蘇州某大型商業(yè)綜合體變配電設(shè)備故障分析

李 軍

(上海建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司, 上海 200041)

0 引 言

近年來(lái),隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng),各地區(qū)大型商業(yè)綜合體越來(lái)越多。大型商業(yè)綜合體有大量、不同類(lèi)型的用電負(fù)荷,管線多,且商業(yè)業(yè)態(tài)均比較復(fù)雜,由于業(yè)態(tài)的不確定性,造成設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)缺乏相關(guān)的負(fù)荷計(jì)算依據(jù),只能憑經(jīng)驗(yàn)對(duì)用電負(fù)荷進(jìn)行估算[1-2]。如用電負(fù)荷估算不準(zhǔn)確,負(fù)荷分配及管線排布不合理,會(huì)給今后變配電設(shè)備的正常運(yùn)行帶來(lái)隱患,給業(yè)主帶來(lái)不必要的損失。

1 項(xiàng)目概況

蘇州某大型商業(yè)綜合體位于蘇州工業(yè)園區(qū),地上4層、地下2層,集商業(yè)購(gòu)物、精品超市、餐飲等功能于一體,于2009年1月份竣工開(kāi)業(yè),設(shè)備正式使用已6年左右,后發(fā)現(xiàn)有跳閘、電纜受損等問(wèn)題出現(xiàn)。

(1) 5#、6#變壓器所帶負(fù)荷中,當(dāng)同一臺(tái)變壓器下2臺(tái)冷凍機(jī)同時(shí)開(kāi)啟時(shí)有多次跳閘記錄,高、低開(kāi)關(guān)壓均有跳閘現(xiàn)象。5#變壓器所帶負(fù)荷是指4#、6#冷凍機(jī)組同時(shí)起動(dòng),6#變壓器所帶負(fù)荷是指1#、3#、5#任意2臺(tái)冷凍機(jī)組同時(shí)起動(dòng)。該問(wèn)題來(lái)源于物業(yè)反映,屬于斷路器跳閘。

(2) 變電所低壓饋線到冷凍機(jī)控制柜豎向橋架內(nèi)電纜運(yùn)行溫度過(guò)高,表皮開(kāi)裂,護(hù)套老化。該問(wèn)題來(lái)源于物業(yè)反映及現(xiàn)場(chǎng)查看,屬于電纜受損。

(3) 現(xiàn)場(chǎng)變頻設(shè)備多,存在諧波、渦流、三相不平衡等問(wèn)題。為治理諧波問(wèn)題,5#變壓器組以前增加1臺(tái)無(wú)源濾波設(shè)備,諧波情況需進(jìn)一步檢測(cè)。該問(wèn)題來(lái)源于物業(yè)反映及現(xiàn)場(chǎng)查看,屬于諧波問(wèn)題。

2 故障分析

2.1 5#、6#變壓器負(fù)載率的問(wèn)題

2.1.1 現(xiàn)場(chǎng)物業(yè)提供的數(shù)據(jù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)物業(yè)提供的數(shù)據(jù),夏天最高氣溫37 ℃以上時(shí),同時(shí)運(yùn)行4#、6#冷凍機(jī)組或1#、3#冷凍機(jī)組時(shí),最大運(yùn)行電流約為3 200 A,變壓器的負(fù)載率已接近85%。并且在機(jī)組運(yùn)行2 h內(nèi),總斷路器跳閘。而同時(shí)運(yùn)行2#、6#冷凍機(jī)組或2#、4#冷凍機(jī)組時(shí)總斷路器不會(huì)跳閘(2#機(jī)組為變頻設(shè)備)。當(dāng)?shù)蛪簜?cè)總斷路器跳閘時(shí),總斷路器上的過(guò)壓、瞬動(dòng)保護(hù)均未動(dòng)作(短延時(shí)設(shè)定為關(guān)閉狀態(tài))。當(dāng)變壓器低壓側(cè)斷路器跳閘時(shí),顯示跳閘時(shí)的最大瞬時(shí)電流為12 000 A。

2.1.2 理論計(jì)算

根據(jù)原設(shè)計(jì)提供的圖紙對(duì)其負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算校驗(yàn):同時(shí)系數(shù)取0.8時(shí),5#變壓器負(fù)載率為100%,6#變壓器負(fù)載率為101%;同時(shí)系數(shù)取0.6時(shí),5#變壓器負(fù)載率為75%,6#變壓器負(fù)載率為76%。

5#、6#變壓器(2 500 kVA)計(jì)算負(fù)荷如表1、表2所示。

表1 5#變壓器(2 500 kVA)計(jì)算負(fù)荷

表2 6#變壓器(2 500 kVA)計(jì)算負(fù)荷

通過(guò)上述負(fù)荷計(jì)算可以看出,不考慮大容量起動(dòng)設(shè)備的起動(dòng)電流,只按常規(guī)負(fù)荷計(jì)算,在同時(shí)系數(shù)取0.6時(shí),變壓器負(fù)載率已接近75%。當(dāng)有2臺(tái)及以上的大容量冷水機(jī)組起動(dòng)時(shí),產(chǎn)生的起動(dòng)電流必然會(huì)對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)造成不利影響,影響斷路器整定值的選擇。在此情況下,除了正常的負(fù)荷計(jì)算外,還需要核對(duì)校驗(yàn)變壓器的荷載能力和保護(hù)的整定值。

變壓器二次側(cè)斷路器的短路短延時(shí)脫扣器的整定值Ir2:

Ir2≥1.1(IL+1.35KIe)=12 000 A

式中:IL——變壓器正常運(yùn)行時(shí)的負(fù)荷電流,A;

K——軟起動(dòng)設(shè)備的起動(dòng)電流與電動(dòng)機(jī)額定電流的比值(2.5～4.0);

Ie——電動(dòng)機(jī)的額定電流,A。

2.1.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

僅對(duì)6#變壓器同時(shí)起動(dòng)2臺(tái)冷凍機(jī)組的負(fù)載進(jìn)行實(shí)測(cè)。6#變壓器實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表3所示,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為5月份的數(shù)據(jù),變壓器負(fù)載率約為65%,系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行2 h以上,總體負(fù)載電流穩(wěn)定,并成逐漸下降趨勢(shì)。剛運(yùn)行時(shí)每臺(tái)冷凍機(jī)組的實(shí)測(cè)電流約為1 250 A,低壓總斷路器出線側(cè)實(shí)測(cè)電流約為2 600 A。隨著時(shí)間的推移,每臺(tái)冷凍機(jī)組的實(shí)測(cè)電流逐漸下降,最低實(shí)測(cè)電流約為900 A。5、7、11次諧波一直很平穩(wěn),無(wú)大的波動(dòng),實(shí)測(cè)諧波電流一直穩(wěn)定在35 A左右。從表3中可以看出,諧波電流不會(huì)造成低壓總斷路器跳閘。同時(shí)還檢測(cè)到在15∶56∶48～15∶56∶57時(shí)有大電感類(lèi)負(fù)載起動(dòng),電流有效值由1 600 A增加到5 000 A,瞬時(shí)無(wú)功2.6 Mvar,電壓由230 V降低到210 V,存在電壓閃變。

表3 6#變壓器實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

對(duì)于數(shù)據(jù)檢測(cè)到的大電感類(lèi)負(fù)載起動(dòng),推算應(yīng)是第2臺(tái)冷水機(jī)組起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的。

測(cè)試點(diǎn)和系統(tǒng)配電示意圖如圖1所示。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)物業(yè)提供的數(shù)次跳閘數(shù)據(jù)分析報(bào)告可知,設(shè)計(jì)存在裕量不足的問(wèn)題。當(dāng)出現(xiàn)極端氣溫時(shí),冷凍機(jī)組超負(fù)荷運(yùn)行,引起總斷路器的跳閘。建議應(yīng)適當(dāng)調(diào)整冷凍機(jī)組供回水的溫差設(shè)定值,通過(guò)BA控制,合理分配各臺(tái)冷凍機(jī)組的開(kāi)啟臺(tái)數(shù),降低冷卻水的出線溫度,以達(dá)到降低冷凍機(jī)組輸出功率的目的。

注:測(cè)試時(shí)電容柜未投入運(yùn)行

2.2 電纜受損問(wèn)題

現(xiàn)場(chǎng)物業(yè)提供的數(shù)據(jù)表明,變電所低壓饋線到冷凍機(jī)控制柜及冷凍機(jī)控制柜到冷凍機(jī)橋架內(nèi)電纜運(yùn)行溫度過(guò)高,表皮開(kāi)裂,護(hù)套老化。

對(duì)原設(shè)計(jì)圖紙電纜選型及載流量進(jìn)行復(fù)核。原設(shè)計(jì)變電所至冷凍機(jī)控制柜(739 kW)電纜規(guī)格為單芯300 mm2三拼電纜,允許通過(guò)的電流應(yīng)大于冷凍機(jī)組壓縮機(jī)電機(jī)的額定負(fù)載電流。當(dāng)使用三線時(shí),根據(jù)空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)要求,每根導(dǎo)線的最小載流量為壓縮機(jī)額度負(fù)載電流(Rated Load Amperes,RLA)的1.25倍。查開(kāi)利空調(diào)機(jī)組手冊(cè),得出RLA為1 262 A,因此每根導(dǎo)線的最小載流量至少要大于1.25×1 262=1 577.5 A,才能滿(mǎn)足要求。查電纜載流量手冊(cè)知,單芯300 mm2的電纜載流量為707 A,因此三拼電纜允許通過(guò)的額定電流為3×0.9×707=1 908 A。

所選擇的電纜允許通過(guò)的載流量大于機(jī)組的額定負(fù)載電流,但由于電纜在實(shí)際敷設(shè)時(shí)層層堆疊在一起,無(wú)序密集疊放,極大影響電纜的散熱,因此電纜通過(guò)的載流量會(huì)降低。查手冊(cè)知,校正系數(shù)為0.7,因此電纜載流量為1 908×0.7=1 336 A,小于開(kāi)利空調(diào)機(jī)組手冊(cè)給出的載流量(1 577.5 A)。

2.3 諧波問(wèn)題

(1) 理論分析。變頻器注入電網(wǎng)的諧波主要為電流諧波,通常含有6n±1(n=1,2,3,…)次諧波,5次、7次的諧波電流含量比較大,一般5次諧波的基波含量為40%～65%,7次諧波的基波含量14%～41%,其他階次的諧波含量基本都在10%以下。

(2) 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。負(fù)載情況1(運(yùn)行1臺(tái)冷水機(jī)組)電能質(zhì)量概況如表4所示。負(fù)載情況2(運(yùn)行2臺(tái)冷水機(jī)組)電能質(zhì)量概況如表5所示。

表4 負(fù)載情況1(運(yùn)行1臺(tái)冷水機(jī)組)電能質(zhì)量概況

表5 負(fù)載情況2(運(yùn)行2臺(tái)冷水機(jī)組)電能質(zhì)量概況

由表4、表5可見(jiàn),系統(tǒng)電壓波形基本未出現(xiàn)畸變,電壓總畸變率小于5%;電流波形基本未出現(xiàn)畸變,電流畸變率小于5%。同時(shí)還檢測(cè)到在15∶56∶48～15∶56∶57時(shí)有大電感類(lèi)負(fù)載起動(dòng),電流有效值由1 600 A增加到5 000 A,瞬時(shí)無(wú)功2.6 Mvar,電壓由230 V降低到210 V,存在電壓閃變。

3 解決方案和措施

低壓側(cè)總斷路器跳閘的原因如下:

(1) 5#、6#變壓器原設(shè)計(jì)負(fù)載不能滿(mǎn)足設(shè)備同時(shí)在全工況下使用,經(jīng)復(fù)核設(shè)備功率,變壓器所帶設(shè)備只有同時(shí)系數(shù)在0.6時(shí)才可滿(mǎn)足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

(2) 現(xiàn)場(chǎng)檢查低壓側(cè)總斷路器的接線,有失壓線圈接入二次回路中,推算在夏天用電高峰來(lái)臨時(shí)正常供電電壓通常降低至220 V及以下,當(dāng)有大容量設(shè)備起動(dòng)時(shí),電壓會(huì)短時(shí)降至200 V,甚至190 V以下,極有可能造成失壓脫扣保護(hù)動(dòng)作,使斷路器跳閘。根據(jù)之前物業(yè)提供的數(shù)據(jù)顯示,當(dāng)變壓器低壓側(cè)斷路器跳閘時(shí),顯示的最大瞬時(shí)電流為12 000 A。而理論計(jì)算值也為12 000 A,處于跳閘的臨界點(diǎn),考慮到誤差,應(yīng)是低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的各項(xiàng)整定值(過(guò)載、失壓及瞬動(dòng)保護(hù)、失壓脫扣保護(hù)等)設(shè)定不當(dāng)。

(3) 有大電感類(lèi)負(fù)載起動(dòng)時(shí),存在電壓閃變,應(yīng)取消低壓側(cè)總開(kāi)關(guān)失壓脫扣保護(hù)功能,并通過(guò)BA群控,合理分配各臺(tái)冷凍機(jī)組的運(yùn)行工況(60%～80%的合理范圍);當(dāng)采用手動(dòng)控制起動(dòng)時(shí),夏季最大負(fù)荷需求下不要先起動(dòng)1臺(tái)冷凍機(jī)組(先起動(dòng)的1臺(tái)冷凍機(jī)組達(dá)到最大運(yùn)行工況后再去起動(dòng)其他機(jī)組),應(yīng)優(yōu)先考慮開(kāi)啟2臺(tái)以上機(jī)組,合理分配各臺(tái)冷凍機(jī)組的運(yùn)行工況(60%～80%的合理范圍),以達(dá)到降低冷凍機(jī)組的輸出功率和減少電壓閃變的目的。

低壓側(cè)總斷路器跳閘解決方案和措施如下:

(1) 將4臺(tái)739 kW的冷水機(jī)組供電均勻分配至其他變壓器供電。

(2) 采用BA控制,合理分配各冷水機(jī)組的開(kāi)起數(shù)量,以減少設(shè)備滿(mǎn)負(fù)載運(yùn)行時(shí)帶來(lái)的隱患。

(3) 調(diào)整低壓斷路器的設(shè)置參數(shù),避免斷路器由于瞬時(shí)電壓跌落而引起跳閘現(xiàn)象。

電纜受損問(wèn)題產(chǎn)生原因如下:① 原設(shè)計(jì)電纜截面選取及敷設(shè)安裝存在某些不足,導(dǎo)致大截面單芯線纜長(zhǎng)期運(yùn)行溫度過(guò)高,表皮開(kāi)裂;② 原設(shè)計(jì)與施工的電纜敷設(shè)方式、路徑不滿(mǎn)足規(guī)范要求,影響電纜的載流量、散熱,并可能發(fā)生較大的磁場(chǎng)與渦流現(xiàn)象。

電纜受損問(wèn)題解決方案和措施:① 更換受損電纜,采用四拼300 mm2電纜按品字型方式敷設(shè),或采用母線供電方式;② 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)空間,由變電所低壓柜至冷凍機(jī)組配電的電纜出線使用T架單排敷設(shè),并盡量按照A、B、C相品字型排放,并避免疊放,以便散熱與減少磁場(chǎng)渦流。

諧波問(wèn)題:從“電能質(zhì)量測(cè)試報(bào)告”分析,5#變壓器低壓總斷路器出線側(cè)電壓及電流波形基本未出現(xiàn)畸變,總電壓、電流畸變率小于5%;6#變壓器低壓總斷路器出線側(cè)電壓及電流波形基本未出現(xiàn)畸變,總電壓、電流畸變率為4.90%～5.44%。這些數(shù)據(jù)基本滿(mǎn)足國(guó)家規(guī)范的要求,參照設(shè)備的運(yùn)行狀況,目前階段無(wú)需治理,后續(xù)可根據(jù)運(yùn)行負(fù)載的增加再進(jìn)行相應(yīng)監(jiān)測(cè)和處理。

4 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)蘇州某大型商業(yè)綜合體的變電所內(nèi)存在的斷路器跳閘、電纜受損及諧波等問(wèn)題進(jìn)行理論計(jì)算,并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,業(yè)主根據(jù)設(shè)計(jì)院提交的建議重新調(diào)整和整改后,至今變配電設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常,再無(wú)上述問(wèn)題發(fā)生。