荷开关，分闸时间为0.05s（T0=0.05s），额定电流50A的FusarcCF熔断器，额定短路开断电流为40kA，最小开断电流为180A。组合电器额定转移电流为1750A。根据式（1）~（5）对熔断器选型进行校验。由式（1）可得：In

=1000/(1.732×20)=28.87AIs

=12×29=346.44A由式（4）可得：47.5A=1.638×29≤

Ifn≤1.89×29=54.81A即

48≤

Ifn≤55故取熔断器额定电流Ifn=50A。由图3可得，熔断器在0.1s时允许通过的电流Is=

450A，大于变压器励磁涌流Is

=346.44A。当变压器二次侧端子直接短路时，变压器一次侧最大故障电流Isc=1000/(1.732×20×4.5%)=641.52A。在时间-电流特性曲线（图3）中，以Tm1=0.9，T0=

0.045s作一水平线，与额定电流为50A的特性曲线的交点所对应的电流值，便为组合电器的实际转移电流。即Ic.zy=580A（基于电流偏差-6.5%，其值还会略小一些），小于变压器一次侧最大故障电流Isc。图3

FusarccF熔断器时间-电流特性曲线（12-24kV）上述校验结果表明：高压负荷开关-熔断器组合电器的实际转移电流小于其额定转移电流，大于熔断器的额定最小开断电流，并且小于变压器二次侧直接短路时一次侧的最大故障电流，这就保证了组合电器中负荷开关的安全使用。本工程中压20kV及低压0.4kV配电部分皆已于2012年6月开始供电运行，使用正