摘要：江南建筑>供电可靠性、中断供电和自备电源
摘要：本文从设计角度出发，结合“西气东输”工程的进展和外部供电条件的不同，吸收国外的一些先进设计理念，对供电方案设计中的可靠性问题、“中断供电”的概念细分和自备电源等问题进行了较深入的分析和讨论，对下一步的设计工作提出了一些改进意见。 引言
由于石油天然气行业一般都具有易燃、易爆的生产特点，在大中型建设工程的用电负荷中，一、二级负荷占有较大比例，特别是目前已开工建设的“西气东输”地面建设工程(含管道工程和源头的直拉工气田建设工程，以下简称“西气东输”工程)融资成功，进展顺利，该工程年供气120亿m3，管线全长3900km(新疆轮南——上海)，管径91016，输送压力10MPa，批准投资1400多亿元，该工程的特殊性对供电方案的可靠性提出了新的高要求，笔者愿根据自己在参加该工程设计实践中，对供电方案实施中有关的细节问题，特别是与工程合资方壳牌公司和外国厂家的技术人员的交流中的不同设计理念，谈谈自己的认识和体会，仅供设计同行参考。为讨论方便，将本文涉及较多的GB50052—95《供配电系统设计规范》简称为国标系统设计规范；为讨论的需要，将西气东输源头的塔里木气田的用电负荷和西气东输管道工程的心脏部分10座压气站中的4座(使用变频电驱)的用电情况简单列表如下：
从上表可以看出，各区块气田的用电负荷和管道压缩机站的用电负荷的容量范围在几千千瓦到几万千瓦之间，根据电力系统规划的技术经济原则和各级电压的合理供电半径，“西气东输”工程将分别建成十几个以气田净化厂或以管道压缩机站为负荷中心的、以35kV或1lOkV为最高运行电压的用户终端变电所，这些终端变电所都将按规范对一级负荷的供电要求按二个独立电源供电设计，设置两台变压器，主接线采用桥接或单母线分段。若当地电网限于供电条件只能取得一个独立电源时，则另设自备发电机组电源作第二电源，对一级负荷中特别重要负荷，采用现在普遍运用的蓄电池静止型不间断供电装置(简称UPS装置)供电。
一、关于供电可靠性(Reliability worth)
可靠性是衡量一个上程系统性能优劣最重要的质量指标之一，可靠性可定义为元件、设备或系统等在规定的时间内、在规定的条件下完成规定功能的能力。对电力企业而言，可简单表述为向用户提供质量合格的、连续不中断的电能这种特殊产品的能力；对电力用户而言，情况要复杂一些，因工厂或企业的供配电系统一般是由供电电源、送电线路(含公用或专用线路)、变压器、配电装置(众多断路器和开关设备)以及繁杂的用电设备等组成，供电的可靠性分析和可靠性的量化非常复杂，这里既包括供电电源(即前述电力企业)的供电可靠性，也包括众多电路元器件和用电设备的工作可靠性，用户供电可靠性的提高首先被动依赖于电力企业提供的供电电源可靠性的提高，其次是选择各种电路元件和设备包括一、二次设备元件的高质量以求可靠性，第三则应保证变压器、线路等具有一定相当容量裕度(双变压器、双线路各承载运行在1／2的一级负荷容量)基础上，还应结线简单、灵活(复杂的供配电系统可靠性并不一定高)，并辅以各种监控、保护和自动化措施等以提高用户供配电系统运行的稳定性。这里我们仅讨论在西气东输工程设计中对供电方案影响较大的电力企业提供给用户的供电电源的可靠性问题，而把用户自身的变配电系统的可靠性暂假定为100％，当然这是不可能的，此时供电电源的可靠性则近似等于各区块气田或管道压缩机站供电方案中所要求的供电可靠性。
近些年来，电力部门努力与国际接轨，在电力系统可靠性研究的实践方面已取得了具有中国特色的可喜成果。根据国家电力公司颁布的《中国电力可靠性管理年报》公布的1999年全国部分城市用户供电可靠性年度平均指标，我国发达地我城市中压电网的供电可靠率最高已达99．97％，如北京、大同、济南等地，即使较落后的西部地区供电可靠率最低也达到99．35％，这是一个西气东输工程供电方案设计中的可借鉴粗估使用的统计指标，下面根据该年报提供计算公式进行简单反演后可行到表三的结果。
供电可靠率：
一用户年平均停电时间；
t--统计时间，全年可按8760h计，此时含计划停电和限电。西气东输工程按规范取8000h
计；
需要说明的是，虽然年平均停电时间长短基本可反映目前我国地区大电网的实际供电水
平的差异，发达地区较欠发达地区相差达20倍以上，即(52—2.4)÷2.4=20.67(倍)，但随着西部大开发的进行和城乡电网改造的实施，这种差别将日趋缩小。
从表三也可看出，一级负若能有真正意义上的二个独立供电电源供电，在理想情况下，其供电可靠率将是很高的，即使是克拉2气田等位于由新疆电网(取IISI：99．35％)复盖供电的用户，若能从其取得二个独立电源，其供电可靠率可达99．9958％，对应年平均停电时间仅为0．33h，即20分钟。
二、关于“中断供电”
何谓“中断供电”?一般而言，“中断供电”通常也称为“停电”，但深究或仔细体会其内涵，“中断供电”(interruption)更书面化，似与长时停电的时间概念相系，我国现行设计规范并来给出明确定义，只是在GB50052—95系统设计规范中多处使用了这一术语，而早已废止的GBJ52—83《工业与民用供电系统设计规范》中明确指出，我国现阶段电网的供电水平只能满足允许中断供电时间大于1．5S的用户的用电需求，不论是一个或二个电源，当电源中断后通过重合闸或备用电源自投装置等恢复供电，都会出现瞬停，瞬停在1．5S内，电力部门不认为是：“停电”，前文叙述的供电可靠率也无法反映这种“停电”，但“西气东输”管道工程中的4座电驱压缩机站 (见表二)，由于采用大容量电机传动的高压变频调速装置，在瞬时停电恢复后却无法自动再起动，为了在设计工作中尽快与外国公司的设计理念接轨，有必要在新形势下对“中断供电”的概念重新审视和研讨。
停电一般可分为故障停电和计划停电两大类。计划停电由于事先通知了用户，用户特别是连续作业程度极高的石油石化企业，一般都是按电力部门计划停电的日期安排自己年度大修计划。因为不会造成安全事故和经济损失，也就不视为“中断供电”，但故障停电却被国内外电力系统运行经验证明是无法避免的，只是随着电力技术的进步，故障停电的次数和时间呈下降趋势而已。
现代电力系统已步人大机组、大电网、超高电压时代，随着三峡工程的建成，我国电力系统将实现全国联网，大规模电力系统的互联在给社会带来巨大经济效益的同时，也带来了大面积停电的潜在风险。电力系统就本质而言是一个电能从生产、传输、分配到使用的非线性平衡态的动力系统，同时又是一个开放的动态能量系统，它本身的复杂性和不确定性会伴随同部元、器件性能劣化或遭受来自外部自然界的或人为的破坏而发生故障，即使在欧美发达国家，多功能电力系统在线事故预警及防治系统也不能完全避免电力故障的发生，我国的电力法规也从未要求电力部门保证供电不中断，即使供电中断，不论时间长短也不会被罚款，即使这样，这些年来电力部门在采用变电气故障由紧急控制为预防控制、变定期检修为按需检修等先进技术以提高电力系统的安全可靠性方面仍取得了长足进步，这也再次验证，一切市场行为的最终目的都是在安全可靠的约束条件下，完成规定功能，获取最大经济效益。
按国外欧美的一些标准，将“中断供电”的情况按时间长短细分为5类，详见下表所示：
国内高新独资企业，只接受0．2S的甚短时中断停电，美国调查，25％用户也只接受0．2S停电，15％用户接受1S短时中断停电，在美国持续1-10周波(0．02-0．2S)的停电，会造成工厂平均停运的时间为1．39小时。
变频器抗瞬停(短时中断供电)的能力(时间长短)是不同的，它随着变频器的结构、容量和制造厂家等不同而不同，一般而言，容量愈大，抗瞬停供电时间也愈长，变频器中间直流环节的储能元件采用电容则较采用电感的抗瞬停时间长，根据调研和厂家资料，同为中压7000kW左右的变频器，罗宾康公司(ROBOINCON)的完美无谐波变频器的抗瞬停供电时间约为20个周波(400ms)左右，西门子(SIEMENS)公司负载换相式变频器的抗瞬停时间则为10个周波(200ms)左右，前者中间直流环节储能元件为电容，后者为电感，郑州、蒲县、中卫、山丹4座电驱压缩机站中的变频器都将因二个供电电源事故瞬停时间为1．5s而停运，若再次启动到正常运行的启动调整过程约需20-30分钟，这对管道的压力、流量等有的一定贮气能力弥补，显然按表二采用对应容量的在线UPS装置来应急供电(UPS切换时间为3-5ms)是不可能的。
富士电机公司的低压变频器(2．2kW-22kW)的耐瞬停时间在0．8—14ms之间，变频器由UPS直接供电，UPS不但可以抗瞬停，还可以抗瞬时低电压，甚至可以承受十几分钟的停电事故(视电池容量定)，南京某大型石化厂腈纶纺丝装置就采用这种应急措施，效果良好。
大容量变频器对电网产生谐波污染超标和从电网大量吸收无功造成 下降需动态补偿等问题也极需引起足够重视。
另外还需说明的是为配合一级负荷机泵在供电电源瞬时中断复电后能够实现分批再启动，要求中断复电时间尽量短和自动装置相互间的选择性配合，这是有矛盾的。作为终端变电所，上级电源线路装设的单次自动重合闸(ZCH)一般为0．8—IS，本变电站第一级备电源自投装置应较ZCH大一时限阶段，一般将为1．3—1．5S，考虑高压电动机反馈电流影响故障点电弧熄灭，为提高重合闸成功率，ZCH动作时限宜取1S，有条件可取1．2S，这与电动机能可靠地分批再启动的要求矛盾，需统筹考虑。
有利的是，智能化低压电器的发展，使交流接触器延迟释放功能和精度大为提高，为低压电动机实现分批再启动提供了有利条件。根据调研，低压电网瞬跳复电的最长允许时间不宜大于2S，2S内复电则按各批自动整定值自动实现分批再启动，若复电时间大于2S，则自动退出分批再启动。
调研和实践还表明，带0．5-0．7秒时限的电流速断保护装置，其动作不会造成其它电动机跳闸和转速的显著降低以及自起动困难，但
如果与其配合的自动装置时限太长，当发生永久故障时，母线电压一般会在10—30％额定电压，所在自动电机受阻力矩等作用转速都降低很多，自起动很困难，此时应进行较详细自动起动计算。
三、关于自备电源
非不得已，不设自备电源。一般而言，全外电源供电方式都优于完全自发电方式，因此工程供电方案首先都应该从当地大电网或地方小电网取得满足一、二级负荷供电要求的二个独立电源或二回线路供电。按GB50052—95系统设计规范的定义，对一级负荷既可指第二工作电源，也可指为一级负荷中特别重要负荷供电的应急电源，对二级负荷仅指不能满足二级负荷要求的仅一回非专用线路供电时的备用工作电源，按该规范，二级负荷中无特别重要负荷，也不应该设应急电源，但石油天然气行业众多的划为二级负荷如分输站、门站等也有易燃、易爆的生产特点，加之仪表白控系统广泛采用DCS集散控制系统(厂、站)和SCADA数采与监控系统(管线、集气、集油站场)，按中断供电后造成的停产事故损失划为二级负荷的建设项目也有特别重要负荷，建议该范围修订时在名词解释中宜增加“二级负荷中特别重要负荷”的定义，并相应增加其供电要求(措施)的内容。
经过较详细的技术经济比较，西气东输工程中，克拉2、英买七气田将在净化厂内建设自备电站作第二工作电源，哈密、红柳等燃机驱动压气站因远离电网也需建自备电站作工作和备用工作电源，这时须注意的是在选择发电机组的型式时前者应按主供(primary power)机组确定，后者按备用(standby)机组确定，自备电站均采用自用资源一天然气作发电燃料，避免柴油储运的投资，同时也降低自发电电能的成本。
下面重点以克拉2气田设置自备电源的细节问题总结我们的体会，特别是与合资方壳牌石油公司的技术人员达成的一些共识，有助于完善我们设计的供电方案。
1．大拉工气田当地的供电条件难于取得符合一级负荷要求的真正独立的二个供电电源，预可研阶段的单一发电(二用二备共4台)的供电形式是不可取的，目前采用一回专用110kV专用线取自当地黑孜尔水电站的升压站，限于该电站及所属巴州电网水电比重大及枯水期长，限电的可能性大且时间长，自备电站(一用一备)长时间满负荷运行的机率大。一旦净化厂故障将失去气源，我们接受壳牌公司技术人员的建议另设快速自启动的柴油发电机组 (1000kW，1套)作自备电站发电机组等的自启动应急和火灾消防等应急电源。
2、自备电站采用无人值守的天然气发电机组，性能优良，自动化程度高，卡特彼勒(美)公司、瓦克夏(美)公司及瓦锡兰(挪威)公司等都能提供容量为4000kW左右的全自动化的天然气发电机组，机组为计算机控制系统，功能可实现自起动、自动调压、自动调频、自动调载和自动并车，按负荷大小可自动增减机组，完善的故障自动报警和远动控制等，备用机组始终处于完善的准备起动状态，一旦运行机组故障或外电源中断供电，备用机组可立即启动并在15S(甚至4—7S)内投运正常带负荷运行，外电源和自发电机组各自独立运行带1／2总负荷，互为热备用但不得并列运行，以保证二个电源的独立性。
参考文献
1．优化电气设计——实践指南
2．中国电力可靠性管理年报
3．试编“西气东输”地面建设工程的电气设计特点和初步应对措施．郑世同等3人
国际铜业协会(中国)1999：51—59
中国科技出版社出版“2002年中国科协年会论文集”
表一、表二
表三
论文录入：admin 责任编辑：admin
网友评论：（供电可靠性、中断供电和自备电源）