石化企业中脱盐水项目变配电设计

2018-04-24刘哲

现代建筑电气 2018年3期

关键词：电抗额定电流延时

刘哲

(中海油天津化工研究设计院有限公司, 天津 300131)

0 引言

在石化项目中,厂区面积大,不同的生产工艺分布在不同的区域,负荷分布相对分散。在变配电设计的过程中,设计人员通常依据装置负荷的大小和负荷至主变电所的距离选用主变电所和变配电室相结合的设计方案[1]。

本文结合某石化企业脱盐水项目,对变配电的主接线方式、变压器容量选择方法、低压断路器选型等工程设计中涉及的重要电气设计问题进行详细阐述。

1 配电系统主接线设计

某石化企业脱盐水处理车间的二级负荷为1 100 kVA,三级负荷为660 kVA,且距离主变电所较远,此车间采用来自企业内主变电所的10 kV电源作为进线。依据GB 50052—2009《供配电系统设计规范》[2]第3.0.7条,二级负荷的供电系统宜由两回路供电,在负荷较小或地区供电条件困难时,二级负荷可由一路6 kV及以上专用的架空线路供电。因此,车间高压侧采用两路10 kV电源电缆供电,穿管埋地引入脱盐水处理车间变配电室高压进线柜,作为正常工作电源。两路10 kV电源采用单母线分段接线,平时单母线分段运行,当一路电源故障时,另一路电源承担全部负荷。

变压器低压侧采用单母线分段方式运行,设置母联开关,联络开关设自投自复/手动转换开关。自投时应自动断开三级负荷,以保证变压器正常工作;主进线开关与联络开关之间设电气联锁,任何情况下只能合其中的两个开关。

分段单母线的主接线方式简单清晰,设备较少,操作方便,占地少,也便于扩建和采用成套配电装置。当一段母线发生故障,该段断路器自动将故障段切除,保证正常母线不间断供电,不致重要负荷停电,非常适用于具有两路电源线路,一、二回路转送线路和2台变压器的变电所。依据GB 50053—2013《20 kV及以下变电所设计规范》[3]第3.2.1条,配电所、变电所的高压及低压母线宜采用单母线或分段单母线接线。因此,该项目变压器高低压侧采用分段单母线接线是合理的。分段单母线接线如图1所示。

2 变压器容量选择

该车间有大量的二级负荷,所以变配电室宜装设2台变压器。正常运行时,2台变压器同时运行,各承担全部负荷的50%,以保证变压器的经济运行。装有2台及以上变压器的变电所,当任意一台变压器断开时,其余变压器的容量应能满足全部一级负荷、二级负荷的用电[3]。变压器的容量一般根据投入运行5～10 a的预期负荷来确定,至少留有15%～25%的裕量[1]。

综上所述,变压器容量S的确定为下列计算式的最大值。

(1) 正常运行时,S=Sc/2β,其中Sc为车间全部负荷容量,β为负荷率,一般取0.7。

(3) 考虑预留时,S=Sc/2σ,其中Sc为车间全部负荷容量,σ为预留量,一般取0.75～0.85。

该车间二级负荷为1 100 kVA,三级负荷为660 kVA,经过以上计算和比较,选择2台容量为1 250 kVA的变压器。

3 变压器低压侧断路器的选择

3.1 断路器壳架等级的额定电流

变压器低压侧断路器壳架等级的额定电流一般按照IrQ≥Irt≥Ic选择,其中IrQ为断路器壳架等级的额定电流,Irt为反时限过电流脱扣器的额定电流,Ic为线路的计算负荷电流。IrQ和Irt不能选得太小,考虑变压器的过负荷能力和线路的计算负荷电流,在工程实际应用时变压器低压侧总断路器壳架等级的额定电流不宜小于变压器额定容量的2倍。因此,该车间选择的变压器容量为1 250 kVA,IrQ最好选为2 500 A。

3.2 断路器分断能力选择

根据文献[1]第11章第1节,分断能力不应小于保护电器安装处的预期短路电流。因此,变压器低压侧总断路器分断能力的确定首先需要计算变压器低压侧的短路电流。短路电流计算电路如图2所示,要确定k点处的短路电流。在实际工程设计时,有许多未知数阻碍短路电流的计算,下面推导短路电流的估算公式,可以简便有效地计算出变压器低压侧的三相短路电流。

图2 短路电流计算电路

同样根据文献[1]第4章第6节,三相短路电流为

(1)

式中:Un——网路标称电压,380 V;

c——电压系数,取1.05;

在变压器低压侧短路时,不考虑总电阻Rk,总电抗Xk为系统电抗、变压器电抗和低压母线段电抗的和,而实际工程中系统电抗和低压母线段电抗的值比变压器电抗小得多,估算时Xk可取为变压器电抗XT。因此,式(1)变为

(2)

Uc=cUn

式中:uk%——变压器阻抗电压占额定电压的百分数;

Sn——变压器的额定容量。

因此,变压器低压侧短路电流估算值Ik的计算公式如下:

(3)

式中:In——变压器低压侧额定电流。

该车间变压器选择的参数:10/0.4 kV,Dyn11接线,1 250 kVA,uk%=6%,高压侧系统短路容量为300 MVA,低压母线选择LMY-3×[2×(100×10)]+ 100×10。根据低压短路电流的计算方法,计算出变压器低压侧的短路电流为28.22 kA。而采用式(3)估算出变压器低压侧的短路电流为30 kA。变压器电抗XT

在石化企业项目中,大部分负载是电动机类负载,而且个别电动机功率大,离变压器的距离并不远。根据GB 50054—2011《低压配电设计规范》[4]第3.1.2条,当短路点附近所接电动机额定电流之和超过短路电流的1%时,应计入电动机反馈电流的影响。根据文献[1]第4章第4节,电动机对短路电流的影响中由n台异步电动机提供的反馈电流周期分量初始值计算公式如下:

IM=ΣKstMIrM·10-3

式中:KstM——电动机反馈电流倍数,可取6～7;

IrM——电动机额定电流。

在该车间内有4台高压泵(均为110 kW),按上述公式计算,IM=4.9 kA,显然超过短路电流的1%。计入电动机反馈电流后总的三相短路电流周期分量初始有效值为30+4.9=34.9 kA,即采用34.9 kA来选择断路器的分断能力。

在工程设计中,变压器低压侧总断路器的分断能力应选得稍大些,即在短路电流的基础上再考虑一定裕量(如1.5左右),尽量减少总断路器的更换,以免造成设备停电。变压器低压侧总断路器的选择如表1所示。

3.3 断路器的保护整定值

变压器低压侧总断路器过负荷长延时整定值应与变压器允许的正常过负荷能力相适应。如果过负荷长延时整定值小,变压器容量还没有充分利用就跳闸,浪费变压器容量。如果过负荷长延时整定值大,超出变压器的过负荷能力,影响变压器的使用寿命。在工程设计中,长延时过电流脱扣器整定电流宜取为1.1～1.3倍的变压器低压侧额定电流,其整定值可参考表1。

表1 变压器低压侧总断路器的选择

注:表中数据仅供参考,以厂家提供的断路器参数为准。

变压器低压侧总断路器的短延时过电流保护的整定值一般取3～5倍的长延时整定值。在设计中一般会取4倍的长延时整定值,可是该倍数不是固定的,而是取值越小,保护动作会越灵敏,所以倍数还要根据实际情况取值。一般,在分支出线回路的长延时和瞬时整定值都不大时,取3倍。在该石化项目中设备多且大小不一,所以取4倍更合理,即长延时整定值取2 200 A,短延时整定值取8 800 A。而且为了满足保护电器上下级间的选择性,该短延时整定值还要不小于下级最大断路器瞬时动作整定电流的1.2倍。

变压器低压侧总断路器一般不设置瞬时过电流保护。因为变压器低压侧总断路器与各分支出线回路的保护电器都装在配电室的低压配电柜内,发生短路和接地故障的概率非常小。如果设置瞬时过电流保护,某分支出线回路故障时,会导致断路器不能选择性动作。