城市轨道交通车站制冷机组的配电设计

2018-04-24夏璐璐

现代建筑电气 2018年1期

何进, 夏璐璐

(中铁二院华东勘察设计有限责任公司, 浙江杭州 310004)

0 引言

目前,在工民建、城市轨道交通工程中380 V/3 Ph/50 Hz的冷水机组应用比较广泛,同时在市中心区域车站陆续采用位于车站内部不突出地面的蒸发冷凝机组。

对于制冷机组,额定负载电流(Rated Load Amperes,RLA)通常指机组的额定电流,对应特定的产品型号,该参数指机组在额定工况(名义工况)下制冷工况满负荷状态时的输入电流(名义电流)。满负荷电流(Full Load Amperes,FLA)则为机组电机在满载运行情况时的电流值,用来代表最大运行电流的规定值[1]。

机组的RLA总是小于或等于FLA[2],但城市轨道交通车站制冷机组(冷水机组及蒸发冷凝机组)装机容量通常比较大,又是低压配电系统,城市轨道交通车站的现场工况往往无法满足额定工况条件,而导致机组实际运行电流超过(甚至远超过)RLA。本文对此进行探讨,旨在明确满足现场工况的、合理化的城市轨道交通车站制冷机组配电设计方法。

1 配电线缆选型原则

1.1 配电线缆选型一般方法

为避免城市轨道交通车站制冷机组的运行故障,根据实践经验,配电线缆的设计一般遵循以下原则:三相回路每相线径和长度须保持一致,防止相间不平衡;接入控制柜和电机的导线必须是铜质的;电线、缆截面积应经过载流量、电压降和热稳定性校验[3-4]。

(1) 载流量校验。载流量校验应满足:

IB≤In≤Iz

(1)

式中:IB——回路计算电流;

In——熔断器熔体额定电流/断路器额定电流或整定电流;

Iz——导体允许持续载流量。

(2) 电压降校验[3-4]。电压降校验应满足:

ΔU%=ΔUa%IBl≤5%

(2)

式中: ΔU%——线路电压损失百分数;

ΔUa%——三相线路每1 A·km的电压损失百分数;

IB——回路计算电流;

l——回路线缆长度。

(3) 热稳定性校验[3]。热稳定性校验应满足:

(3)

式中:S——导体截面积;

t——持续时间;

I——预期短路电流交流均方根值;

k——计算系数。

1.2 校验实例

某台制冷机组380 V/3 Ph/50 Hz的额定运行电流为170 A,实际运行最大电流为275 A,配电线路长度约为100 m,功率因数为0.6,短路故障最长持续时间为0.25 s,车站配电变压器容量为1 250 kVA(为简化计算,代入配电变压器母线出口预期短路电流交流均方根值)。

上述原则为根据RLA选取配电线缆截面的主要原则。由于实际现场机组运行工况有较大可能超出设计额定工况,导致实际运行最大电流超出RLA时较多,影响配电线缆选型和继电保护配置的可靠性,建议设计人员在进线线缆选型时结合工程造价实际,考虑包容最大运行电流的电缆截面,且适当留有余量。

根据上述数据,查阅文献[3]可知,机组配电线缆采用WDZB-YJY23-时,3种不同截面配电线缆校验如表1所示。

表1 3种不同截面配电线缆校验

实际设计选型时,结合电缆载流量包容情况和工程造价实际情况,可分别排除WDZB-YJY 23-4×120+1×70与WDZB-YJY 23-4×185+1×95截面电缆,故WDZB-YJY 23-4×150+1×95截面电缆是较合理的选择。

2 上下级继电保护配置

2.1 城市轨道交通工程继电保护配置

城市轨道交通工程环境情况复杂,实际工况通常难以满足额定工况运行,机组运行电流一般在0～RLA区间,有时会偏离至RLA～FLA区间运行。

为保护电机和配电线缆,制冷机组一般设定电流过载保护Ir,以限制机组在RLA～FLA区间运行的电流值,城市轨道交通车站变电所低压馈线断路器也设置电流过载保护Iset1,以保护机组进线电缆,按上下级匹配的关系,Iset1应大于Ir,但实际城市轨道交通工程中,机组设备基本为设备厂家自带保护电器,与设计院、施工单位及业主沟通不够充分,若Iset1和Ir设定不当,会存在无法保护配电线缆和保护越级跳闸(直接越级跳车站变电所馈线断路器)的风险。

相较于冷水机组,制冷机组中蒸发冷凝机组由于采用风冷,实际运行时电流更大,在配电线缆选型和上下级继电保护配置方面相矛盾。

2.2 继电保护分析实例

以某城市轨道交通线路施工配合过程中一座车站的蒸发冷凝机组跳闸故障现场为例,进行配电线缆选型优化和上下级继电保护配置设计。

故障现场条件:一台蒸发冷凝机组380 V/3 Ph/50 Hz,额定运行电流为170 A,实际运行最大电流为275 A(偏离超出额定工况最大时),起动电流为500 A,持续2～3 s,配线电缆选取WDZB-YJY 23-4×120+1×70截面电缆(满足上述配电电缆选型原则,但不是最合理选择),配线长度约为100 m,短路故障最长持续时间约为0.25 s,车站配电变压器容量1 250 kVA,车站变电所蒸发冷凝机组馈线开关为3VL400N400 ETU22/3P,长延时Iset1设定值为280 A(反时限曲线,时间不可调),短路短延时Iset2设定值为1 680 A(脱扣时间0.2 s),短路瞬动Iset3为4 400 A(固定值不可调),受上下级断路器功能限制,现场无故障原因显示。

故障分析按照断路器的四段保护功能逐一核查。

(1) 单相接地短路功能跳闸引起?现场巡视多次,检测多次,基本可以排除。

(2) 短路瞬时功能跳闸引起?下级断路器短路瞬时设定值为2 000 A,没有跳闸,基本可以排除。

(3) 短路短延时功能跳闸引起?在厂家提供的样本中,星三角转换起动时的峰值电流数据如下:TT压缩机,切换电流约为1 100 A;TU压缩机,切换电流为1 210 A;TV压缩机,切换电流1 250 A。此测试数据基于GB额定工况,如果工况不同(高水温),可能还会略大。从继电保护的原则看,Iset2=1 680 A,大于TT、TU、TV压缩机对应电流的1.3倍以上[5],基本可以排除是由于短路短延时功能跳闸引起的。压缩机星三角切换峰值电流波形如图1所示。

图1 压缩机星三角切换峰值电流波形

(4) 长延时(过载)功能跳闸引起?在厂家提供的样本中,实际最大功率为160 kW,实际运行最大电流为275 A,起动电流为500 A,持续2～3 s,车站变电所长延时整定值Iset1=280 A,在恶劣工况(偏离超出额定工况最大)时,两个电流很接近,确实可能会引起跳闸!

查阅厂家设置值,下级机组进线小型断路器(MCB)电流为315 A,软件控制电流设定值为280A,均小于车站变电所馈线断路器的长延时Iset1整定值,而Iset1的设定是根据3VL400N400 ETU22/3P断路器样本完成,在满足保护WDZB-YJY 23-4×120+1×70截面电缆(载流量理论值取系数后为294 A)的条件下设置。

2.3 继电保护设置优化方案

结合故障情况,各方协商后,处理方案如下:

(1) 增大机组配电线缆截面到4×150+1×95(载流量理论值取系数后为327 A)。

(2) 调整车站变电所馈线断路器的长延时Iset1整定值,调整增大为320 A,下一级进线整定电流按断路器脱扣误差系数1.2要求,不得大于266 A。

(3) 车站动力照明专业按额定电流的1.4倍(严酷情况下按1.2倍)进行提资校验,令厂家机组进线开关长延时Irj设定值调整为252 A,软件控制电流设定值可稍大(双重保障),为260 A。

(4) 同车站变电所专业根据上下级匹配关系,通过SIMARIS curves 4.0软件校验,完成机组设备端和车站变电所侧继电保护配置优化设计。

针对出现车站变电所蒸发冷凝机组配电回路跳闸故障所在某城市轨道交通线路,按照上述处理方案步骤,对全线其他车站进行梳理,厂家重新出具机组回路的继电保护设定,车站变电所专业也重新出具整定值计算书,线缆型号选择和继电保护整定配置如表2所示。

3 建议

表2 线缆型号选择和继电保护整定配置

(1) 选择制冷机组配电线缆在满足载流量、电压降、热稳定性校验的情况下,可基于机组铭牌上的RLA电流,根据RLA确定隔离开关、MCB及控制柜的相关参数。电气工程师要求按照电机的FLA设计也是合理的,这样会有更大的安全余量。按照RLA设计配电线缆通常可以节省一定的费用,但不能保证可以满足全工况要求和继电保护的上下级匹配要求,建议综合考虑制冷的实际运行工况做出精细化设计。

(2) 制冷机组的车站变电所配电回路建议选择具有宽阔的电流和时间调节范围的选择性低压断路器开关,以利于电气设计人员在继电保护上下级匹配设计校核。