10kV循環(huán)水泵配電方案設(shè)計(jì)及保護(hù)定值解析

摘要：主要介紹了先尼科化工（上海）有限公司循環(huán)水系統(tǒng)改造項(xiàng)目涉及10 kV高壓電機(jī)控制柜的配電方案設(shè)計(jì)、電流保護(hù)定值計(jì)算、設(shè)備安裝及調(diào)試的全過(guò)程。該項(xiàng)目安裝了兩臺(tái)10 kV循環(huán)水泵，功率都為355 kW，在設(shè)備開機(jī)及交接調(diào)試過(guò)程中遇到了一些技術(shù)方面的問題，通過(guò)認(rèn)真解析并調(diào)整電流保護(hù)整定值，解決了高壓電機(jī)啟動(dòng)失敗故障。

關(guān)鍵詞：10 kV電機(jī);10 kV開關(guān)柜;保護(hù)測(cè)控裝置

0? ? 引言

本次工程在先尼科化工（上海）有限公司泰興分公司（以下簡(jiǎn)稱“我司”）循環(huán)水系統(tǒng)上安裝兩臺(tái)10 kV循環(huán)水泵，功率都為355 kW，目的是解決當(dāng)前在循環(huán)水系統(tǒng)中有多臺(tái)大功率低壓循環(huán)水泵在啟泵過(guò)程中產(chǎn)生大電流，對(duì)我司現(xiàn)有供電網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生很大影響的問題。另外，現(xiàn)有的大功率低壓電機(jī)達(dá)不到三級(jí)能效，通過(guò)此次改造，更換為二級(jí)能效的高壓電機(jī)，節(jié)約能耗。

1? ? 工程背景概況及任務(wù)目標(biāo)

2019年8月，工廠對(duì)422循環(huán)水系統(tǒng)的水泵進(jìn)行改造，增加兩臺(tái)10 kV循環(huán)水泵，分別為M1/M2，一用一備，額定工作電壓Ue=10 kV，額定功率P=355 kW，用于工廠車間裝置冷卻循環(huán)水。為滿足供電需求，在生產(chǎn)區(qū)外圍新增設(shè)一座配電室，設(shè)10 kV配電柜一組，10 kV電源從410高壓配電室新上間隔引來(lái)。主要工作任務(wù)：（1）供電一次方案設(shè)計(jì)、配電設(shè)備選型、主要技術(shù)參數(shù)核定。（2）配電設(shè)備保護(hù)定值的計(jì)算。（3）配電設(shè)備調(diào)試。

2? ? 方案解析

本方案主要配電設(shè)備為開關(guān)柜，依據(jù)國(guó)內(nèi)10 kV主流配電產(chǎn)品KYN28A-12型開關(guān)柜典型方案組合設(shè)計(jì)方案，產(chǎn)品執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)《3.6 kV～40.5 kV交流金屬封閉開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備》（GB 3906—2006），完成主體方案和關(guān)鍵元器件的主要參數(shù)確定，詳細(xì)參數(shù)交由供貨廠家依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)確定。

2.1? ? 總體配電設(shè)備配置方案

設(shè)1臺(tái)10 kV總柜與中心配電室出線柜，采用電纜連接引入10 kV用電。3臺(tái)高壓電機(jī)的出線柜，其中2臺(tái)與新增水泵采用電纜連接，2臺(tái)電機(jī)出線柜二合一，采用電氣和機(jī)械聯(lián)鎖，1臺(tái)為備用出線柜，為后期擴(kuò)容準(zhǔn)備;一臺(tái)PT柜提供10 kV測(cè)量電壓和保護(hù)電壓;1臺(tái)DC220 V/40 Ah直流屏，用于操作電源，共新增5臺(tái)配電柜和1臺(tái)直流屏。由于中心配電室設(shè)有備用電容器柜，設(shè)計(jì)為自動(dòng)補(bǔ)償，補(bǔ)償容量為0～400 kvar，若啟用此補(bǔ)償柜，依據(jù)運(yùn)行條件可滿足新增電機(jī)補(bǔ)償需求容量，本次設(shè)計(jì)不做考慮。

2.2? ? 主要參數(shù)和元器件額定參數(shù)選擇

2.2.1? ? 電流計(jì)算

本次新增實(shí)際總負(fù)荷P=355 kW，為后期擴(kuò)容再預(yù)留1臺(tái)355 kW電機(jī)容量，按總功率P=710 kW，取運(yùn)行最低功率因數(shù)cos φ=0.81。額定電流Ie=（P/U）/cos φ=50.60 A，考慮可靠系數(shù)Krel=1.3。總柜的設(shè)計(jì)額定運(yùn)行最大電流Iemax1=1.3Ie=65.78 A。出線柜的設(shè)計(jì)額定運(yùn)行最大電流Iemax2=1.3Ie/2=32.89 A。額定短時(shí)最大運(yùn)行電流為兩臺(tái)電機(jī)同啟狀態(tài)，啟動(dòng)倍率取n=10，Imax=n×Ie=506 A。

2.2.2? ? 主要元器件選型依據(jù)

（1）電流互感器：電流互感器總柜倍比為75/5，出線柜倍比為40/5，考慮計(jì)量、測(cè)量、保護(hù)三功能，繞組選擇0.2/0.5/10P10。

（2）進(jìn)線真空斷路器：選擇施耐德HVX-12型，額定電流630 A，可充分滿足進(jìn)線電流要求，分?jǐn)嗄芰σ罁?jù)上級(jí)供電線路選擇25 kA。

（3）出線開關(guān)選擇：循環(huán)水泵開啟后一個(gè)工作周期無(wú)特別狀況不停機(jī)，無(wú)頻繁操作，故排除FC回路的選擇，選擇配置真空斷路器。

（4）進(jìn)線柜設(shè)線路保護(hù)測(cè)控裝置。

（5）電壓互感器配置Y/△（開口）形式，選擇JDZ9-10 10/

0.1/3，數(shù)量3只，容量設(shè)計(jì)為30 VA/50 VA。

3? ? 配電設(shè)備保護(hù)定值的計(jì)算

3.1? ? 進(jìn)線柜保護(hù)定值

3.1.1? ? 速斷值

按躲過(guò)同啟電機(jī)的最大啟動(dòng)電流總和計(jì)算，計(jì)算公式為：

式中：Krel為可靠系數(shù)，取值為1.5;Km為電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)最大電流倍數(shù)（取值范圍為8～10之間）;In為二次額定電流;Ie為額定電流;nTA為電流互感器變比。

45.6 A;速斷動(dòng)作時(shí)間：T1dz1=0 s。

3.1.2? ? 過(guò)流Ⅱ段

定時(shí)限過(guò)流保護(hù)動(dòng)作電流整定值計(jì)算公式為：

式中：Krel為可靠系數(shù)，取值為1.3;Kast為電機(jī)自啟動(dòng)系數(shù)，取值為6。

定時(shí)限電流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間：T1dz2=0.4 s。

3.1.3? ? 過(guò)流Ⅲ段

按躲過(guò)所有負(fù)荷額定運(yùn)行電流總和計(jì)算，計(jì)算公式為：

3.2? ? 出線柜保護(hù)定值

3.2.1? ? 速斷保護(hù)

3.2.1.1? ? 速斷值

按躲過(guò)電動(dòng)機(jī)最大起動(dòng)電流計(jì)算，計(jì)算公式為：

3.2.1.2? ? 過(guò)流Ⅱ段（堵轉(zhuǎn)、定時(shí)限電流保護(hù)）

定時(shí)限過(guò)流保護(hù)動(dòng)作電流整定值計(jì)算公式為：

式中：Krel為可靠系數(shù)，取值為1.3;Kast為電機(jī)自啟動(dòng)系數(shù)，取值為6。

定時(shí)限電流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間：T1dz2=0.4 s。

3.2.1.3? ? 過(guò)流Ⅲ段（啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)保護(hù)）

堵轉(zhuǎn)保護(hù)是按照躲過(guò)電機(jī)額定電流進(jìn)行計(jì)算的，動(dòng)作時(shí)間大于啟動(dòng)時(shí)間設(shè)置，其計(jì)算公式為：

堵轉(zhuǎn)保護(hù)整定時(shí)間推薦為：

式中：Tstmax為電機(jī)實(shí)測(cè)最長(zhǎng)啟動(dòng)時(shí)間，取12 s。

3.2.2? ? 負(fù)序過(guò)電流保護(hù)

3.2.2.1? ? 負(fù)序Ⅰ段過(guò)電流保護(hù)

負(fù)序Ⅰ段動(dòng)作電流計(jì)算公式為：

動(dòng)作時(shí)間取T2dz1=（0.5～3）s，一般整定為1 s（根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況定）。

3.2.2.2? ? 負(fù)序Ⅱ段過(guò)電流保護(hù)

負(fù)序Ⅱ段動(dòng)作電流計(jì)算公式為：

通常取I2dz2=0.35In=0.35×3.44≈1.20 A。

動(dòng)作時(shí)間取T2dz2=（10～25）s。

3.2.3? ? 過(guò)負(fù)荷保護(hù)（本段一般動(dòng)作于告警）

按照躲過(guò)電動(dòng)機(jī)額定電流整定，計(jì)算公式為：

式中：Kk為可靠系數(shù)，取1.05～1.1;Kf為返回系數(shù)，取0.9。

動(dòng)作時(shí)間取Tgfh=15 s。

3.2.4? ? 零序保護(hù)

按躲過(guò)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)不平衡電流整定及電纜容流計(jì)算，計(jì)算公式為：

式中：Krel為可靠系數(shù)，取2.0;Ta0=40/5=8。

經(jīng)查100 m 10 kV/95 mm2電纜運(yùn)行電容電流=1.095 A/km，I0dz=2×0.109 5/8≈0.027 4 A。實(shí)際容流較小，因此為躲避不平衡零漂，取值I0dz=0.4 A;動(dòng)作時(shí)間取T0dz=1 s。

4? ? 設(shè)備調(diào)試及問題排除

4.1? ? 設(shè)備調(diào)試

（1）設(shè)備安裝完成后進(jìn)行調(diào)試。合上總柜，各項(xiàng)參數(shù)指示正常。打開1號(hào)水泵閥門，合1號(hào)水泵開關(guān)，電機(jī)啟動(dòng)，啟動(dòng)電流陡升緩降，有輕微抖幅;8 s，顯示一次電流34.16 A;12 s，電流趨于平穩(wěn)，顯示一次電流24.11 A，檢測(cè)二次電流2.95 A。檢查水泵出水正常，5 min顯示一次電流22.5 A，二次電流2.81 A，多次測(cè)量偏差較小，水泵運(yùn)行正常。

（2）15 min后，停1號(hào)水泵，約60 min，再次啟泵重復(fù)檢測(cè)，工作平穩(wěn)，數(shù)據(jù)記錄偏差較小。

（3）30 min后，停1號(hào)水泵，將1號(hào)水泵開關(guān)退出到試驗(yàn)位置，1號(hào)水泵關(guān)閥，2號(hào)水泵開閥就位，將2號(hào)水泵開關(guān)投入到工作位置。

（4）合2號(hào)水泵開關(guān)，電機(jī)啟動(dòng)，啟動(dòng)電流陡升陡降，電流有抖幅但幅度不大;8 s后有陡增，顯示一次電流54.5 A，檢測(cè)二次電流6.75 A;15 s開關(guān)跳閘動(dòng)作，綜合保護(hù)器顯示過(guò)流故障，動(dòng)作電流4.95 A。

4.2? ? 問題分析及處理

（1）檢查發(fā)現(xiàn)泵內(nèi)水壓有差距，2號(hào)泵距離上次啟動(dòng)時(shí)間最長(zhǎng)，本次啟動(dòng)初始階段顯示水壓為0，檢查閥門沒有堵塞現(xiàn)象，依此判斷2號(hào)泵在經(jīng)歷輕載啟動(dòng)后接下階段負(fù)載情況。啟動(dòng)過(guò)程經(jīng)歷15 s，動(dòng)作電流接近臨界值，判定為輕載轉(zhuǎn)重載，一次啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，給定的啟動(dòng)時(shí)間偏小，電機(jī)參數(shù)規(guī)定為不大于25 s，故確定過(guò)流Ⅲ段設(shè)定的啟動(dòng)時(shí)間Kgl值偏小。

（2）為防止投運(yùn)后備用泵再次出現(xiàn)輕載轉(zhuǎn)負(fù)載，引發(fā)一次啟動(dòng)失敗現(xiàn)象，決定將保護(hù)定值的過(guò)流Ⅲ段做調(diào)整。因水泵啟動(dòng)保護(hù)電流在臨界點(diǎn)，電流整定I1dz3=4.82 A，過(guò)流值計(jì)算相對(duì)準(zhǔn)確，故不做調(diào)整，判定將計(jì)算數(shù)據(jù)中Kgl取1.2偏小，試取1.5，計(jì)算式為T1dz3=1.5×12=18 s，確認(rèn)輸入。

5? ? 結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)闡述了兩臺(tái)高壓電機(jī)及配套配電方案設(shè)計(jì)、選型、采購(gòu)、安裝及調(diào)試的全過(guò)程，針對(duì)調(diào)試過(guò)程中遇到的技術(shù)問題，本文提出了有效的解決方案，排除了故障，設(shè)備各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)達(dá)到了方案最初的設(shè)計(jì)要求，項(xiàng)目實(shí)施非常成功，這也為先尼科化工（上海）有限公司泰興分公司二期循環(huán)水裝置建設(shè)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

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收稿日期：2020-06-02

作者簡(jiǎn)介：於偉（1977—），男，上海人，高級(jí)工程師，研究方向：電氣和儀表自動(dòng)化。