城市軌道交通車站制冷機組的配電設計

何 進, 夏璐璐

(中鐵二院華東勘察設計有限責任公司, 浙江 杭州 310004)

0 引 言

目前,在工民建、城市軌道交通工程中380 V/3 Ph/50 Hz的冷水機組應用比較廣泛,同時在市中心區(qū)域車站陸續(xù)采用位于車站內(nèi)部不突出地面的蒸發(fā)冷凝機組。

對于制冷機組,額定負載電流(Rated Load Amperes,RLA)通常指機組的額定電流,對應特定的產(chǎn)品型號,該參數(shù)指機組在額定工況(名義工況)下制冷工況滿負荷狀態(tài)時的輸入電流(名義電流)。滿負荷電流(Full Load Amperes,FLA)則為機組電機在滿載運行情況時的電流值,用來代表最大運行電流的規(guī)定值[1]。

機組的RLA總是小于或等于FLA[2],但城市軌道交通車站制冷機組(冷水機組及蒸發(fā)冷凝機組)裝機容量通常比較大,又是低壓配電系統(tǒng),城市軌道交通車站的現(xiàn)場工況往往無法滿足額定工況條件,而導致機組實際運行電流超過(甚至遠超過)RLA。本文對此進行探討,旨在明確滿足現(xiàn)場工況的、合理化的城市軌道交通車站制冷機組配電設計方法。

1 配電線纜選型原則

1.1 配電線纜選型一般方法

為避免城市軌道交通車站制冷機組的運行故障,根據(jù)實踐經(jīng)驗,配電線纜的設計一般遵循以下原則:三相回路每相線徑和長度須保持一致,防止相間不平衡;接入控制柜和電機的導線必須是銅質(zhì)的;電線、纜截面積應經(jīng)過載流量、電壓降和熱穩(wěn)定性校驗[3-4]。

(1) 載流量校驗。載流量校驗應滿足:

IB≤In≤Iz

(1)

式中:IB——回路計算電流;

In——熔斷器熔體額定電流/斷路器額定電流或整定電流;

Iz——導體允許持續(xù)載流量。

(2) 電壓降校驗[3-4]。電壓降校驗應滿足:

ΔU%=ΔUa%IBl≤5%

(2)

式中: ΔU%——線路電壓損失百分數(shù);

ΔUa%——三相線路每1 A·km的電壓損失百分數(shù);

IB——回路計算電流;

l——回路線纜長度。

(3) 熱穩(wěn)定性校驗[3]。熱穩(wěn)定性校驗應滿足:

(3)

式中:S——導體截面積;

t——持續(xù)時間;

I——預期短路電流交流均方根值;

k——計算系數(shù)。

1.2 校驗實例

某臺制冷機組380 V/3 Ph/50 Hz的額定運行電流為170 A,實際運行最大電流為275 A,配電線路長度約為100 m,功率因數(shù)為0.6,短路故障最長持續(xù)時間為0.25 s,車站配電變壓器容量為1 250 kVA(為簡化計算,代入配電變壓器母線出口預期短路電流交流均方根值)。

上述原則為根據(jù)RLA選取配電線纜截面的主要原則。由于實際現(xiàn)場機組運行工況有較大可能超出設計額定工況,導致實際運行最大電流超出RLA時較多,影響配電線纜選型和繼電保護配置的可靠性,建議設計人員在進線線纜選型時結(jié)合工程造價實際,考慮包容最大運行電流的電纜截面,且適當留有余量。

根據(jù)上述數(shù)據(jù),查閱文獻[3]可知,機組配電線纜采用WDZB-YJY23-時,3種不同截面配電線纜校驗如表1所示。

表1 3種不同截面配電線纜校驗

實際設計選型時,結(jié)合電纜載流量包容情況和工程造價實際情況,可分別排除WDZB-YJY 23-4×120+1×70與WDZB-YJY 23-4×185+1×95截面電纜,故WDZB-YJY 23-4×150+1×95截面電纜是較合理的選擇。

2 上下級繼電保護配置

2.1 城市軌道交通工程繼電保護配置

城市軌道交通工程環(huán)境情況復雜,實際工況通常難以滿足額定工況運行,機組運行電流一般在0～RLA區(qū)間,有時會偏離至RLA～FLA區(qū)間運行。

為保護電機和配電線纜,制冷機組一般設定電流過載保護Ir,以限制機組在RLA～FLA區(qū)間運行的電流值,城市軌道交通車站變電所低壓饋線斷路器也設置電流過載保護Iset1,以保護機組進線電纜,按上下級匹配的關系,Iset1應大于Ir,但實際城市軌道交通工程中,機組設備基本為設備廠家自帶保護電器,與設計院、施工單位及業(yè)主溝通不夠充分,若Iset1和Ir設定不當,會存在無法保護配電線纜和保護越級跳閘(直接越級跳車站變電所饋線斷路器)的風險。

相較于冷水機組,制冷機組中蒸發(fā)冷凝機組由于采用風冷,實際運行時電流更大,在配電線纜選型和上下級繼電保護配置方面相矛盾。

2.2 繼電保護分析實例

以某城市軌道交通線路施工配合過程中一座車站的蒸發(fā)冷凝機組跳閘故障現(xiàn)場為例,進行配電線纜選型優(yōu)化和上下級繼電保護配置設計。

故障現(xiàn)場條件:一臺蒸發(fā)冷凝機組380 V/3 Ph/50 Hz,額定運行電流為170 A,實際運行最大電流為275 A(偏離超出額定工況最大時),起動電流為500 A,持續(xù)2～3 s,配線電纜選取WDZB-YJY 23-4×120+1×70截面電纜(滿足上述配電電纜選型原則,但不是最合理選擇),配線長度約為100 m,短路故障最長持續(xù)時間約為0.25 s,車站配電變壓器容量1 250 kVA,車站變電所蒸發(fā)冷凝機組饋線開關為3VL400N400 ETU22/3P,長延時Iset1設定值為280 A(反時限曲線,時間不可調(diào)),短路短延時Iset2設定值為1 680 A(脫扣時間0.2 s),短路瞬動Iset3為4 400 A(固定值不可調(diào)),受上下級斷路器功能限制,現(xiàn)場無故障原因顯示。

故障分析按照斷路器的四段保護功能逐一核查。

(1) 單相接地短路功能跳閘引起?現(xiàn)場巡視多次,檢測多次,基本可以排除。

(2) 短路瞬時功能跳閘引起?下級斷路器短路瞬時設定值為2 000 A,沒有跳閘,基本可以排除。

(3) 短路短延時功能跳閘引起?在廠家提供的樣本中,星三角轉(zhuǎn)換起動時的峰值電流數(shù)據(jù)如下:TT壓縮機,切換電流約為1 100 A;TU壓縮機,切換電流為1 210 A;TV壓縮機,切換電流1 250 A。此測試數(shù)據(jù)基于GB額定工況,如果工況不同(高水溫),可能還會略大。從繼電保護的原則看,Iset2=1 680 A,大于TT、TU、TV壓縮機對應電流的1.3倍以上[5],基本可以排除是由于短路短延時功能跳閘引起的。壓縮機星三角切換峰值電流波形如圖1所示。

圖1 壓縮機星三角切換峰值電流波形

(4) 長延時(過載)功能跳閘引起?在廠家提供的樣本中,實際最大功率為160 kW,實際運行最大電流為275 A,起動電流為500 A,持續(xù)2～3 s,車站變電所長延時整定值Iset1=280 A,在惡劣工況(偏離超出額定工況最大)時,兩個電流很接近,確實可能會引起跳閘!

查閱廠家設置值,下級機組進線小型斷路器(MCB)電流為315 A,軟件控制電流設定值為280A,均小于車站變電所饋線斷路器的長延時Iset1整定值,而Iset1的設定是根據(jù)3VL400N400 ETU22/3P斷路器樣本完成,在滿足保護WDZB-YJY 23-4×120+1×70截面電纜(載流量理論值取系數(shù)后為294 A)的條件下設置。

2.3 繼電保護設置優(yōu)化方案

結(jié)合故障情況,各方協(xié)商后,處理方案如下:

(1) 增大機組配電線纜截面到4×150+1×95(載流量理論值取系數(shù)后為327 A)。

(2) 調(diào)整車站變電所饋線斷路器的長延時Iset1整定值,調(diào)整增大為320 A,下一級進線整定電流按斷路器脫扣誤差系數(shù)1.2要求,不得大于266 A。

(3) 車站動力照明專業(yè)按額定電流的1.4倍(嚴酷情況下按1.2倍)進行提資校驗,令廠家機組進線開關長延時Irj設定值調(diào)整為252 A,軟件控制電流設定值可稍大(雙重保障),為260 A。

(4) 同車站變電所專業(yè)根據(jù)上下級匹配關系,通過SIMARIS curves 4.0軟件校驗,完成機組設備端和車站變電所側(cè)繼電保護配置優(yōu)化設計。

針對出現(xiàn)車站變電所蒸發(fā)冷凝機組配電回路跳閘故障所在某城市軌道交通線路,按照上述處理方案步驟,對全線其他車站進行梳理,廠家重新出具機組回路的繼電保護設定,車站變電所專業(yè)也重新出具整定值計算書,線纜型號選擇和繼電保護整定配置如表2所示。

3 建 議

表2 線纜型號選擇和繼電保護整定配置

(1) 選擇制冷機組配電線纜在滿足載流量、電壓降、熱穩(wěn)定性校驗的情況下,可基于機組銘牌上的RLA電流,根據(jù)RLA確定隔離開關、MCB及控制柜的相關參數(shù)。電氣工程師要求按照電機的FLA設計也是合理的,這樣會有更大的安全余量。按照RLA設計配電線纜通常可以節(jié)省一定的費用,但不能保證可以滿足全工況要求和繼電保護的上下級匹配要求,建議綜合考慮制冷的實際運行工況做出精細化設計。

(2) 制冷機組的車站變電所配電回路建議選擇具有寬闊的電流和時間調(diào)節(jié)范圍的選擇性低壓斷路器開關,以利于電氣設計人員在繼電保護上下級匹配設計校核。

4 結(jié) 語

明確城市軌道交通車站制冷機組配電線纜的選型原則,優(yōu)化制冷機組設備端和車站變電所側(cè)繼電保護設計配置的方法,為車站制冷機組正常運營提供有力的保障,屬城市軌道交通行業(yè)內(nèi)較領先和精細的設計方式,能避免因放大電纜截面或強行壓制制冷機組壓縮機工作功率帶來的經(jīng)濟損失。

[1]地鐵設計規(guī)范:GB50157—2013[S].

[2]張凱.冷水機組動力線的匹配.2011中國制冷學會年學術年會論文集[C].南京:中國制冷學會,2011:794-797.

[3]中國航空工業(yè)規(guī)劃設計研究院.工業(yè)與民用配電設計手冊[M].4版.北京:中國電力出版社,2016.

[4]民用建筑電氣設計規(guī)范:JGJ16—2008[S].

[5]低壓配電設計規(guī)范:GB50054—2011[S].

[6]曹建猷.電氣化鐵道供電系統(tǒng)[M].北京:中國鐵道出版社,1983:106-109.