淺論水電工程廠用及船閘用電設(shè)計(jì)優(yōu)化

劉 慧 琳

(中國能源建設(shè)集團(tuán)廣西電力設(shè)計(jì)研究院有限公司， 廣西 南寧 530007)

0 前 言

近幾年，筆者參與設(shè)計(jì)建設(shè)了幾個(gè)國內(nèi)外大中型水電站，其中包括裝機(jī)8×57 MW低水頭貫流式機(jī)組的橋鞏水電站，裝機(jī)3×16 MW的越南占化水電站、裝機(jī)2×44 MW高水頭沖擊式機(jī)組的老撾HLG水電站、裝機(jī)2×22.5+2×18 MW的都柳江大融、從江航電樞紐。通過對上述幾個(gè)不同類型水電站的廠用及船閘用電設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)分析，總結(jié)了對廠用及船閘用電規(guī)劃，廠用電電壓及中性點(diǎn)接地、配電母線，廠用電低壓電器設(shè)備及電纜導(dǎo)體選擇部分內(nèi)容的一些優(yōu)化設(shè)計(jì)，供同類工程借鑒。

1 廠用及船閘用電規(guī)劃設(shè)計(jì)

水電站廠用及船閘用電設(shè)計(jì)之初，收集廠用電負(fù)荷、按照設(shè)備系統(tǒng)及分布位置擬定廠用電接線、規(guī)劃好變壓器、主分屏的數(shù)量，在接線圖基礎(chǔ)上再設(shè)計(jì)招標(biāo)、施工詳圖。主屏指400 V配電主屏；分屏包括：機(jī)組輔機(jī)控制柜、全廠公用設(shè)備控制柜、配電柜、磁力啟動(dòng)器(內(nèi)裝接觸器及熱繼電器)、按鈕箱等。電站的風(fēng)機(jī)數(shù)量很多，且有與消防聯(lián)動(dòng)要求。若采用每臺風(fēng)機(jī)旁設(shè)一個(gè)磁力啟動(dòng)器的方案，磁力啟動(dòng)器由于尺寸較小，增加接點(diǎn)不易，配消防聯(lián)動(dòng)線也較困難。若采用配電及控制設(shè)備集中統(tǒng)一放置一個(gè)柜內(nèi)，每臺風(fēng)機(jī)再配一個(gè)現(xiàn)地按鈕箱進(jìn)行現(xiàn)地操作的方案，電控箱尺寸較大，布置過多的電控箱則會(huì)影響美觀。綜合考慮走線簡潔、布置美觀、操作方便等原則，決定在每一層統(tǒng)一設(shè)置一個(gè)風(fēng)機(jī)電控柜，在每臺風(fēng)機(jī)旁配一個(gè)現(xiàn)地按鈕箱的方式。消防聯(lián)動(dòng)接線、PLC控制接線全在電控柜上，按鈕箱尺寸也相對較小，布置起來較美觀。

2 廠用及船閘用電電壓及中性點(diǎn)接地、配電母線優(yōu)化設(shè)計(jì)

低壓廠用電系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地方式，一般有兩種：中性點(diǎn)經(jīng)高電阻接地和中性點(diǎn)直接接地。這兩種方式的區(qū)別主要為：高電阻接地方式在發(fā)生單相接地故障時(shí)不用立即跳閘，動(dòng)力網(wǎng)絡(luò)和照明、檢修網(wǎng)絡(luò)相互獨(dú)立，供電可靠性較高，但是低壓廠用網(wǎng)絡(luò)較復(fù)雜，必須另設(shè)照明、檢修網(wǎng)絡(luò)，增加照明、檢修和其他單相負(fù)荷的供電變壓器，對二次的220 V交流電源，也需要另設(shè)控制變壓器獲取。中性點(diǎn)直接接地方式在發(fā)生單相接地故障時(shí)立即跳閘，動(dòng)力網(wǎng)絡(luò)和照明、檢修網(wǎng)絡(luò)可以共用，互相影響大，供電可靠性較低，但是這種方式在發(fā)生單相接地短路時(shí)，中性點(diǎn)不發(fā)生位移，防止了相電壓出現(xiàn)不對稱及超過250 V，低壓廠用網(wǎng)絡(luò)較簡單，不用另設(shè)控制變壓器獲取二次的220 V交流電源，不用增加照明、檢修和其他單相負(fù)荷的供電變壓器，可為了獲得足夠的單相接地時(shí)的靈敏度，可能需加大電纜截面及采用四芯電纜，以增大單相接地時(shí)的短路電流。

主、分屏配電母線目前我們都是按A、B、C、N、PE五線配制，然后示意把N、PE互連后接地，變成四線制中的PEN線。配成5線是考慮A、B、C、N線布置在柜頂，可直接側(cè)伸出與并列放置的廠變A、B、C、N線連接，而PE線則布置在柜底，便于設(shè)備及電纜等的接地。以往工程招標(biāo)圖中未要求廠家將N、PE線連接好，在現(xiàn)場就需增加柜頂N至柜底PE線的連接工作及材料。安裝圖如沒交待這個(gè)工作及材料，往往造成遺漏。如越南占化水電站的總結(jié)中提到：“廠用電圖低壓屏柜N和PE共一根母線，而訂貨來的低壓屏柜N和PE是兩根獨(dú)立母線，N是絕緣的，PE是接地的。設(shè)代人員帶運(yùn)行單位的電氣班長到一個(gè)個(gè)屏柜去交底，要將N和PE母線用導(dǎo)線連接并從PE母線接地，但歷時(shí)幾個(gè)月工作都未完成。施工期是用施工用電接進(jìn)400 V系統(tǒng)使用，零線和火線錯(cuò)位常有，備用電源接觸器線圈、母線PT、燈泡等都是交流220 V，錯(cuò)接一次，交流380 V電壓就會(huì)燒去上萬元的元器件。若N相接地了，就可避免了?！币虼?，若按五線配，在招標(biāo)文件中就要求廠家將N、PE線連接好；若全廠低壓配電開關(guān)均為三極，且沒有安裝N線CT，建議就只設(shè)一根PEN線在柜底，與廠變側(cè)連時(shí)，就由廠家在開關(guān)柜內(nèi)將PEN線上引后再側(cè)向引至廠變柜內(nèi)，減少現(xiàn)場的連接工作。

3 廠用及船閘用電斷路器整定及靈敏度、選擇性校驗(yàn)

廠用及船閘用電關(guān)于斷路器與斷路器配合時(shí)間整定按進(jìn)線0.6 s，聯(lián)絡(luò)0.4 s，主屏0.2 s，分屏瞬動(dòng)0 s進(jìn)行設(shè)計(jì)。在進(jìn)行斷路器脫扣器整定時(shí)，按躲過電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流整定。進(jìn)線斷路器及部分主屏斷路器因使用了短路短延時(shí)，動(dòng)作時(shí)間大于0.02 s，可靠系數(shù)K取1.35，使用瞬時(shí)整定的主、分屏斷路器可靠系數(shù)則取1.7，確定脫扣器可整定的下限值。直接啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)電流一般為額定電流的5～7倍，1.7×7=11.9，廠家提供的產(chǎn)品瞬時(shí)脫扣最大值一般為10～12 In，由于許多電動(dòng)機(jī)采取了軟啟動(dòng)等方式，應(yīng)按實(shí)際計(jì)算確定整定值。按靈敏度校驗(yàn)滿足1.3倍，確定脫扣器可整定的上限值。

靈敏度校驗(yàn)用回路末端的單相接地短路電流或二相接地短路電流校驗(yàn)，用單相、二相短路電流的較小值對應(yīng)短路短延時(shí)或短路瞬時(shí)保護(hù)整定值來校驗(yàn)，靈敏度系數(shù)均要求大于1.3倍。當(dāng)末端單相短路的短路電流難以滿足靈敏度要求時(shí)，可采用接地(零序)保護(hù)或帶長延時(shí)過電流脫扣器的斷路器或帶短路短延時(shí)的斷路器，此時(shí)可用單相接地短路電流對應(yīng)單相接地短路保護(hù)整定值來校驗(yàn)靈敏度(可調(diào)范圍一般為0.2～1 In)。如選用長延時(shí)過電流脫扣器時(shí)，其動(dòng)作時(shí)間不宜大于15 s。如采用短路短延時(shí)，將短路短延時(shí)的電流盡量整定得小一些，以滿足靈敏度要求。單相接地短路保護(hù)整定值可按躲過最大不平衡電流進(jìn)行整定，與相鄰元件的配合采用時(shí)間級差進(jìn)行配合。接地保護(hù)的時(shí)間與各級斷路器相間保護(hù)的時(shí)間一致。

若靈敏度校驗(yàn)不能滿足要求，在主屏一般選用帶接地保護(hù)的開關(guān)來滿足要求；在分屏一般選擇在分屏電纜接入處裝設(shè)零序CT，再設(shè)零序保護(hù)來滿足要求。要注意電流的采集方法，在TN-C配電系統(tǒng)中，應(yīng)取三相電流的總和才是全部的單相接地短路電流。

在做保護(hù)選擇性時(shí)，開關(guān)不能越級跳，也不能過載或短路時(shí)不跳。

選擇性校驗(yàn)用回路起端的三相短路電流值來進(jìn)行。在這個(gè)短路電流值下,若上級斷路器的跳閘時(shí)間大于下級斷路器的跳閘時(shí)間0.1 s，即認(rèn)為滿足選擇性。但上下級均為斷路器時(shí)做不到，因此上級斷路器須采用帶延時(shí)的斷路器。

采用帶延時(shí)的斷路器后，瞬時(shí)脫扣器也可以打開使用，但其整定電流應(yīng)躲開其保護(hù)范圍末端的三相短路電流，此時(shí)的瞬時(shí)脫扣器保護(hù)是有死區(qū)的。

起重機(jī)回路供電設(shè)計(jì)中，《水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊》《電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊》上說明的電動(dòng)機(jī)為繞線式電動(dòng)機(jī)或鼠籠式電動(dòng)機(jī)，我們現(xiàn)在用的橋機(jī)、門機(jī)的電動(dòng)機(jī)一般為變頻式電動(dòng)機(jī)，功率因數(shù)不一樣，繞線式功率因數(shù)取0.65，鼠籠式取0.5，變頻式一般在0.85及以上，注意按實(shí)際情況進(jìn)行收集總結(jié)。

水電站起重機(jī)的暫載率按40%考慮，綜合系數(shù)取0.5。兩個(gè)手冊上尖峰電流的計(jì)算公式均有誤，尖峰電流是一個(gè)實(shí)實(shí)在在的瞬時(shí)電流，其值應(yīng)為同時(shí)運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)中，最大一臺電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流(繞線式電動(dòng)機(jī)取2 In，變頻式電動(dòng)機(jī)取1.5 In)加上其余電動(dòng)機(jī)的額定運(yùn)行電流，應(yīng)按以上概念進(jìn)行計(jì)算。

給起重機(jī)供電的電纜截面按計(jì)算電流選取，塑殼斷路器的過載長延時(shí)電流則按同時(shí)運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)實(shí)際的額定電流選取。瞬時(shí)脫扣器電流(短路短延時(shí)扣器電流)按大于或等于1.35(1.7)倍尖峰電流整定，盡量取小值。時(shí)間不再與下一級斷路器配合，均不進(jìn)行延時(shí)。為了獲取更寬的整定范圍，塑殼斷路器應(yīng)選擇帶電子脫扣器的斷路器。

4 電纜導(dǎo)體的選擇

根據(jù)設(shè)計(jì)原則，都柳江從江航電樞紐工程低壓斷路器及導(dǎo)體選擇見表1。

廠用電設(shè)計(jì)中，大容量、重要負(fù)荷回路的電力電纜宜采用銅芯交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜。消防、地下廠房通風(fēng)、事故照明、自動(dòng)控制、遠(yuǎn)動(dòng)通信及電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等重要負(fù)荷回路的電力電纜應(yīng)采用阻燃型電纜。

三相四線制網(wǎng)絡(luò)，對配電干線或接有單相負(fù)荷時(shí)，應(yīng)采用三相四芯電力電纜；對僅接有三相平衡負(fù)荷(三相電動(dòng)機(jī))的負(fù)荷分支回路，根據(jù)單相接地保護(hù)靈敏度要求，可采用三相三芯或三相四芯電力電纜；當(dāng)采用三相三芯電力電纜時(shí)，允許采用與相線分開另外單獨(dú)敷設(shè)的導(dǎo)體作保護(hù)線。

廠內(nèi)敷設(shè)的低壓電力電纜的外護(hù)層宜采用塑料護(hù)套鋼帶內(nèi)鎧裝電力電纜。

綜上，廠用及船閘用電設(shè)計(jì)中，主屏至分屏低壓電纜選擇YJV22-0.6/1 kV(3+1)芯電纜，分屏至電動(dòng)機(jī)可選擇YJV22-0.6/1 kV三芯電纜，以節(jié)約成本，但若電纜數(shù)量較少，為了減少電纜種類，也可采用(3+1)芯電纜。阻燃電纜可采用ZRC-YJV22-0.6/1 kV電纜。油處理室電纜可采用YCW- 0.45/0.75 kV重型橡套軟電纜。移動(dòng)式設(shè)備及廠家配套的啟閉機(jī)電纜一般為YC- 0.45/0.75 kV橡套軟電纜。潛水泵電纜建議采用JHS-0.3/0.5 kV防水橡套電纜或采用YCW- 0.45/0.75 kV重型橡套軟電纜，JHS型防水橡套電纜供交流電壓500 V及以下的潛水電機(jī)上傳輸電能用。在長期浸水及較大的水壓下，具有良好的電氣絕緣性能；防水橡套電纜彎曲性能良好，能承受經(jīng)常的移動(dòng)。

通常設(shè)計(jì)手冊及廠用電設(shè)計(jì)規(guī)程上給出的廠用主盤上所允許采用的電器最小規(guī)格，是根據(jù)動(dòng)熱穩(wěn)定校驗(yàn)得出的，由于現(xiàn)在產(chǎn)品種類很多，應(yīng)根據(jù)所采用產(chǎn)品實(shí)際進(jìn)行校驗(yàn)。

5 結(jié) 論

筆者提出親歷的幾個(gè)國內(nèi)外水電工程廠用及船閘用電設(shè)計(jì)時(shí)，重點(diǎn)考慮的幾個(gè)設(shè)計(jì)問題及解決思路，僅供同行參考，希望對今后相關(guān)方面的設(shè)計(jì)工作有所借鑒。

參考文獻(xiàn)：

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