浅析变压器及低压侧出线开关选型、保护设定值

雷平

摘要：根据实际工程需要选用变压器及低压开关柜，同时考虑经济性，合规性。因此在项目设计过程中要考虑变压器选型，变压器低压侧出线开关电流的计算、配置，按照长延时、短延时和瞬时保护来选择进线开关，同时考虑上下极差配合问题。

关键词：变压器出线开关;框架电路器;长延时、短延时、瞬时保护

1.引言

在不同等级电压的变电所中，会使用各种与电压等级相适应的电气设备，如110kV开关站，110/35kV变压器，35kV开关柜，35/10kV变压器，10kV中压开关柜，10/0.4kV变压器，低压开关柜等，这些电气设备的任务是保证整体电力系统安全、可靠的运行，我们在选择电气设备时，必须考虑电力系统在正常运行和故障状态下的工作情况，根据电气设备在整个电力系统中所处的地位和任务来确定他们的电气参数。电气设备选择的总体原则是保证安全、可靠工作的前提下，适当的留有裕度，力求在满足规范的基础上，尽量在经济上进行节约，本文将结合工程实例，阐述变压器及低压侧开关选型与配置合理性。

1.1变压器的选型

以西里西亚年产3000吨食用液体香精项目设计过程中变压器选型进行浅谈，由于本项目工艺提供的用电设备的负荷等级为三级负荷，并且当地供电部分只提供了一路10kV供电电源。因此为了满足一级负荷应由双重电源供电的要求，本项目采用市电作为主要供电电源，柴油机组作为备用电源，当市电失压或者故障后，要求30秒内自启动柴油发电机组，为项目内主要用电负荷提供电源，下面着重阐述10/0.4kV变压器选型，项目内用电负荷见表1.

本项目采用高压计量低压补偿方式，要求功率因数cosφ≥0.9，无功补偿480kvar，故补偿后的无功功率Qjs2=560.83kvar，有功功率同时系数=0.92，无功功率同时系数=0.93。

故视在功率Sjs1== 1312.52kVA

根据《工业与民用供配电设计手册》（第四版）要求变压器容量应根据计算负荷选择，变压器的长期负荷率不宜大于85%，按照75%～85%选择变压器是经济地，安全可靠地，因此本项目变压器选用干式变压器，与低压进线柜并排布置，变压器容量选用1600kVA 10/0.4kV双绕组变压器，联接组别：dyn11 短路阻抗电压 6%，变压器满负荷负载率为82%。

1.2变压器低压侧出线端框架断路器选型

西里西亚年产3000吨食用液体香精项目一期用电负荷经过计算得知视在功率Sjs1=1312.52kVA，因此选用额定容量为1600kVA的干式变压器，与低压进线柜并排布置。

1.2.1框架断路器长延时过负荷保护设定

依据《低压配电设计规范》（GB50054-2011）第6.3.3条规定：过负荷保护电器的动作特性，应满足下列公式的要求：

式中In-熔断器熔体额定电流或断路器额定电流或整定电流（A）;

Iz-导体允许持续载流量（A）;

I2-保证保护电器可靠动作的电流（A）。当保护电器为断路器时，I2为约定时间内的约定动作电流，当为熔断器时，I2为约定时间内的约定熔断电流，I2由产品标准规定或由制造厂给出。

IB-回路计算电流（A）

Iset1-长延时过电流脱扣器整定电流（A）

当如果按照厂区一期项目正常工作时负荷回路计算电流：

本项目一期工作时低压开关柜总进线开关选用框架断路器，额定电流选取In=2500A，长延时电子脱扣器整定电流Iset1 =0.8xIn =2000A设定，满足IB≤Iset1，电子脱扣器约定动作时间tset1=15秒动作。

1.2.2框架断路器短延时脱扣器保护设定

在设计时，考虑第二级低压母线短路时，即电机端母线短路时，电机端上级断路器脱扣器选用瞬时脱口器保护，瞬时脱口器电流 I set3=1600A，瞬时动作保护时间tset3=0秒，能快速地切断短路故障点，防止事故发生;总进线开关采用短延时脱扣器保护设定，如果电机上端口断路器出现故障情况下不能有效地快速地为切断短路故障点，这是总进线开关应采用定时限短延时保护动作时间tset2=0.3秒来切断短路故障点，有时时间非常短，同样能防止事故发生，因此总进线开关设置定时限短延时保护非常有必要性的。

总断路器采用定时限短延时保护，断路器电子脱扣器的整定电流应能躲过短时间出现的负荷尖峰电流，即

式中Iset2-定时限过电流脱扣器的整定电流，A;

Kset2-低压断路器定时限过电流脱扣器的可靠系数，可取1.2;

IstM1-线路中最大一台电动机的启动电流，A;

IC（n-1）-除启动电流最大的一台电动机以外的线路计算电流，A。

甲类生产车间内装机容量624.30kW，其中循环水泵额定功率Pe =70kW，直接启动方式，计算循环水泵额定计算电流 Ij：

式中Ijs-环水泵额定计算电流，A;

Pe-循环水泵额定功率，kW;

Ue –循环水泵额定工作时线电压，380V;

cosφ-功率因数，一般取0.8。

由于循环水泵（P-101）采用直接启动方式，设计按照额定电流7倍率选取启动电流。所以循环水泵启动电流IstM1=7.0*132.6=928.2A根据上述公式可以計算短延时保护电流值Iset2：

在设计时也可根据长延时过电流脱扣器整定电流Iset1来确定定时限短延时保护电流值Iset2，根据设计经验值可以取值：Iset2=Ks* Iset1，其中Ks取值范围1.5-10之间，Iset1=2000A，因此按照这个公式计算来看：3840A

上两式中Km（2），Km（1）–分别为两相短路和单相短路时的灵敏度，一般取1.5;

Id（2），Id（1）– 电动机端部或车间母线上的两相和单相短路电流（A），根据ETAP计算Id（3）=32.05kA，得

Iset1 –定时限过电流脱扣器的整定电流（A）。

根据断路器脱扣器整定电流的灵敏度计算结果可知，定时

限短延时保护电流值Iset2=6000A是可行的，因此设计时，定时限短延

时保护动作时间tset2=0.3秒。

1.2.3框架断路器瞬时脱扣器设定

在设计时，考虑第一级低压母线短路时，总进线开关采取反时限瞬时保护，瞬时切断短路故障点，有效地严防二次事故发生。

总进线开关电子脱扣器的瞬时过流脱扣器的整定电流，应能躲过配电线路的尖峰电流，即Iset3≥Kset3 *[IstM2+ IC（n-1）]

式中Iset3-总进线开关瞬时脱扣电流整定值，A;

Kset3-低压断路器瞬时脱扣的可靠系数，考虑电动机启动电流误差、负荷计算误差和开关瞬时动作电流误差，可取1.2;

IstM2-线路中启动电流最大一台电动机的全启动电流，A。它包括周期分量和非周期分量，其值为电动机启动电流IstM1的1.7倍，其中1.7是计入了非周期分量因素。

IC（n-1）-除启动电流最大的一台电动机以外的线路计算电流，A。

选择型自动开关瞬时脱扣电流整定值Iset3，不仅要躲过被保护线路正常的尖峰电流，而且要满足被保护线路各级极差配合灵动性要求，即大于或等于下一级开关瞬时动作电流整定值的1.2倍，还需要躲过下一级开关所需要保护线路故障时短路电流。

如果非选择型自动开关瞬时脱扣电流整定值，只要躲过回路的尖峰电流即可，而且应尽可能整定的小一些，本项目设计过程中选用的是选择型开关瞬时脱扣电流，因此可以得出：

在设计时需要验证一下取值是否合理，下级断路器最大选用框架式断路器630A，其瞬时脱扣器电流选型Iset3B=6300A，那么总进线开关电子脱扣器瞬时脱扣电流：

结合上两式计算，可以选取Iset3=9600A比较合适，瞬时脱扣器动作时间设定为tset3=0秒，设定完参数后需要校验一下电子脱扣器瞬时脱扣电流选值是否合理，需要通过主母线发生单相接地、两相短路及三相短路情况下验证。

（1）当主母线发生单相接地时，Id（1）=16.03kA，断路器瞬时脱扣电流Iset3=9600A≤Id（1）可以瞬时脱扣，防止事故发生;

（2）当主母线发生两相短路时，Id（2）=27.76kA，断路器瞬时脱扣电流Iset3=9600A≤Id（2）可以瞬时脱扣，防止事故发生;

（3）当主母线发生最严重三相短路时，Id（3）=32.05kA，断路器瞬时脱扣电流Iset3=9600A≤Id（3）可以瞬时脱扣，防止最严重事故发生。

1.3总结篇

在石油化工企业工厂设计过程中，作为设计者应该合理选择变压器容量，既能满足设计负荷需求，还要考虑预期负荷需求;同时考虑节约初期投入成本，运行时经济效益等。

合理选定满足使用要求的变压器后，首先根据设计用电负荷，以及预期负荷，合理选择进线总开关，即框架断路器框架（ACB）断路器壳体电流;然后选择电子脱扣器，已经负荷计算设定长延时参数、短延时、和瞬时脱扣电流的设定;接下来校验灵敏度来检验设定参数合理性，最后根据ETAP软件校验一下上下极差配合协调性是否满足要求。

参考文献：

[1]《钢铁企业电力设计手册》 冶金工业出版社

[2]《工業与民用供配电设计手册》 第四版 中国电力出版社

[3]《低压配电设计规范》 GB50054-2011 中国计划出版社

[4]《中小型变电所实用设计手册》中国水利水电出版社

[5]《电力工程电气设计手册》中国电力出版社