劉 哲

(中海油天津化工研究設(shè)計院有限公司, 天津 300131)

0 引 言

在石化項(xiàng)目中,廠區(qū)面積大,不同的生產(chǎn)工藝分布在不同的區(qū)域,負(fù)荷分布相對分散。在變配電設(shè)計的過程中,設(shè)計人員通常依據(jù)裝置負(fù)荷的大小和負(fù)荷至主變電所的距離選用主變電所和變配電室相結(jié)合的設(shè)計方案[1]。

本文結(jié)合某石化企業(yè)脫鹽水項(xiàng)目,對變配電的主接線方式、變壓器容量選擇方法、低壓斷路器選型等工程設(shè)計中涉及的重要電氣設(shè)計問題進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1 配電系統(tǒng)主接線設(shè)計

某石化企業(yè)脫鹽水處理車間的二級負(fù)荷為1 100 kVA,三級負(fù)荷為660 kVA,且距離主變電所較遠(yuǎn),此車間采用來自企業(yè)內(nèi)主變電所的10 kV電源作為進(jìn)線。依據(jù)GB 50052—2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》[2]第3.0.7條,二級負(fù)荷的供電系統(tǒng)宜由兩回路供電,在負(fù)荷較小或地區(qū)供電條件困難時,二級負(fù)荷可由一路6 kV及以上專用的架空線路供電。因此,車間高壓側(cè)采用兩路10 kV電源電纜供電,穿管埋地引入脫鹽水處理車間變配電室高壓進(jìn)線柜,作為正常工作電源。兩路10 kV電源采用單母線分段接線,平時單母線分段運(yùn)行,當(dāng)一路電源故障時,另一路電源承擔(dān)全部負(fù)荷。

變壓器低壓側(cè)采用單母線分段方式運(yùn)行,設(shè)置母聯(lián)開關(guān),聯(lián)絡(luò)開關(guān)設(shè)自投自復(fù)/手動轉(zhuǎn)換開關(guān)。自投時應(yīng)自動斷開三級負(fù)荷,以保證變壓器正常工作;主進(jìn)線開關(guān)與聯(lián)絡(luò)開關(guān)之間設(shè)電氣聯(lián)鎖,任何情況下只能合其中的兩個開關(guān)。

分段單母線的主接線方式簡單清晰,設(shè)備較少,操作方便,占地少,也便于擴(kuò)建和采用成套配電裝置。當(dāng)一段母線發(fā)生故障,該段斷路器自動將故障段切除,保證正常母線不間斷供電,不致重要負(fù)荷停電,非常適用于具有兩路電源線路,一、二回路轉(zhuǎn)送線路和2臺變壓器的變電所。依據(jù)GB 50053—2013《20 kV及以下變電所設(shè)計規(guī)范》[3]第3.2.1條,配電所、變電所的高壓及低壓母線宜采用單母線或分段單母線接線。因此,該項(xiàng)目變壓器高低壓側(cè)采用分段單母線接線是合理的。分段單母線接線如圖1所示。

2 變壓器容量選擇

該車間有大量的二級負(fù)荷,所以變配電室宜裝設(shè)2臺變壓器。正常運(yùn)行時,2臺變壓器同時運(yùn)行,各承擔(dān)全部負(fù)荷的50%,以保證變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。裝有2臺及以上變壓器的變電所,當(dāng)任意一臺變壓器斷開時,其余變壓器的容量應(yīng)能滿足全部一級負(fù)荷、二級負(fù)荷的用電[3]。變壓器的容量一般根據(jù)投入運(yùn)行5～10 a的預(yù)期負(fù)荷來確定,至少留有15%～25%的裕量[1]。

綜上所述,變壓器容量S的確定為下列計算式的最大值。

(1) 正常運(yùn)行時,S=Sc/2β,其中Sc為車間全部負(fù)荷容量,β為負(fù)荷率,一般取0.7。

(3) 考慮預(yù)留時,S=Sc/2σ,其中Sc為車間全部負(fù)荷容量,σ為預(yù)留量,一般取0.75～0.85。

該車間二級負(fù)荷為1 100 kVA,三級負(fù)荷為660 kVA,經(jīng)過以上計算和比較,選擇2臺容量為1 250 kVA的變壓器。

3 變壓器低壓側(cè)斷路器的選擇

3.1 斷路器殼架等級的額定電流

變壓器低壓側(cè)斷路器殼架等級的額定電流一般按照IrQ≥Irt≥Ic選擇,其中IrQ為斷路器殼架等級的額定電流,Irt為反時限過電流脫扣器的額定電流,Ic為線路的計算負(fù)荷電流。IrQ和Irt不能選得太小,考慮變壓器的過負(fù)荷能力和線路的計算負(fù)荷電流,在工程實(shí)際應(yīng)用時變壓器低壓側(cè)總斷路器殼架等級的額定電流不宜小于變壓器額定容量的2倍。因此,該車間選擇的變壓器容量為1 250 kVA,IrQ最好選為2 500 A。

3.2 斷路器分?jǐn)嗄芰x擇

根據(jù)文獻(xiàn)[1]第11章第1節(jié),分?jǐn)嗄芰Σ粦?yīng)小于保護(hù)電器安裝處的預(yù)期短路電流。因此,變壓器低壓側(cè)總斷路器分?jǐn)嗄芰Φ拇_定首先需要計算變壓器低壓側(cè)的短路電流。短路電流計算電路如圖2所示,要確定k點(diǎn)處的短路電流。在實(shí)際工程設(shè)計時,有許多未知數(shù)阻礙短路電流的計算,下面推導(dǎo)短路電流的估算公式,可以簡便有效地計算出變壓器低壓側(cè)的三相短路電流。

圖2 短路電流計算電路

同樣根據(jù)文獻(xiàn)[1]第4章第6節(jié),三相短路電流為

(1)

式中:Un——網(wǎng)路標(biāo)稱電壓,380 V;

c——電壓系數(shù),取1.05;

在變壓器低壓側(cè)短路時,不考慮總電阻Rk,總電抗Xk為系統(tǒng)電抗、變壓器電抗和低壓母線段電抗的和,而實(shí)際工程中系統(tǒng)電抗和低壓母線段電抗的值比變壓器電抗小得多,估算時Xk可取為變壓器電抗XT。因此,式(1)變?yōu)?/p>

(2)

Uc=cUn

式中:uk%——變壓器阻抗電壓占額定電壓的百分?jǐn)?shù);

Sn——變壓器的額定容量。

因此,變壓器低壓側(cè)短路電流估算值Ik的計算公式如下:

(3)

式中:In——變壓器低壓側(cè)額定電流。

該車間變壓器選擇的參數(shù):10/0.4 kV,Dyn11接線,1 250 kVA,uk%=6%,高壓側(cè)系統(tǒng)短路容量為300 MVA,低壓母線選擇LMY-3×[2×(100×10)]+ 100×10。根據(jù)低壓短路電流的計算方法,計算出變壓器低壓側(cè)的短路電流為28.22 kA。而采用式(3)估算出變壓器低壓側(cè)的短路電流為30 kA。變壓器電抗XT

在石化企業(yè)項(xiàng)目中,大部分負(fù)載是電動機(jī)類負(fù)載,而且個別電動機(jī)功率大,離變壓器的距離并不遠(yuǎn)。根據(jù)GB 50054—2011《低壓配電設(shè)計規(guī)范》[4]第3.1.2條,當(dāng)短路點(diǎn)附近所接電動機(jī)額定電流之和超過短路電流的1%時,應(yīng)計入電動機(jī)反饋電流的影響。根據(jù)文獻(xiàn)[1]第4章第4節(jié),電動機(jī)對短路電流的影響中由n臺異步電動機(jī)提供的反饋電流周期分量初始值計算公式如下:

IM=ΣKstMIrM·10-3

式中:KstM——電動機(jī)反饋電流倍數(shù),可取6～7;

IrM——電動機(jī)額定電流。

在該車間內(nèi)有4臺高壓泵(均為110 kW),按上述公式計算,IM=4.9 kA,顯然超過短路電流的1%。計入電動機(jī)反饋電流后總的三相短路電流周期分量初始有效值為30+4.9=34.9 kA,即采用34.9 kA來選擇斷路器的分?jǐn)嗄芰Α?/p>

在工程設(shè)計中,變壓器低壓側(cè)總斷路器的分?jǐn)嗄芰?yīng)選得稍大些,即在短路電流的基礎(chǔ)上再考慮一定裕量(如1.5左右),盡量減少總斷路器的更換,以免造成設(shè)備停電。變壓器低壓側(cè)總斷路器的選擇如表1所示。

3.3 斷路器的保護(hù)整定值

變壓器低壓側(cè)總斷路器過負(fù)荷長延時整定值應(yīng)與變壓器允許的正常過負(fù)荷能力相適應(yīng)。如果過負(fù)荷長延時整定值小,變壓器容量還沒有充分利用就跳閘,浪費(fèi)變壓器容量。如果過負(fù)荷長延時整定值大,超出變壓器的過負(fù)荷能力,影響變壓器的使用壽命。在工程設(shè)計中,長延時過電流脫扣器整定電流宜取為1.1～1.3倍的變壓器低壓側(cè)額定電流,其整定值可參考表1。

表1 變壓器低壓側(cè)總斷路器的選擇

注:表中數(shù)據(jù)僅供參考,以廠家提供的斷路器參數(shù)為準(zhǔn)。

變壓器低壓側(cè)總斷路器的短延時過電流保護(hù)的整定值一般取3～5倍的長延時整定值。在設(shè)計中一般會取4倍的長延時整定值,可是該倍數(shù)不是固定的,而是取值越小,保護(hù)動作會越靈敏,所以倍數(shù)還要根據(jù)實(shí)際情況取值。一般,在分支出線回路的長延時和瞬時整定值都不大時,取3倍。在該石化項(xiàng)目中設(shè)備多且大小不一,所以取4倍更合理,即長延時整定值取2 200 A,短延時整定值取8 800 A。而且為了滿足保護(hù)電器上下級間的選擇性,該短延時整定值還要不小于下級最大斷路器瞬時動作整定電流的1.2倍。

變壓器低壓側(cè)總斷路器一般不設(shè)置瞬時過電流保護(hù)。因?yàn)樽儔浩鞯蛪簜?cè)總斷路器與各分支出線回路的保護(hù)電器都裝在配電室的低壓配電柜內(nèi),發(fā)生短路和接地故障的概率非常小。如果設(shè)置瞬時過電流保護(hù),某分支出線回路故障時,會導(dǎo)致斷路器不能選擇性動作。

4 結(jié) 語

結(jié)合某石化企業(yè)內(nèi)脫鹽水處理車間項(xiàng)目,對變配電設(shè)計中的主接線方式、變壓器容量選擇方法、低壓斷路器選型等進(jìn)行介紹,變配電設(shè)計完全滿足國家規(guī)范的要求,對相似項(xiàng)目的設(shè)計具有借鑒意義。

[1]任元會.工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊[M].3版.北京:中國電力出版社,2005.

[2]供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范:GB50052—2009[S].

[3]20kV及以下變電所設(shè)計規(guī)范:GB50053—2013[S].

[4]低壓配電設(shè)計規(guī)范:GB50054—2011[S].