制冷站供配电方案设计

2018-12-04吴凡

智能建筑电气技术 2018年4期

吴凡

(广州市住宅建筑设计院有限公司北京分公司，北京 100022)

0 引言

随着社会经济的快速发展，建筑物规模体量不断增大，大容量冷水机组使用率也因此越来越高。在大型制冷站中的众多设备中，冷水机组容量相对较大，一套合理的供配电方案在满足制冷站可靠运行的前提下，做到最大程度上的投资节约是设计中需要考虑的问题。本文以一实际超高层建筑的制冷站为例，统计了制冷站内各类设备的容量，对比了几种负荷计算方法，校验了设备启动时母线的电压降，分析了高压继电保护整定方法、低压主开关的选择依据，以及阐述了变压器容量选择的方案。

1 项目概况

本项目为一超高层建筑。该建筑业态为办公，建筑面积8.1万m2。地下共4层，核心筒外为地下车库范围。地上共44层，其中，1层为大堂，2～7层核心筒外为商业裙房范围，8～42层为办公区域(其中9、20、31层为避难层)，43、44层仅有核心筒区域(为设备用房)。制冷站位于地下二层，采用4台冷冻机组作为冷源。冷却塔设置在裙楼屋面。

2 设备容量统计及负荷计算

本工程制冷设备容量如表1所示。其中制冷站内设备容量为3 624kW。表1中的冷却塔风机、冷却塔补水泵不在地下二层的制冷站中，考虑到功能的一致和完整，将其与制冷站内设备一起配电。表1中不包含平时不使用的备用设备。

设备容量表表1

2.1 需要系数法

依据《工业与民用供配电设计手册》(第4版)第10页，各设备组需要系数Kd取0.8，变压器低压侧各设备组之间同时系数K∑p取0.85。

经计算变压器低压侧计算功率Pjs=K∑p×∑ (Kd×Pe)=1 859.7kW。

2.2 二项式法

依据《钢铁企业电力设计手册》(上册)第99页：式2-14：Pjs=(cPn)max+∑bPs，其中，Ps为设备组设备功率，Pn为设备组找那个功率最大的n台设备之和。对于泵、通风机、空气压缩机等设备组，c=0.25,b=0.65,n=5。当设备组内台数x<2n时，取n=x/2。

故经计算，Pjs=(0.25×2×426)+0.65× 2 734=1 991kW。

2.3 利用系数法

依据《工业与民用供配电设计手册》(第4版)第15页，对于泵、通风机、空气压缩机的利用系数Ku=0.55。平均利用系数Kut=0.55。∑Pav=1504；neq=9.4；Km=1.16。

故经计算，Pjs=Km×∑Pav=1.16×1 504=1 745kW。

2.4 结果及对比分析

由以上计算结果可知，三种方法结果基本一致。

如选取两台1 250kVA的变压器，三种计算方法下的变压器负载率分别为：80.8%，86.6%，75.9%。基本符合规范对变压器负载率的要求(此处假定变压器功率因数补偿到0.92)。

对比可知，需要系数法计算过程最为简便，但系数选取会有一定主观差异，特别是在设备容量差异较大的情况下。二项式法计算过程比较简便，适合于设备台数较多、设备容量差异较大的情况。利用系数法计算过程较为繁琐，但避免了需要系数法中系数选取的问题。

3 设备启动时电压相对值校验

本工程制冷机组容量较大，且不属于重载启动，因此对启动转矩的要求不高。可以采用常用的星-三角启动方式。

3.1 关于设备端子及母线电压相对值的规定

根据GB 50055-2011《通用用电设备配电设计规范》第2.2.1条：电动机启动时，其端子电压应能保证机械要求的启动转矩，且在配电系统中引起的电压波动不应妨碍其他用电设备的工作。

(1)为保证本台设备可靠启动，端子电压相对值应符合如下公式指标。依据《工业与民用供配电设计手册》(第4版)第480页。

1)设备采用直启方式时，端子电压相对值应满足:

2)设备采用星三角启动方式时，mstM(即启动转矩相对值)为直接启动时的0.33倍。所以，端子电压相对值应满足:

(2)为保证本台设备启动时，引起的电压波动不妨碍其他用电设备的工作，GB 50055-2011第2.2.2条规定了各类情况下的母线电压相对值指标。本工程配电母线上未接照明或其他队电压波动较敏感的负荷，适用于第2.2.2条第2款。故要求母线电压不低于额定电压的80%。

3.2 校验(计算)示例

3.2.1 本工程已知电气条件

(1) 厂家样本提供数据：冷冻机组额定功率P=426kW；满载电流I=721A；电机额定功率PrM=552kW；电机额定电流IrM=954A；电机额定容量SstM=0.629 6MVA；星型接线时启动电流Ist(Y)= 1 481A；启动容量SstM(Y)=0.977 5MVA；三角型接线时启动电流(直启)Ist(Δ)=4 443A；启动容量SstM(Δ)=2.932 4MVA。

(2)其他已知数据条件：本工程开闭站处最小短路容量Sk(开闭站)min=81.44MVA。

根据上文容量计算，拟采用两台SrT=1 250kVA 变压器。uT=6%。

3.2.2 校验(计算)过程

(1)查表法估算是否可以直接启动

依据《工业与民用供配电设计手册》(第4版)第486页，表6.5-7。按变压器一次侧短路容量Sk指标查表，本电机功率PrM<0.03Sk，可以全压启动(直启)。按变压器额定容量SrT指标查表，本电机功率PrM>0.3SrT，不可以全压启动(直启)。

因表格所列数据为估算值，要符合所有情况，相对保守，本例中的数据又接近表中的上限值，所以应具体计算来确定结果。

(2)公式计算法

1)变压器低压侧铜母线型号：TMY-3[2(100×10)]+2(100×10),长度约5m。

r铜母线=0.011mΩ/m,x铜母线=0.116mΩ/m

z铜母线=0.11652mΩ/m，Z铜母线=

z铜母线×l=0.000583Ω

2)馈线采用1 000A母线槽，长度约30m。

r母线槽=0.056mΩ/m,x母线槽=0.027mΩ/m

z母线槽=0.062mΩ/m，Z母线槽=z母线槽×l=0.00186Ω

3)变压器(除本机组外)的其他负荷的无功功率

Qfh=Pfh×tanφ=941×0.484=0.4554MVar

4) 变压器低压侧短路容量

星型接线启动时：Sst(Y)=0.9616MVA；直启时：Sst(Δ)=2.794MVA

星型接线启动时：ustm(Y)=94.66% > 80%；符合母线电压要求。

直启时：ustm(Δ)=85.92% > 80%；符合母线电压要求。

星型接线启动时：ustM(Y)=93.1% > 81.24%；符合电机启动要求。

直启时：ustM(Δ)=81.86% > 41.69%；符合电机启动要求。

由以上计算分析可知：本工程冷冻机组的两种启动方式都满足要求。

3.3 结果分析

通过计算过程可知，影响母线及设备端子电压相对值的因素有：(1)变压器一次侧短路容量；(2)变压器的容量及阻抗百分数；(3)电动机的启动容量；(4)线缆阻抗；(5)母线上其他设备的无功功率。

以上几个因素中，第2、3、4条是可以在设计中调整的。其中，通过降低电动机启动容量是最常用的方法，即星三角启动、软启动等。此外，还可以通过增加变压器容量来改善电压降。(在本例中，若变压器提高一级容量为1 600kVA，直接启动时母线电压相对值ustm(Δ)=88.03%；仅比原先的85.92%提高了约两个百分点。可见此方法改善电压降的效果并不明显，且提高了变压器规格和增加了报装容量，一次投资有所增加。)

另外，通过增加线径改变电缆阻抗的方法也能调整电压降，但此方法成本很高且效果亦不明显，在此不再讨论。