長(zhǎng)距離低壓水泵配電設(shè)計(jì)探討

王 義，杜永幫

(深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，深圳518029)

0 引言

由于某些工程項(xiàng)目特殊性，一些用電設(shè)備距離低壓配電中心較遠(yuǎn)，給配電造成一定困難。 本文結(jié)合工程實(shí)際， 以綜合管廊排水用潛水泵配電設(shè)計(jì)為例，探討分析長(zhǎng)距離低壓配電設(shè)計(jì)一些關(guān)鍵問題。

1 工程案例

某市軌道交通共建管廊工程，管廊總長(zhǎng)度約40km，一部分采用明挖法，大部分采用暗挖法的盾構(gòu)型式。 入廊管線有給水、再生水、污水、燃?xì)?、電力、通訊等?盾構(gòu)管廊每隔1～1.6km 設(shè)置一座綜合井。 盾構(gòu)管廊最大埋深達(dá)40m，綜合艙內(nèi)有1.2 ～1.8m 直徑不等的給水干管。 由于給水管道在始發(fā)綜合井內(nèi)突然下沉較深，水錘現(xiàn)象嚴(yán)重，為防止水錘產(chǎn)生的爆管淹沒管廊，在給水管道爆管時(shí)，關(guān)閉綜合井內(nèi)管道兩端檢修閥，同時(shí)打開排泥放空閥，并按照水務(wù)部門要求，在4h 內(nèi)排空管廊事故水，相應(yīng)設(shè)置的潛水泵功率較大，配電距離較遠(yuǎn)。

在兩個(gè)綜合井之間最低點(diǎn)設(shè)置泵坑，潛水泵功率為75kW，距離綜合井內(nèi)變配電所500m。 潛水泵電動(dòng)機(jī)主要參數(shù)如表1。

潛水泵主要參數(shù)表 表1

供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)為在每座綜合井內(nèi)設(shè)置10/0.4kV 降壓變配電所，為綜合井內(nèi)及兩端半個(gè)區(qū)間負(fù)荷配電；變電所設(shè)置一臺(tái)SCB13- 10/0.4kV，630kVA，D，yn11 (Uk＝4%)變壓器，低壓母線TMY-4 (80×8)＋1 (50×5)，母線長(zhǎng)5m，系統(tǒng)短路容量Sd＝200MVA；變壓器低壓側(cè)采用單母線接線方式，接地形式為TN-S 系統(tǒng)。

2 電動(dòng)機(jī)起動(dòng)方式

電動(dòng)機(jī)起動(dòng)目前主要有以下幾種常用方式，各個(gè)起動(dòng)方式技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較優(yōu)缺點(diǎn)如下。

(1)直接起動(dòng):優(yōu)點(diǎn)是不需要增加輔助起動(dòng)設(shè)備，減少了投資。 缺點(diǎn)是75kW 電機(jī)起動(dòng)電流較大，一般是額定電流的7 倍，對(duì)電網(wǎng)沖擊較大。 對(duì)于容量較大電機(jī)，一般不予采用。

(2)Y-Δ 降壓起動(dòng):優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜， 缺點(diǎn)是起動(dòng)力矩小，僅適用于無(wú)載或輕載起動(dòng)。 起動(dòng)電流是直接啟動(dòng)電流的1/3，自動(dòng)化水平低。

(3)軟啟動(dòng)器起動(dòng):優(yōu)點(diǎn)是可以設(shè)置啟動(dòng)時(shí)間和起動(dòng)初始力矩對(duì)設(shè)備實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)與軟停止，自動(dòng)化水平較高，市政行業(yè)使用廣泛。 缺點(diǎn)是不具備調(diào)速功能，起動(dòng)電流2 倍左右，價(jià)格稍高。

(4)變頻器起動(dòng):根據(jù)設(shè)定時(shí)間平滑啟動(dòng)，起動(dòng)電流倍數(shù)可低至1 倍，一般為1.2 ～1.5 倍，自動(dòng)化水平高，能實(shí)現(xiàn)電機(jī)全程控制，市政行業(yè)使用廣泛。缺點(diǎn)是價(jià)格較高。

3 配電方案

配電方案的選擇除了考慮電動(dòng)機(jī)起動(dòng)方式外，還要考慮以下幾個(gè)主要因素:(1)線路末端電壓降；(2)開關(guān)動(dòng)作靈敏度；(3)電纜載流量。

3.1 常規(guī)方式(線路上不設(shè)置任何改變電壓的裝置)

3.1.1 線路末端電壓降校驗(yàn)

由于配電距離較長(zhǎng)，要對(duì)線路末端電壓降進(jìn)行校驗(yàn)，按照規(guī)范要求潛水泵電機(jī)兩端電壓降應(yīng)不大于5%。 線路電壓降計(jì)算公式為:

則ΔUa%≤ΔU%/IL，其中，ΔU%＝5%，回路計(jì)算電流:I＝135.3A，L ＝500m＝0.5km，帶入上式得ΔUa%≤0.074。 查參考文獻(xiàn)，配電電纜選擇交聯(lián)聚乙烯絕緣聚氯乙烯護(hù)套電力電纜，最小截面為185mm2，功率因數(shù)cosφ ＝0.9，ΔUa%＝0.064。 潛水泵電機(jī)兩端電壓降:ΔU%＝0.064×135.3×0.5 ＝4.33%≤(允許值)5%，滿足電壓降要求。

電纜按照環(huán)境和溫度系數(shù)綜合校正后的載流量，要大于供電電纜起始端斷路器脫扣器長(zhǎng)延時(shí)整定電流值。 回路計(jì)算電流值為135.3A，故變電所處潛水泵回路斷路器脫扣器長(zhǎng)延時(shí)整定電流為160A，選用交聯(lián)聚乙烯絕緣聚氯乙烯護(hù)套銅芯電力電纜YJV-0.6/1kV-3×185＋1×95mm2，校正后電纜載流量為303A，滿足載流量要求。

3.1.2 開關(guān)動(dòng)作靈敏度校驗(yàn)

潛水泵配電線路保護(hù)有過載保護(hù)、短路保護(hù)及接地故障保護(hù)。 短路包括三相短路、兩相短路、相中短路及單相接地短路故障。 其中單相短路接地故障電流最小，開關(guān)整定值范圍內(nèi)不容易動(dòng)作。 故本文只校驗(yàn)單相接地故障情況下開關(guān)動(dòng)作靈敏度。其他短路情況校驗(yàn)方法類似。

圖1 線路末端單相接地故障等效電路簡(jiǎn)圖

單相接地故障電流要按照“相-?；芈贰边M(jìn)行計(jì)算。 當(dāng)線路最末端發(fā)生單相接地故障(如圖1 中k1) 時(shí)，該相-?；芈分?，主要有高壓系統(tǒng)、變壓器、低壓母線、低壓電纜四種阻抗元件，單相接地故障電流為:

式中，Zphp為回路總阻抗，Rphp為回路各元件相保電阻之和，即Rphp＝Rphp.s＋Rphp.t＋Rphp.m＋Rphp.l；Xphp為回路各元件相保電抗之和，即Xphp＝Xphp.s＋Xphp.t＋Xphp.m＋Xphp.l。 其中的Rphp.s、Rphp.t、Rphp.m、Rphp.l，分別為前述的高壓系統(tǒng)、變壓器、低壓母線、低壓電纜之相保電阻(Xphp含義類此， 不重述)。 查參考文獻(xiàn)，就本工程實(shí)例進(jìn)行相關(guān)計(jì)算可得:

從上面壓降計(jì)算結(jié)果得知，潛水泵回路計(jì)算電流I＝135.3A，Ir1＝160A。 斷路器動(dòng)作靈敏度為:

其中，Ir1為斷路器脫扣器長(zhǎng)延時(shí)整定電流值；Ir2為斷路器短路過電流脫扣器的整定電流值；Kr為斷路器過電流脫扣器整定倍數(shù)。 代入上面公式(3)，得Kr≤934/(1.3×160)＝4.5 倍。 因此，斷路器過電流脫扣器整定值≤4.5 倍長(zhǎng)延時(shí)整定電流，才能滿足單相接地故障情況下，斷路器靈敏動(dòng)作。

3.1.3 不同起動(dòng)方式下配電電纜選擇及開關(guān)整定

電機(jī)在不同起動(dòng)方式下，電纜截面的選擇除滿足載流量大于回路計(jì)算電流外，還要滿足正常運(yùn)行情況下末端電壓降要求。 斷路器保護(hù)整定分為過載長(zhǎng)延時(shí)電流整定、短路短延時(shí)過流整定及短路瞬時(shí)過流整定。 過載長(zhǎng)延時(shí)電流整定值按脫扣器電流不小于回路計(jì)算電流1.05 倍整定，且不大于電纜載流量；短延時(shí)或瞬時(shí)過流整定值應(yīng)按單相接地故障靈敏度計(jì)算值確定。 其中，短延時(shí)過流整定值尚應(yīng)不小于起動(dòng)電流1.8 倍，瞬時(shí)過電整定值尚應(yīng)不小于起動(dòng)電流2.2 倍。 常規(guī)方式時(shí)，不同起動(dòng)方式下電纜和開關(guān)整定見表2。

不同起動(dòng)方式下電纜和開關(guān)整定 表2

3.2 線路末端設(shè)置穩(wěn)壓器

穩(wěn)壓器一般由調(diào)壓電路、控制電路、銅芯線圈調(diào)壓柱、穩(wěn)壓補(bǔ)償線圈及伺服電機(jī)等組成。 當(dāng)輸入電壓或負(fù)載變化時(shí)，控制電路進(jìn)行取樣、比較、放大，然后驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使調(diào)壓器碳刷位置改變，通過自動(dòng)調(diào)整線圈匝數(shù)比，從而保持輸出電壓的穩(wěn)定。 容量較大的穩(wěn)壓器，還采用電壓補(bǔ)償?shù)脑砉ぷ?；同時(shí)穩(wěn)壓器還具有過壓、欠壓、過載、過流、短路、缺相、相序保護(hù)及機(jī)械故障等保護(hù)功能，配備多種智能接口，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程“遙信、遙測(cè)、遙控”。 例如某產(chǎn)品穩(wěn)壓器(工作原理圖參見圖2)輸入電壓在304～456V 時(shí)，輸出電壓穩(wěn)定在380V±2%～5%。 補(bǔ)償式穩(wěn)壓器可廣泛使用于工礦企業(yè)或遠(yuǎn)距離末端電壓低的配電場(chǎng)所，全自動(dòng)補(bǔ)償升壓穩(wěn)壓。 當(dāng)電網(wǎng)電壓不穩(wěn)或電壓波動(dòng)較大時(shí)穩(wěn)壓器可以全自動(dòng)調(diào)節(jié)穩(wěn)壓器電壓，穩(wěn)定末端電壓為合理值。

穩(wěn)壓器容量一般根據(jù)設(shè)備電機(jī)瞬時(shí)啟動(dòng)電流選擇。 通常為設(shè)備容量的2.5 ～3 倍，并留有一定的余量。

通過常規(guī)方式計(jì)算結(jié)果得知，直接按照電壓降選擇電纜截面較大，很不經(jīng)濟(jì)。 可以考慮在線路末端設(shè)置價(jià)格不高的穩(wěn)壓器來提高線路末端電壓的方式，達(dá)到滿足設(shè)備末端壓降的要求，使電纜截面的選擇僅考慮載流量和開關(guān)動(dòng)作靈敏度即可。 不僅減小了電纜截面、節(jié)約有色金屬，還節(jié)約投資，提高性價(jià)比。

圖2 某廠補(bǔ)償式穩(wěn)壓器工作原理圖

3.2.1 按照電纜載流量選擇

加裝穩(wěn)壓器后，末端線路電壓提升則不需考慮壓降影響，按照斷路器長(zhǎng)延時(shí)整定電流和電纜載流量選擇電纜截面。 查參考文獻(xiàn)，選擇最小電纜截面，交聯(lián)聚乙烯絕緣聚氯乙烯護(hù)套銅芯電纜YJV-0.6/1kV-3×95 ＋1×50mm2，校正后電纜載流量為202A，滿足載流量要求。

3.2.2 開關(guān)動(dòng)作靈敏度校驗(yàn)

穩(wěn)壓器的阻抗參照 SCB10 - 10/0.4kV，250kVA，D，yn11 (Uk＝4%)變壓器考慮，穩(wěn)壓器Rphp.w＝6.17mΩ，Xphp.w＝24.85mΩ。 回路總相保電阻Rphp＝410.71mΩ，總相保電抗Xphp＝130.12mΩ。 Ik＝511A，Kr≤511/(1.3×160)＝2.45 倍。 因此，斷路器過電流脫扣器整定值不大于2.45 倍長(zhǎng)延時(shí)整定電流，才能滿足單相接地故障情況下斷路器靈敏動(dòng)作。

3.2.3 不同起動(dòng)方式下配電電纜選擇及開關(guān)整定

通過以上計(jì)算，線路末端設(shè)置穩(wěn)壓器時(shí)，不同起動(dòng)方式下電纜和開關(guān)整定見表3。

表3 不同起動(dòng)方式下電纜和開關(guān)整定

3.3 驗(yàn)證不同電纜截面對(duì)單相接地故障電流影響

為便于比較，以配電電纜YJV-0.6/1kV-3×95＋1×50mm2為例，把上述工程實(shí)例中電纜分別換用YJV-0.6/1kV-4×95mm2、YJV-0.6/1kV-3×120 ＋1×70mm2、YJV-0.6/1kV-4×120 mm2等不同截面電纜，可求得不同情況下單相接地故障電流(增減百分比均以原YJV-0.6/1kV-3×95＋1×50mm2為比較基準(zhǔn))，見表4。

不同電纜截面時(shí)單相接地故障電流 表4

可以看出:(1)當(dāng)配電線路較長(zhǎng)時(shí)， 回路阻抗較大， 末端單相短路電流數(shù)值較小， 不利于線路前端短路保護(hù)電器動(dòng)作。 這也是長(zhǎng)距離配電設(shè)計(jì)中值得關(guān)注的首要問題。 (2)加大導(dǎo)線截面(尤其是PE線截面)， 可以顯著增大單相接地故障電流，是提高開關(guān)動(dòng)作靈敏度的首選措施。

綜上所述，通過公式(1)(2)(3)得知，線路壓降和開關(guān)動(dòng)作靈敏度與配電電纜截面和配電距離有直接關(guān)系。 而如果配電距離不變，則電纜截面大小是決定性因素。 從以上計(jì)算結(jié)果得知，要滿足電壓降要求，就要選擇比較大的電纜截面，但為了保證經(jīng)濟(jì)性，可以考慮在末端設(shè)置穩(wěn)壓器，可以滿足設(shè)備電機(jī)兩端電壓降要求，消除因滿足電壓降而導(dǎo)致電纜截面急劇增大的影響，還能提高綜合性價(jià)比。

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)末端設(shè)備功率較大時(shí)，要采用合適的起動(dòng)裝置改善設(shè)備起動(dòng)電流。

(2)長(zhǎng)距離配電線路， 必須充分重視末端電壓降及短路情況下開關(guān)動(dòng)作靈敏度的校驗(yàn)。 采用低壓斷路器時(shí)， 短路開關(guān)動(dòng)作靈敏度與斷路器短路過電流脫扣器整定倍數(shù)及電纜截面密切相關(guān)。

(3)長(zhǎng)距離配電線路，對(duì)于較大功率設(shè)備采用穩(wěn)壓器是改善末端設(shè)備電壓降首選。

(4)采用TN 系統(tǒng)時(shí)，提高系統(tǒng)故障防護(hù)靈敏性的措施有:1)采用D，yn11 變壓器；2)合理降低斷路器脫扣器整定倍數(shù)，采用帶短延時(shí)過流脫扣器的斷路器；3)采用剩余電流保護(hù)器；4)適當(dāng)加大相導(dǎo)體、中性線N 和PE 線截面；5)適當(dāng)減小回路正常運(yùn)行電流。

(5)本文所列算法同樣適用于其他類型負(fù)荷長(zhǎng)距離低壓配電驗(yàn)算。