长距离低压水泵配电设计探讨

2020-07-20杜永帮

智能建筑电气技术 2020年3期

关键词：潜水泵稳压器断路器

王义，杜永帮

(深圳市市政设计研究院有限公司，深圳518029)

0 引言

由于某些工程项目特殊性，一些用电设备距离低压配电中心较远，给配电造成一定困难。本文结合工程实际，以综合管廊排水用潜水泵配电设计为例，探讨分析长距离低压配电设计一些关键问题。

1 工程案例

某市轨道交通共建管廊工程，管廊总长度约40km，一部分采用明挖法，大部分采用暗挖法的盾构型式。入廊管线有给水、再生水、污水、燃气、电力、通讯等。盾构管廊每隔1～1.6km 设置一座综合井。盾构管廊最大埋深达40m，综合舱内有1.2 ～1.8m 直径不等的给水干管。由于给水管道在始发综合井内突然下沉较深，水锤现象严重，为防止水锤产生的爆管淹没管廊，在给水管道爆管时，关闭综合井内管道两端检修阀，同时打开排泥放空阀，并按照水务部门要求，在4h 内排空管廊事故水，相应设置的潜水泵功率较大，配电距离较远。

在两个综合井之间最低点设置泵坑，潜水泵功率为75kW，距离综合井内变配电所500m。潜水泵电动机主要参数如表1。

潜水泵主要参数表表1

供配电系统设计为在每座综合井内设置10/0.4kV 降压变配电所，为综合井内及两端半个区间负荷配电；变电所设置一台SCB13- 10/0.4kV，630kVA，D，yn11 (Uk＝4%)变压器，低压母线TMY-4 (80×8)＋1 (50×5)，母线长5m，系统短路容量Sd＝200MVA；变压器低压侧采用单母线接线方式，接地形式为TN-S 系统。

2 电动机起动方式

电动机起动目前主要有以下几种常用方式，各个起动方式技术经济比较优缺点如下。

(1)直接起动:优点是不需要增加辅助起动设备，减少了投资。缺点是75kW 电机起动电流较大，一般是额定电流的7 倍，对电网冲击较大。对于容量较大电机，一般不予采用。

(2)Y-Δ 降压起动:优点是价格便宜，缺点是起动力矩小，仅适用于无载或轻载起动。起动电流是直接启动电流的1/3，自动化水平低。

(3)软启动器起动:优点是可以设置启动时间和起动初始力矩对设备实现软启动与软停止，自动化水平较高，市政行业使用广泛。缺点是不具备调速功能，起动电流2 倍左右，价格稍高。

(4)变频器起动:根据设定时间平滑启动，起动电流倍数可低至1 倍，一般为1.2 ～1.5 倍，自动化水平高，能实现电机全程控制，市政行业使用广泛。缺点是价格较高。

3 配电方案

配电方案的选择除了考虑电动机起动方式外，还要考虑以下几个主要因素:(1)线路末端电压降；(2)开关动作灵敏度；(3)电缆载流量。

3.1 常规方式(线路上不设置任何改变电压的装置)

3.1.1 线路末端电压降校验

由于配电距离较长，要对线路末端电压降进行校验，按照规范要求潜水泵电机两端电压降应不大于5%。线路电压降计算公式为:

则ΔUa%≤ΔU%/IL，其中，ΔU%＝5%，回路计算电流:I＝135.3A，L ＝500m＝0.5km，带入上式得ΔUa%≤0.074。查参考文献，配电电缆选择交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套电力电缆，最小截面为185mm2，功率因数cosφ ＝0.9，ΔUa%＝0.064。潜水泵电机两端电压降:ΔU%＝0.064×135.3×0.5 ＝4.33%≤(允许值)5%，满足电压降要求。

电缆按照环境和温度系数综合校正后的载流量，要大于供电电缆起始端断路器脱扣器长延时整定电流值。回路计算电流值为135.3A，故变电所处潜水泵回路断路器脱扣器长延时整定电流为160A，选用交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套铜芯电力电缆YJV-0.6/1kV-3×185＋1×95mm2，校正后电缆载流量为303A，满足载流量要求。

3.1.2 开关动作灵敏度校验

潜水泵配电线路保护有过载保护、短路保护及接地故障保护。短路包括三相短路、两相短路、相中短路及单相接地短路故障。其中单相短路接地故障电流最小，开关整定值范围内不容易动作。故本文只校验单相接地故障情况下开关动作灵敏度。其他短路情况校验方法类似。

图1 线路末端单相接地故障等效电路简图

单相接地故障电流要按照“相-保回路”进行计算。当线路最末端发生单相接地故障(如图1 中k1) 时，该相-保回路中，主要有高压系统、变压器、低压母线、低压电缆四种阻抗元件，单相接地故障电流为:

式中，Zphp为回路总阻抗，Rphp为回路各元件相保电阻之和，即Rphp＝Rphp.s＋Rphp.t＋Rphp.m＋Rphp.l；Xphp为回路各元件相保电抗之和，即Xphp＝Xphp.s＋Xphp.t＋Xphp.m＋Xphp.l。其中的Rphp.s、Rphp.t、Rphp.m、Rphp.l，分别为前述的高压系统、变压器、低压母线、低压电缆之相保电阻(Xphp含义类此，不重述)。查参考文献，就本工程实例进行相关计算可得:

从上面压降计算结果得知，潜水泵回路计算电流I＝135.3A，Ir1＝160A。断路器动作灵敏度为:

其中，Ir1为断路器脱扣器长延时整定电流值；Ir2为断路器短路过电流脱扣器的整定电流值；Kr为断路器过电流脱扣器整定倍数。代入上面公式(3)，得Kr≤934/(1.3×160)＝4.5 倍。因此，断路器过电流脱扣器整定值≤4.5 倍长延时整定电流，才能满足单相接地故障情况下，断路器灵敏动作。

3.1.3 不同起动方式下配电电缆选择及开关整定

电机在不同起动方式下，电缆截面的选择除满足载流量大于回路计算电流外，还要满足正常运行情况下末端电压降要求。断路器保护整定分为过载长延时电流整定、短路短延时过流整定及短路瞬时过流整定。过载长延时电流整定值按脱扣器电流不小于回路计算电流1.05 倍整定，且不大于电缆载流量；短延时或瞬时过流整定值应按单相接地故障灵敏度计算值确定。其中，短延时过流整定值尚应不小于起动电流1.8 倍，瞬时过电整定值尚应不小于起动电流2.2 倍。常规方式时，不同起动方式下电缆和开关整定见表2。

不同起动方式下电缆和开关整定表2

3.2 线路末端设置稳压器

稳压器一般由调压电路、控制电路、铜芯线圈调压柱、稳压补偿线圈及伺服电机等组成。当输入电压或负载变化时，控制电路进行取样、比较、放大，然后驱动伺服电机转动，使调压器碳刷位置改变，通过自动调整线圈匝数比，从而保持输出电压的稳定。容量较大的稳压器，还采用电压补偿的原理工作；同时稳压器还具有过压、欠压、过载、过流、短路、缺相、相序保护及机械故障等保护功能，配备多种智能接口，可实现远程“遥信、遥测、遥控”。例如某产品稳压器(工作原理图参见图2)输入电压在304～456V 时，输出电压稳定在380V±2%～5%。补偿式稳压器可广泛使用于工矿企业或远距离末端电压低的配电场所，全自动补偿升压稳压。当电网电压不稳或电压波动较大时稳压器可以全自动调节稳压器电压，稳定末端电压为合理值。

稳压器容量一般根据设备电机瞬时启动电流选择。通常为设备容量的2.5 ～3 倍，并留有一定的余量。

通过常规方式计算结果得知，直接按照电压降选择电缆截面较大，很不经济。可以考虑在线路末端设置价格不高的稳压器来提高线路末端电压的方式，达到满足设备末端压降的要求，使电缆截面的选择仅考虑载流量和开关动作灵敏度即可。不仅减小了电缆截面、节约有色金属，还节约投资，提高性价比。

图2 某厂补偿式稳压器工作原理图

3.2.1 按照电缆载流量选择

加装稳压器后，末端线路电压提升则不需考虑压降影响，按照断路器长延时整定电流和电缆载流量选择电缆截面。查参考文献，选择最小电缆截面，交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套铜芯电缆YJV-0.6/1kV-3×95 ＋1×50mm2，校正后电缆载流量为202A，满足载流量要求。

3.2.2 开关动作灵敏度校验

稳压器的阻抗参照 SCB10 - 10/0.4kV，250kVA，D，yn11 (Uk＝4%)变压器考虑，稳压器Rphp.w＝6.17mΩ，Xphp.w＝24.85mΩ。回路总相保电阻Rphp＝410.71mΩ，总相保电抗Xphp＝130.12mΩ。 Ik＝511A，Kr≤511/(1.3×160)＝2.45 倍。因此，断路器过电流脱扣器整定值不大于2.45 倍长延时整定电流，才能满足单相接地故障情况下断路器灵敏动作。

3.2.3 不同起动方式下配电电缆选择及开关整定

通过以上计算，线路末端设置稳压器时，不同起动方式下电缆和开关整定见表3。

表3 不同起动方式下电缆和开关整定

3.3 验证不同电缆截面对单相接地故障电流影响

为便于比较，以配电电缆YJV-0.6/1kV-3×95＋1×50mm2为例，把上述工程实例中电缆分别换用YJV-0.6/1kV-4×95mm2、YJV-0.6/1kV-3×120 ＋1×70mm2、YJV-0.6/1kV-4×120 mm2等不同截面电缆，可求得不同情况下单相接地故障电流(增减百分比均以原YJV-0.6/1kV-3×95＋1×50mm2为比较基准)，见表4。

不同电缆截面时单相接地故障电流表4

可以看出:(1)当配电线路较长时，回路阻抗较大，末端单相短路电流数值较小，不利于线路前端短路保护电器动作。这也是长距离配电设计中值得关注的首要问题。 (2)加大导线截面(尤其是PE线截面)，可以显著增大单相接地故障电流，是提高开关动作灵敏度的首选措施。

综上所述，通过公式(1)(2)(3)得知，线路压降和开关动作灵敏度与配电电缆截面和配电距离有直接关系。而如果配电距离不变，则电缆截面大小是决定性因素。从以上计算结果得知，要满足电压降要求，就要选择比较大的电缆截面，但为了保证经济性，可以考虑在末端设置稳压器，可以满足设备电机两端电压降要求，消除因满足电压降而导致电缆截面急剧增大的影响，还能提高综合性价比。