高速公路营运管理中心供配电系统故障诊断与分析

彭 健

(广东博大高速公路有限公司博深分公司，广东 惠州 516100)

0 引言

随着国民经济的快速发展，越来越多的高速公路也应运而生。为了确保高速公路上各项机电设备的顺利运行，供配电系统的搭建尤为重要。供配电系统正常工作时，可以防止电源干扰，保证不间断供电，确保用电安全，最大限度地发挥高速公路的综合效益。

高速公路供配电系统的供电对象主要有：照明系统、通风系统、消防系统、监控系统及生活用电等。对于高速公路供配电设施，在收费站、服务区、生活办公区、隧道等场合，其接地制式大都采用TN-S或TN-C-S制式。无论采用什么制式，在配电房变压器低压侧的中性点(零线)均需可靠接地。但在实践中，由于个别设计、施工单位未按规范要求设计或者施工，造成个别项目其变压器低压侧中性点没有接地的案例，甚至连挂墙图、施工设计图都没有相关要求。

1 供配电系统无法正常工作案例

1.1 故障案例背景

博深高速公路义和管理中心占地约6.5万m2，有各类宿舍大楼、办公楼泵房及配电房11座，总建筑面积1.564 7万m2，供配电计算总容量1 173kVA，配套一台10kV/0.4kV、1 600kVA的变压器作为主用电源，以及一台功率为800kW的柴油发电机组作为应急备用电源。主要常用负荷包括5栋宿舍楼生活设施用电、场区照明用电、办公楼用电以及机房设备用电等，其中机房设备包含UPS。此外，每栋建筑物的主电源进线开关均采用三相四线漏电空气开关。博深高速公路管理中心供电系统为TN-S制式。

自2013年底博深高速公路开始运营以来，义和管理中心经常性、毫无征兆地连续几栋宿舍大楼、办公楼等排队跳闸，造成多栋建筑物整体停电，给营运管理工作带来不便。查看记录可以发现，每次大规模跳闸大都集中在用电高峰时段，且最早跳闸的往往是办公大楼主电源开关，然后是宿舍楼群主电源开关。故障发生后，往往关闭一两路负荷后，又可以恢复正常供电。此外，根据记录还发现，每次大规模跳闸前供电回路的工作情况均不相同，同时，每次大规模跳闸的大楼也不相同，但有一个情况相同，就是每次大规模跳闸都有办公大楼主电源开关参与。

1.2 故障检查方向

1.2.1 检查漏电开关

采用1 000V绝缘电阻测试仪对每栋大楼、每个回路对地进行绝缘电阻测试，从而判断主开关跳闸是否是由于回路漏电所致。

1.2.2 检查接地系统

首先目视检查配电房的设备，尤其是变压器的接地线连接情况，检查各栋大楼主电源开关箱的接地情况。如果均有连接，则采用接地电阻测试仪对配电房及各栋大楼地极的接地电阻值进行测试。

1.3 检查结果

(1)采用1 000V绝缘电阻测试仪测试4 000多个供电回路对地的绝缘电阻，均大于2MΩ，相间绝缘电阻均大于2MΩ，视为合格。

(2)采用接地电阻测试仪测试办公楼及各栋大楼地极系统的接地电阻，均小于4Ω，视为合格。

(3)目视检查发现配电房1 600kVA变压器低压侧零线中性点没有接地，测量零线与地线之间的电压，发现存在AC 22V的交流电压差；此外，各栋大楼的零线均没有接地，从配电房敷设至大楼主电源开关箱的4芯电力电缆的零线直接进入大楼主电源开关的上桩，期间没有接地。测量零线与地线之间的电压，发现同样存在AC 22V的交流电压差。至此，可判断这就是频繁异常跳闸的原因所在。

(4)检查挂墙图和竣工图，发现设计单位的原施工设计图纸均没有明确标明变压器零线接地要求，因此，认为是设计图纸出了问题。同时由于施工单位缺乏经验，没有及时发现设计图纸中的问题，照图施工所致。

2 三相电力变压器低压侧中性点接地分析

电器工程规范要求电力变压器的中性线必须可靠接地(矿山除外)。如果中性线不接地的话，当出现偏相时，就会出现“中性点漂移”的现象，零线会带电，有时电压会很高，用手摸零线会有麻电的感觉。此外，如果中性线不接地的话，还会出现一些谐波干扰等问题，所以变压器的中性线必须接地(仅对电力变压器，输变电变压器除外)。

另外中性点不接地还会造成严重的安全问题：假如在中性线接地的三相四线制的供电系统中，A相线发生了金属性接地，那么强大的短路电流就会熔断保险或使开关跳闸，将故障点排除。要是中性线不接地的话，接地相与零线构不成回路，就形不成短路电流，这时系统还会继续运行。但是这时的大地就是A相的电位，这时如果有一用户的电源接在B相，在接线时发生了触电，那么其触电电压是380V的线电压，远远大于中性点接地时的220V相电压，这对人员而言是十分危险的。而在中性线接地良好的情况下，一旦发生相线接地事故，就会产生较大的短路电流，促使保护装置(熔断器、断路器等)迅速切断电路，从而能避免发生更严重的事故。

正常情况下，三相供配电系统的电压矢量图如图1所示。由于整个场区的零线没有接地，当用电处于高峰时段，将出现三相负荷严重不平衡，这时的电压矢量图如图2所示。

图1 三相负荷平衡时的电压矢量

图2 三相负荷不平衡时的电压矢量

由此可见，当三相负荷不平衡时，中性点电位(零线电压)“O”点发生漂移至O′点，O与O′点之间的电压差就是地线与零线之间的电压差。当负荷越大、三相负荷越不平衡，O点与O′点之间的电压差也就会越来越大。同时电压矢量图发生畸变，即三相电压矢量不对称，电压矢量间的角度已不是120°。

机房中的UPS设备对三相交流电源波形要求十分严格，通常会根据相角时间触发激发脉冲信号，当相角发生偏差，将会影响UPS的工作质量。因此，UPS设备均设置了相角偏差保护功能，当相角偏移超过一定值后，UPS的相角保护功能马上起保护作用，UPS将报警甚至停机。由于办公大楼和宿舍楼的零线均没有接地，加载在三相负荷上的电压已发生偏差，某相电压可能减小，同时另一相电压可能会增加，电流增大，当机房的UPS跳闸后，极有可能增加了机房、办公楼的三相负荷不平衡度，这时，对于整个场区成百上千个濒临临界状态的开关断路器及供电系统再次造成瞬间冲击，导致大楼主开关跳闸。随后，冲击配电房整个供电系统，发生连锁反应，陆续导致已处于临界状态的宿舍楼跳闸，最终形成大面积停电。

中性点接地的作用，是保证中性线上的电位与大地相同，将中性点锁定为零电位，避免发生中性点偏移，改变相线间的夹角，造成三相电压不平衡。通过以上分析，可知“跳闸”就是由于中性点偏移所造成的。

3 处理方案

配电房主用1 600kVA变压器的零线铜排重新与接地极连接，连接导体采用YJV-1×240mm2电缆，或截面积不小于单根相线铜排截面积的绝缘导体,如图3所示。

图3 连接导体

从配电房埋地敷设至办公楼以及各栋宿舍楼的4芯电力电缆，其零线到达大楼主电源开关箱后，接入主开关上桩头前首先与地线连接，连接线采用与相线截面积相等的单芯电缆。接线方式如图4所示。

图4 接线方式

4 问题研讨

按以上方法处理后，在应用中，当出现三相不平衡的情况时，可确保零线电压始终为0V。这时零线将出现电流，但零线电流不会大于三相电流的最大值，因此，零线以及零线与地线的连接线选用与相线截面积相等的单芯电线即可。

零线可靠接地后，确保了零线电位与地线电位相同，从而，三相电压的矢量图回复标准且对称状态，确保相间角度为120°。同时，相电压也能保证相等，确保UPS、变频设备、软启动设备、可控硅调压设备等对电源波形要求较高的设备正常工作。

原设计中，各栋建筑物(包括办公楼和宿舍楼)的主电源开关采用漏电保护开关，笔者认为这种设计存在不合理的因素。漏电保护开关是一种在设备发生漏电故障时及时断开电路的一种开关，将漏电保护器安装在低压电路中，当发生漏电和触电，且达到保护器所限定的动作电流值时，保护器就立即在限定的时间内动作自动断开电源进行保护。

博深高速公路义和管理中心的供电系统设计为保护接地，但无论是“接零保护”或者“接地保护”，其保护范围都是有限的。“保护接地”就是将电气设备的金属外壳与接地(PE)连接，并在电源侧加装熔断器。当用电设备发生碰壳故障(某相与外壳碰触)时，则形成该相对PE线的单相短路，由于短路电流很大，迅速将保险熔断，断开电源进行保护。然而一般的电气碰壳故障并不频繁，经常发生的是漏电故障，如设备受潮、负荷过大、绝缘老化等造成的漏电，这些漏电电流值较小，不能迅速切断保险，因此，故障不会自动消除而长时间存在，但这种漏电电流对人身安全亦能构成严重的威胁。因此，还需要加装灵敏度更高的漏电保护器进行补充保护。

义和管理中心各宿舍楼的进线主开关均安装有漏电保护开关。由于宿舍楼的流动人员较多，人员较杂，有可能带进宿舍的用电设备多种多样，造成漏电跳闸的机会较办公楼多很多，一旦出现某个用电器故障，导致漏电保护跳闸，将造成整栋宿舍楼停电，给其他宿舍的人员带来不便。因此，本案例中建议取消各栋宿舍楼主开关的漏电保护功能，将漏电开关分散到每个宿舍，即使接入故障用电器，也只能跳断单个宿舍楼的电源，可大大减少受影响的范围。

5 主开关频繁异常跳闸及发生流程分析

本案例场区各栋大楼主开关频繁异常跳闸的原因及发生流程如图5所示。

图5 异常跳闸原因及发生流程

6 结语

综上所述，电力变压器低压侧中性点接地十分必要。本文虽然只列举了高速公路营运管理中心的案例，但高速公路机电系统广泛使用软启动器、UPS、甚至变频器，因此，本文结论同样适用于隧道、收费站、生活办公区等场合。

此外，对于漏电保护开关的安装位置，也应引起足够的重视。