制冷站供配電方案設計

吳 凡

(廣州市住宅建筑設計院有限公司北京分公司，北京 100022)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，建筑物規(guī)模體量不斷增大，大容量冷水機組使用率也因此越來越高。在大型制冷站中的眾多設備中，冷水機組容量相對較大，一套合理的供配電方案在滿足制冷站可靠運行的前提下，做到最大程度上的投資節(jié)約是設計中需要考慮的問題。本文以一實際超高層建筑的制冷站為例，統(tǒng)計了制冷站內各類設備的容量，對比了幾種負荷計算方法，校驗了設備啟動時母線的電壓降，分析了高壓繼電保護整定方法、低壓主開關的選擇依據(jù)，以及闡述了變壓器容量選擇的方案。

1 項目概況

本項目為一超高層建筑。該建筑業(yè)態(tài)為辦公，建筑面積8.1萬m2。地下共4層，核心筒外為地下車庫范圍。地上共44層，其中，1層為大堂，2～7層核心筒外為商業(yè)裙房范圍，8～42層為辦公區(qū)域(其中9、20、31層為避難層)，43、44層僅有核心筒區(qū)域(為設備用房)。制冷站位于地下二層，采用4臺冷凍機組作為冷源。冷卻塔設置在裙樓屋面。

2 設備容量統(tǒng)計及負荷計算

本工程制冷設備容量如表1所示。其中制冷站內設備容量為3 624kW。表1中的冷卻塔風機、冷卻塔補水泵不在地下二層的制冷站中，考慮到功能的一致和完整，將其與制冷站內設備一起配電。表1中不包含平時不使用的備用設備。

設備容量表 表1

2.1 需要系數(shù)法

依據(jù)《工業(yè)與民用供配電設計手冊》(第4版)第10頁，各設備組需要系數(shù)Kd取0.8，變壓器低壓側各設備組之間同時系數(shù)K∑p取0.85。

經(jīng)計算變壓器低壓側計算功率Pjs=K∑p×∑ (Kd×Pe)=1 859.7kW。

2.2 二項式法

依據(jù)《鋼鐵企業(yè)電力設計手冊》(上冊)第99頁：式2-14：Pjs=(cPn)max+∑bPs，其中，Ps為設備組設備功率，Pn為設備組找那個功率最大的n臺設備之和。對于泵、通風機、空氣壓縮機等設備組，c=0.25,b=0.65,n=5。當設備組內臺數(shù)x<2n時，取n=x/2。

故經(jīng)計算，Pjs=(0.25×2×426)+0.65× 2 734=1 991kW。

2.3 利用系數(shù)法

依據(jù)《工業(yè)與民用供配電設計手冊》(第4版)第15頁，對于泵、通風機、空氣壓縮機的利用系數(shù)Ku=0.55。平均利用系數(shù)Kut=0.55?！芇av=1504；neq=9.4；Km=1.16。

故經(jīng)計算，Pjs=Km×∑Pav=1.16×1 504=1 745kW。

2.4 結果及對比分析

由以上計算結果可知，三種方法結果基本一致。

如選取兩臺1 250kVA的變壓器，三種計算方法下的變壓器負載率分別為：80.8%，86.6%，75.9%?；痉弦?guī)范對變壓器負載率的要求(此處假定變壓器功率因數(shù)補償?shù)?.92)。

對比可知，需要系數(shù)法計算過程最為簡便，但系數(shù)選取會有一定主觀差異，特別是在設備容量差異較大的情況下。 二項式法計算過程比較簡便，適合于設備臺數(shù)較多、設備容量差異較大的情況。利用系數(shù)法計算過程較為繁瑣，但避免了需要系數(shù)法中系數(shù)選取的問題。

3 設備啟動時電壓相對值校驗

本工程制冷機組容量較大，且不屬于重載啟動，因此對啟動轉矩的要求不高?？梢圆捎贸Ｓ玫男?三角啟動方式。

3.1 關于設備端子及母線電壓相對值的規(guī)定

根據(jù)GB 50055-2011《通用用電設備配電設計規(guī)范》第2.2.1條：電動機啟動時，其端子電壓應能保證機械要求的啟動轉矩，且在配電系統(tǒng)中引起的電壓波動不應妨礙其他用電設備的工作。

(1)為保證本臺設備可靠啟動，端子電壓相對值應符合如下公式指標。依據(jù)《工業(yè)與民用供配電設計手冊》(第4版)第480頁。

1)設備采用直啟方式時，端子電壓相對值應滿足:

2)設備采用星三角啟動方式時，mstM(即啟動轉矩相對值)為直接啟動時的0.33倍。所以，端子電壓相對值應滿足:

(2)為保證本臺設備啟動時，引起的電壓波動不妨礙其他用電設備的工作，GB 50055-2011第2.2.2條規(guī)定了各類情況下的母線電壓相對值指標。本工程配電母線上未接照明或其他隊電壓波動較敏感的負荷，適用于第2.2.2條第2款。故要求母線電壓不低于額定電壓的80%。

3.2 校驗(計算)示例

3.2.1 本工程已知電氣條件

(1) 廠家樣本提供數(shù)據(jù)：冷凍機組額定功率P=426kW；滿載電流I=721A；電機額定功率PrM=552kW；電機額定電流IrM=954A；電機額定容量SstM=0.629 6MVA；星型接線時啟動電流Ist(Y)= 1 481A；啟動容量SstM(Y)=0.977 5MVA；三角型接線時啟動電流(直啟)Ist(Δ)=4 443A；啟動容量SstM(Δ)=2.932 4MVA。

(2)其他已知數(shù)據(jù)條件：本工程開閉站處最小短路容量Sk(開閉站)min=81.44MVA。

根據(jù)上文容量計算，擬采用兩臺SrT=1 250kVA 變壓器。uT=6%。

3.2.2 校驗(計算)過程

(1)查表法估算是否可以直接啟動

依據(jù)《工業(yè)與民用供配電設計手冊》(第4版)第486頁，表6.5-7。按變壓器一次側短路容量Sk指標查表，本電機功率PrM<0.03Sk，可以全壓啟動(直啟)。按變壓器額定容量SrT指標查表，本電機功率PrM>0.3SrT，不可以全壓啟動(直啟)。

因表格所列數(shù)據(jù)為估算值，要符合所有情況，相對保守，本例中的數(shù)據(jù)又接近表中的上限值，所以應具體計算來確定結果。

(2)公式計算法

1)變壓器低壓側銅母線型號：TMY-3[2(100×10)]+2(100×10),長度約5m。

r銅母線=0.011mΩ/m,x銅母線=0.116mΩ/m

z銅母線=0.11652mΩ/m，Z銅母線=

z銅母線×l=0.000583Ω

2)饋線采用1 000A母線槽，長度約30m。

r母線槽=0.056mΩ/m,x母線槽=0.027mΩ/m

z母線槽=0.062mΩ/m，Z母線槽=z母線槽×l=0.00186Ω

3)變壓器(除本機組外)的其他負荷的無功功率

Qfh=Pfh×tanφ=941×0.484=0.4554MVar

4) 變壓器低壓側短路容量

星型接線啟動時：Sst(Y)=0.9616MVA；直啟時：Sst(Δ)=2.794MVA

星型接線啟動時：ustm(Y)=94.66% > 80%；符合母線電壓要求。

直啟時：ustm(Δ)=85.92% > 80%；符合母線電壓要求。

星型接線啟動時：ustM(Y)=93.1% > 81.24%；符合電機啟動要求。

直啟時：ustM(Δ)=81.86% > 41.69%；符合電機啟動要求。

由以上計算分析可知：本工程冷凍機組的兩種啟動方式都滿足要求。

3.3 結果分析

通過計算過程可知，影響母線及設備端子電壓相對值的因素有：(1)變壓器一次側短路容量；(2)變壓器的容量及阻抗百分數(shù)；(3)電動機的啟動容量；(4)線纜阻抗；(5)母線上其他設備的無功功率。

以上幾個因素中，第2、3、4條是可以在設計中調整的。其中，通過降低電動機啟動容量是最常用的方法，即星三角啟動、軟啟動等。此外，還可以通過增加變壓器容量來改善電壓降。(在本例中，若變壓器提高一級容量為1 600kVA，直接啟動時母線電壓相對值ustm(Δ)=88.03%；僅比原先的85.92%提高了約兩個百分點。可見此方法改善電壓降的效果并不明顯，且提高了變壓器規(guī)格和增加了報裝容量，一次投資有所增加。)

另外，通過增加線徑改變電纜阻抗的方法也能調整電壓降，但此方法成本很高且效果亦不明顯，在此不再討論。

4 高壓繼電保護整定

4.1 本工程已知電氣條件

中心(區(qū)域)變電站10kV側：最大短路容量Sk(電源)max=200MVA；最小短路容量Sk(電源)min=120MVA。

本工程開閉站10kV高壓進線：YJV-8.7/10-3×240mm2，長度約5km。

4.2 計算(整定)過程

本建筑開閉站10kV側：最大短路容量Sk(開閉站)max=111.8MVA；最小短路容量Sk(開閉站)min=81.44MVA。

(1)變壓器過電流保護整定：(保護動作時限為0.5s)

通過計算，本工程在最小系統(tǒng)下變壓器低壓側的三相短路電流I22k3·min=22.69kA。

低壓側兩相短路電流I22k2·min=0.866I2k3·min=19.652kA。

因此，為滿足保護靈敏度，Iop≤499.1A；通常設置Iop為150A。

(2)電動機啟動時尖峰電流對高壓保護裝置的影響

根據(jù)廠家樣本，設備星型接線時啟動電流Ist(Y)=1 481A； 三角型接線時啟動電流(直啟)Ist(Δ)=4 443A；

變壓器所帶設備電流(除本臺冷凍機組)IC(n-1)=1 647A。

星型接線時啟動，變壓器低壓側尖峰電流I2jf(Y)=Ist(Y)+IC(n-1)=1 481+1 647=3 128A；

折算到高壓側尖峰電流I1jf(Y)=I2jf(Y)/nT=119.2A。

直接啟動，變壓器低壓側尖峰電流I2jf(Δ)=Ist(Δ)+IC(n-1)=4 443+1 647=6 090A。

折算到高壓側尖峰電流I1jf(Δ)=I2jf(Δ)/nT=232A。

因電機啟動時間遠大于變壓器過電流保護動作時限，為保證電機啟動時高壓保護裝置不誤動作，其一次動作電流應大于低壓側尖峰電流折算值，即Iop≥1.2I1jf。

4.3 計算(整定)結果

綜合以上因素，變壓器高壓側過電流保護整定值如下所示。

星型接線啟動時，Iop≥119.2A，取Iop=150A即可。

三角型接線啟動(直啟)時，Iop≥232A，須調整繼電保護整定值Iop為300A。

此外，此繼電保護整定值的選取還應考慮高壓線路的保護級間配合，鑒于篇幅不再贅述。因此，就本工程，制冷機組建議采用星三角啟動方式，變壓器高壓側過電流繼電保護整定值Iop=150A。

5 低壓開關選擇

以下以直啟方式(最嚴峻情況下)為例進行校驗。

(1)變壓器低壓主受開關選擇：擬采用脫扣器額定電流In=2 500A的空氣斷路器，則：

長延時整定電流Iset1=0.9In=2 250A

短延時整定電流Iset2=5In=12 500A >1.2×6 090A=7 308A

尖峰電流不會引起主受開關跳閘。

(2)機組回路饋線開關選擇：擬采用脫扣器額

定電流In=1 000A的空氣斷路器，則：

長延時整定電流Iset1=0.9In=900A

瞬時整定電流Iset3=10In=10 000A > 2 ×4 443 A=8 886A

啟動電流不會引起饋線開關跳閘。

6 變壓器的選型

根據(jù)JGJ 16-2008《民用建筑電氣設計規(guī)范》第4.3.3條，本項目制冷站內及相關負荷為容量較大的季節(jié)性負荷，可設置專用變壓器。

最終變壓器容量的確定，既要滿足設備用電需求，并留有一定余量，又要避免浪費。在本工程中，采用兩臺1 250kVA變壓器為制冷站及相關設備供電。

7 結束語