阿尔塔什水利枢纽工程厂用低压配电系统设计

汪 栋

(新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 工程概况

新疆阿尔塔什水利枢纽工程位于叶尔羌河干流山区河段上，电站坝顶海拔1 821.80 m，多年平均气温10.2 ℃，极端最高气温39.8 ℃，极端最低气温-24 ℃，多年平均相对湿度54%，地震烈度为Ⅷ度。枢纽电站装机容量4×175 MW，机组采用混流式水轮发电机组，发电机出口电压为15.75 kV，每台发电机与变压器采用单元接线，220 kV GIS出线5回，采用双母线接线[1]。

电站厂用配电系统采用10 kV和0.4 kV两级电压供电。由于电站装机容量和规模较大，各类厂用电负荷容量也很大，低压配电采用机组自用电和全厂公用电分开的方式，一方面使机组自用电相对独立，便于缩小故障范围和故障后迅速恢复供电；另一方面如果所有负荷集中在一个变压器上，会造成此变压器容量过大，不利于运输和布置。采用利用系数法对厂用电负荷进行统计计算，机组自用电变压器容量选择2 000 kVA，全厂公用电变压器容量选择1 600 kVA，采暖变压器容量选择1 000 kVA，照明用电变压器容量选择315 kVA，各配电变压器均选择2台互为备用。

2 接线方式

为保证重要负荷的两路电源互为备用，厂用低压配电系统采用单母线分段接线，两段互为暗备用，正常供电时母联断开，事故时通过双电源自动切换装置实现自动投入。低压厂用电采用380/220 V的三线五相制系统，接地选用TN—C—S系统[2]，全厂设置等电位接地系统。

3 低压配电装置选择

低压配电装置成套柜主要采用固定式开关柜和抽屉式开关柜两种。固定式开关柜结构简单，造价相对较低，但当元件出现故障维修时影响范围较大，维修相对困难；抽屉式开关柜外形简洁大方，且能在元件出现故障时快速更换，影响范围小，具有操作及修理简单方便的优点。本工程采用MNS抽屉式低压开关柜，能容纳较多的抽屉单元，安全性和技术性高，装配方便。

根据对厂用电负荷进行的统计分析，枢纽电站厂房内负荷可大致分为电动机负荷、采暖负荷、照明负荷及蓄电池负荷等，低压配电过电流保护主要考虑防范过载和短路引起的灾害。熔断器具有更好的过载防护效果和较低的价格，但每次故障后均需更换熔断体才能恢复供电。断路器价格稍贵，但故障回路在排除故障后可直接合闸恢复供电，十分方便；如出现元件整体损坏，熔断器必须更换成与原规格相同的元件，为此需备置多种规格的备件，较为麻烦；断路器损坏可以更换成相同规格的，亦可用较高参数的断路器调整设置整定电流来代替。考虑到本电站地处新疆偏远山区，各元件采购运输周期长，为便于运行检修，本工程低压配电系统采用断路器作为主要保护电器。

本次以厂房内最大电动机负荷——机组技术供水泵为例，对断路器进行配置选择。电站单机配置2台技术供水泵(315 kW，软启动，1用1备)，以1号机组为例，控制柜电源分别引自由机组自用电的Ⅰ段母线和Ⅱ段母线，供电距离约200 m；启动柜、控制柜现地布置在技术供水泵室水泵旁，距离水泵约15 m，详见图1。

图1 机组自用技术供水泵接线简图

4 电流计算

在进行断路器参数选择时，除需按照工作电压、工作电流对断路器额定参数进行选择外，为了能在发生过负荷、短路或接地故障时能可靠地分断故障电流，首先根据手册内的计算公式计算出母线及负荷点处的短路电流，再以此对断路器参数进行选择[3_5]。

4.1 三相短路电流计算

(1)高压侧系统阻抗。根据电站短路电流计算结果，厂变高压侧的系统短路容量为59 MVA，归算至低压侧的电阻、电抗分别为：

变压器阻抗为：

(2)低压母线排(含密集母线槽)长度约为16.5 m，查询手册取其电阻为0.014 mΩ/m，电抗为0.147 mΩ/m[6]，计算得：

R2=0.014×16.5=0.23 mΩ

X2=0.147×16.5=2.43 mΩ

(3)查询厂家样本，得ZR—YJV—3×185+1×95电缆电阻为0.118 Ω/km，电抗为0.078 Ω/km，计算L1、L2两段电缆的阻抗分别为：

L1段两根并联电缆电阻为：R3=0.118×0.2/2=11.8 mΩ。

L2段两根并联电缆电阻为：R4=0.118×0.015/2=0.89 mΩ。

L1段两根并联电缆电抗为：X3=0.078×0.2/2=7.8 mΩ。

L2段两根并联电缆电缆电抗为：X4=0.078×0.015/2=0.59 mΩ。

(4)对机组自用电配电柜低压母线d1点，三相短路电流为：

=11.58 mΩ

(5)对终端负荷处d2点的三相短路电流为：

=24.23 mΩ

4.2 单相接地故障电流计算

(1)高压侧系统的相保电阻Rs0=0.18 mΩ，相保电抗为：Xs0=0.18 mΩ；厂用变压器的相保电阻R10=0.61 mΩ，相保电抗为：X10=6.4 mΩ。

(2)低压母线排(含密集母线槽)长度约为16.5 m，查询手册取其相保电阻为0.014 mΩ/m，相保电抗为0.147 mΩ/m，计算得：

R20=0.042×16.5=0.69 mΩ

X20=0.317×16.5=5.23 mΩ

(3)查询厂家样本，得ZR—YJV—3×185+1×95电缆相保电阻为0.4 Ω/km，相保电抗为0.15 Ω/km，计算L1、L2两段电缆的相保阻抗分别为：

L1段两根并联电缆电阻为：R30=0.4×0.2/2=40 mΩ。

L2段两根并联电缆电阻为：R40=0.40×0.015/2=3 mΩ。

L1段两根并联电缆电抗为：X30=0.15×0.2/2=15 mΩ。

L2段两根并联电缆电缆电抗为：X40=0.15×0.015/2=1.13 mΩ。

(4)对低压母线处d1点的接地故障电流为：

=16.28 kA

(6)对终端负荷d2点的接地故障电流为：

=4.12 kA

5 断路器参数选择

低压配电线路发生过负荷、短路或接地故障时，既要保证能可靠地分断故障电流，又要尽可能缩小断电范围，这是继电保护对分断开关的可靠性和选择性的要求。可靠性主要是针对保护方案和保护装置的性能，选择性则主要是通过分断电流、分断时间两方面来对断路器脱扣器参数进行整定来实现的。

本工程采用选择型断路器与非选择型断路器的级间配合来实现保护电器脱扣器动作的选择型，选择和整定断路器的过程从线路末端往始端进行。一般来讲，断路器长延时整定电流Iset1按过负荷保护要求进行选择，其电流应不小于本线路的计算电流，不宜大于母线导体允许的持续载流量，工程中一般选择额定电流的0.9～1.1倍，时间可按15 s来整定；短延时整定电流Iset2一般选择额定电流的3～5倍，时间可按0.1 s～0.4 s进行整定；瞬时过电流整定电流Iset3一般选择额定电流的10～15倍进行整定[6]。本次选择给1号水泵配电提供保护的CB1、CB4、CB6三级断路器为例进行选择。

5.1 CB6(CB7)断路器参数选择

CB6断路器作为配电线路末端电动机断路器，选择电动机保护型，带瞬动脱扣器和长延时脱扣器。根据电动机功率计算其额定电流为563 A，考虑到断路器装设在封闭的开关柜内，散热条件差，CB6断路器初选额定电流630 A的断路器。长延时脱扣器整定电流按不小于电动机额定电流考虑，可取Iset1=In=630 A，动作时间按躲过电动机启动时间整定。

水泵电动机采用软启动方式，按3倍启动电流计算其启动电流为I启=1 689 A，瞬动脱扣器的整定电流按电动机启动电流的2～2.5倍取值，取值范围为3.38～4.22 kA，可取Iset3=6×In=3.78 kA。供电线路末端负荷d2点的单相短路电流为4.12 kA，三相短路电流为12.07 kA，为保证断路器短路时可靠动作，其末端短路电流不应小于其短路瞬时过电流保护整定电流的1.3倍；本断路器Iset3的1.3倍=4.91 kA，经复核不能满足供电线路末端负荷d2点单相短路时的灵敏性，重新选择CB6断路器短路瞬时过电流保护整定电流Iset3=3.4 kA，重新复核可满足要求。

5.2 CB4(CB5)断路器参数选择

CB4断路器作为第二级配电断路器，根据电动机功率计算其额定电流为563 A，同时考虑到柜内照明及控制负荷，且断路器装设在封闭的开关柜内，散热条件差，CB4断路器额定电流取In2=800 A。CB4断路器与CB6断路器负荷相差不大，其参数主要按照满足与CB6断路器形成级间配合来选择：

CB4断路器过负荷长延时脱扣器整定电流可取其额定电流：Iset1=In=800 A。

CB4断路器短路短延时整定电流应不小于下一级CB6的Iset3的1.3倍(4.42 kA)，取Iset2=7×In=5.6 kA；因电流整定可实现级差，故短路短延时时间可不做要求，本工程取常规值0.4 s。

为保证断路器的级间选择，CB4断路器短路瞬动脱扣器整定电流应不小于线路终端负荷处短路电流的1.2倍(14.60 kA)，可选择Iset3=20×In=16 kA。

5.3 CB1断路器参数选择

CB1断路器作为第一级配电总进线断路器，其计算电流根据厂用变压器容量计算为2 887 A，考虑到断路器装设在封闭的开关柜内，散热条件差，CB1断路器额定电流取In1=4 000 A，选择断路器为4 000 A框架断路器；其过负荷长延时整定电流取其额定电流Iset1=In1=4 000 A。短路短延时可按脱扣器整定电流的3～5倍取，本断路器初步选择Iset2=5×In=20 kA，短路短延时时间可取0.6 s。作为第一级断路器，由变压器低压侧至低压开关柜母线排范围内发生短路和接地故障的几率较小，此处不宜设置短路瞬时过电流保护功能，避免出线故障时无选择性动作[3]。

表1 三级配电断路器参数整定值表

根据表1分析得出，修正后的CB1、CB4、CB6三级断路器配置合理，能够保证各级保护电器之间的选择性。

6 电涌保护电器参数选择

为防范操作过电压、雷电反击及闪电电涌侵入对电气设备的损害，目前常用的做法是在低压配电回路的各级母线处设置电涌保护器。本工程厂房为第三类防雷建筑物，Dyn11配电变压器布置在厂房内部，绝大部分低压负荷为厂内负荷，仅有少数几根0.4 kV电缆需引出厂房外给尾水闸门负荷供电。变压器的低压侧配电母线上装设Ⅰ级实验的SPD，其电压保护水平按不大于2.5 kV选择[7]，冲击电流则需计算得出。尾水闸门负荷电缆采用钢带铠装电缆穿钢管敷设，冲击电流计算：

限压型SPD的箝位电压水平更好，可更好地满足电压保护水平要求，故本工程变压器的低压侧配电母线上选择限压型SPD，要求承受预期雷电涌流的能力不低于4.07 kA(10/350 μs)。

7 结 语

本次以阿尔塔什水利枢纽电站机组技术供水泵的三级配电保护断路器参数选择为例，可以看出对于断路器的过负荷保护，利用上下级断路器动作特性比较容易实现。短路保护则需要综合考虑断路器脱扣器动作整定电流和整定时间来综合实现。一方面整定值不宜过小，不然容易出现误动。另一方面整定值不宜过大，不然会影响断路器动作的灵敏性，开断等待时间过长容易造成事故。

因此，在选择断路器时需首先计算出故障电流，根据故障电流初选断路器参数，再考虑级间配合的选择性和灵敏性来进行复核。

目前断路器制造商一般可提供选择配合表或脱扣曲线表，在选择断路器参数时可拿来参照，避免选出不合理的参数。