配电系统设计和防护方案

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。

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。

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。

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。

【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。

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。

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？

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。

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。

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。

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。

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。

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。