石化企業(yè)低壓電動機(jī)電纜截面選擇及校驗

陳廣書

(山東濟(jì)煉石化工程有限公司,山東 濟(jì)南 250101)

1 概述

低壓電動機(jī)在石化企業(yè)生產(chǎn)裝置用電設(shè)備中占有絕大部分比例,而低壓電動機(jī)的配電設(shè)計中很重要的一個環(huán)節(jié)就是低壓電纜截面的設(shè)計選擇。

低壓電動機(jī)電纜截面選擇的基本原則,主要有：(1)按允許溫升(即載流量)選擇截面；(2)按短路熱穩(wěn)定的要求選擇截面(可不單獨(dú)校驗)；(3)按回路允許壓降選擇截面；(4)按經(jīng)濟(jì)電流密度選擇截面；(5)按機(jī)械強(qiáng)度選擇電纜截面。除以上電纜截面選擇需要考慮的因素外,石化企業(yè)裝置多為易燃易爆危險環(huán)境,在爆炸危險性氣體環(huán)境及爆炸性粉塵環(huán)境10 區(qū)內(nèi),電纜截面的選擇,應(yīng)符合引向1000V 以下鼠籠型電動機(jī)支線的長期允許載流量,不應(yīng)小于電動機(jī)額定電流的1.25 倍。

另外,由于供電距離較長,電纜截面初步選定后,除以上電纜截面選擇需要考慮的因素外,如何校驗短路保護(hù)靈敏度,并解決長距離供電的情況下,短路保護(hù)與配電電纜截面的配合問題,也是石化企業(yè)電纜截面選擇需要考慮的重要因素。

石化企業(yè)生產(chǎn)裝置低壓電力電纜主要采用交聯(lián)聚乙烯絕緣,交聯(lián)聚氯乙烯護(hù)套,鋼帶鎧裝銅芯電纜(ZRYJV22-0.6/1KV 型),本文以此類型電纜為例,結(jié)合自己實際設(shè)計中的經(jīng)驗和總結(jié),闡述一下石油化工裝置低壓電纜截面的選擇。

2 電纜截面選擇

某大型石化企業(yè)新建煉油裝置中,涉及一臺45kW電機(jī)(Ie=84A,Iq=588A),供電線路長度350m,在變電所內(nèi)沿梯型電纜橋架敷設(shè),裝置內(nèi)主要沿充砂電纜溝敷設(shè)。變電所6kV 變壓器高壓側(cè)系統(tǒng)短路容量75MVA(最小運(yùn)行方式,系統(tǒng)阻抗RS=0.21mΩ、XS=2.12mΩ(歸算到400V側(cè))),變壓器采用S13 系列,容量800kVA,短路阻抗4.5%(RT=1.88mΩ,XT=8.8mΩ(歸算到400V 側(cè)))。電動機(jī)回路配置如下：塑殼斷路器型號為XT2S160-MA100,單磁脫扣器(短路瞬時),考慮躲過電動機(jī)啟動電流,瞬動過電流脫扣器的整定電流應(yīng)取電動機(jī)起動電流周期分量最大有效值的2 倍～2.5 倍,根據(jù)工程應(yīng)用的實際經(jīng)驗,《工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊第四版》推薦在設(shè)計計算中取2.2倍,即Iset3=2.2*Iq,磁脫扣電流(短路瞬時Iset3)整定為＝1300A,過載保護(hù)及單相接地保護(hù)由低壓綜合保護(hù)裝置實現(xiàn)(單相接地短路時靈敏度要求可不校驗)。

2.1 按載流量初選電纜截面

本次項目電纜在電纜溝中時的散熱條件為最差,以電纜在電纜溝中敷設(shè)的載流量來確定載流量,以《電力工程電纜設(shè)計規(guī)范》(GB50217-2018)表 C.0.1-4“1～3kV 交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜直埋敷設(shè)時允許載流量”中的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)值,乘以各校正系數(shù),即得到按載流量初選的電纜截面。

首先,確定電纜載流量校正系數(shù)：(1)環(huán)境溫度系數(shù),當(dāng)?shù)刈顭嵩码娎|埋深處的平均地溫30℃。根據(jù)《電力電纜設(shè)計規(guī)范》(GB50217-2017)表D.0.1 查得ZR-YJV22-0.6/1KV 型銅芯電纜在當(dāng)?shù)刈顭嵩码娎|埋深處的平均地溫30℃時的環(huán)境溫度系數(shù)K1為0.96；(2)電纜敷設(shè)采用沖砂電纜溝敷設(shè),熱阻系數(shù)取2.0℃·m/W,而表C.0.1-4中載流量對應(yīng)的土壤熱阻系數(shù)為2.0℃·m/W,可不校正,即阻校正系數(shù)為K2=1；(3)多根電纜并列敷設(shè)的校正系數(shù)：該電纜與其他電纜多根并列敷設(shè),間距100mm,查得校正系數(shù)為K3=0.75；(4)在爆炸危險性氣體環(huán)境及爆炸性粉塵環(huán)境10 區(qū)內(nèi),電纜截面的選擇,應(yīng)符合引向1000V 以下鼠籠型電動機(jī)支線的長期允許載流量,不應(yīng)小于電動機(jī)額定電流的1.25 倍。校正系數(shù)K4=1.25。

電動機(jī)額定電流Ic=84A,則電纜的載流量Iz應(yīng)滿足：

代入各校正系數(shù)得：Iz≥145A。

根據(jù)載流量,熱穩(wěn)定,允許壓降,機(jī)械強(qiáng)度,經(jīng)濟(jì)電流密度、爆炸危險環(huán)境等因素,初步選定的電纜型號為ZRYJV22-0.6/1KV-3*50+1*25mm2。

2.2 按電壓損失校驗截面

應(yīng)使用電設(shè)備的端電壓在允許范圍之內(nèi),對電動機(jī)應(yīng)在+5%－-5%之間。對380V 電動機(jī)而言,機(jī)端電壓不低于360V。經(jīng)計算,采用對于ZR-YJV22-0.6/1KV-3*50+1*25mm2電纜時,電纜線路上產(chǎn)生的電壓降為△u%=5.8%。電纜線路起始端的電壓為變壓器低壓側(cè)電壓,在生產(chǎn)實際中,此電壓通過變壓器分接頭設(shè)備會有2.5%～5%的提升,綜合計算后,電動機(jī)端的電壓降在0.8%～3.3%之間,滿足機(jī)端電壓不低于360V。

2.3 計算線路末端短路電流,驗算電纜截面能否滿足短路保護(hù)靈敏度要求

《低壓配電設(shè)計規(guī)范》GB50054-2011 第6.2.5 條規(guī)定：“當(dāng)短路保護(hù)電器為短路器時,被保護(hù)線路末端的短路電流不應(yīng)小于斷路器瞬時或短延時電流脫扣器整定電流的1.3 倍?！鼻懊嫣岬絾蜗嘟拥乇Ｗo(hù)由低壓綜合保護(hù)裝置實現(xiàn),則單相接地短路時靈敏度要求可不校驗,僅需校驗三相短路及兩相短路,此處兩相短路為三相短路的0.866 倍,因此,只需校驗兩相短路是否滿足靈敏度要求。根據(jù)《工業(yè)與民用配電手冊第四版》查得ZR-YJV22-0.6/1KV-3*50+1*25mm2電纜單位長度電阻 R＇ 為 0. 371 mΩ/m,單位長度電抗為X＇為0.076 mΩ/m,忽略低壓配電母線阻抗,計算過程如下：

線路末端(電動機(jī)端)的總電阻

Rk=RS+RT+RL=0.21+1.88+350*0.371=131.94mΩ

線路末端(電動機(jī)端)的總電抗

Xk=XS+XT+XL=2.12+8.8+350*0.076=37.52mΩ

線路末端(電動機(jī)端)總阻抗

線路末端三相短路電流

Ik3=230/137.17kA=1.677kA

兩相短路電流為

Ik2=Ik3*0.866=1.677*0.866=1.452kA=1452A

Ik2/Iset3＝1452/1300=1.17＜1.3,不能滿足靈敏度要求,即電動機(jī)端發(fā)生兩相短路時,斷路器瞬時脫扣器不能可靠動作。

解決方案有如下幾種：

(1)增大電纜截面

短路保護(hù)仍采用瞬時脫扣器,電纜截面增加后,減小了相線的阻抗,阻抗減小,線路末端的短路電流增大,短路電流增大到大于兩相短路電流的1.3 倍,就能滿足靈敏度要求,保證電動機(jī)端發(fā)生兩相短路時,斷路器瞬時脫扣能可靠動作。在本案例中,將電纜截面提高一個等級,改為 ZR-YJV22-0.6/1KV-3*70+1*35mm2(R＇=0.265mΩ/m,X＇=0.075mΩ/m),重新計算。

線路末端(電動機(jī)端)的總電阻

Rk=RS+RT+RL=0.21+1.88+350*0.265=94.84mΩ

線路末端(電動機(jī)端)的總電抗

Xk=XS+XT+XL=2.12+8.8+350*0.075=37.17mΩ

線路末端(電動機(jī)端)總阻抗

線路末端三相短路電流

Ik3=230/101.86kA=2.258kA

兩相短路電流為

Ik2=Ik3*0.866=2.258*0.866=1.955kA(1955A)

Ik2/Iset3＝1955/1300=1.50＞1.3,滿足靈敏度要求,即電動機(jī)端發(fā)生兩相短路時,斷路器瞬時脫扣器能可靠動作。

此方案為以往石化企業(yè)普遍采用的方案。采用低壓斷路器的瞬動過電流脫扣器作為MC 短路保護(hù)器件,滿足載流量和正常機(jī)端電壓偏差的支線電纜截面大多數(shù)能滿足短路保護(hù)靈敏度要求,個別供電距離較遠(yuǎn)的電動機(jī),則采用加大電纜截面的方法解決。此案例中若電纜長度再加長到一定距離后,電纜截面很可能需要再加大一個等級,實際設(shè)計過程中,一般針對具體項目在取得系統(tǒng)短路參數(shù)的情況下,計算出相應(yīng)的變壓器容量下,都會計算并統(tǒng)計出每個功率等級的電機(jī)以滿足兩相短路保護(hù)的相應(yīng)電纜截面滿足靈敏度要求達(dá)到的最大距離。

(2)供電回路設(shè)置延時速斷保護(hù)

電動機(jī)起動電流非周期分量的大小和持續(xù)時間取決于電路中電抗與電阻的比值和合閘瞬間的相位。根據(jù)對電動機(jī)直接起動電流的測試結(jié)果,起動電流非周期分量主要出現(xiàn)在第一半波,第二、三周波即明顯衰減?！锻ㄓ糜秒娫O(shè)備配電設(shè)計規(guī)范GB 50055-2011》第2.3.5 條規(guī)定：“當(dāng)交流電動機(jī)正常運(yùn)行、正常起動或自起動時,短路保護(hù)器件不應(yīng)誤動作。短路保護(hù)器件的選擇應(yīng)符合下列規(guī)定：當(dāng)采用短延時過電流脫扣器作保護(hù)時,短延時脫扣器整定電流宜躲過起動電流周期分量最大有效值,延時不宜小于0.1s?！备鶕?jù)此規(guī)定,設(shè)置延時速斷保護(hù)(Iset2),靠短延時確保電動機(jī)啟動時不誤動,電流整定值(Iset2)較(Iset3)低許多,對于配電距離較遠(yuǎn)的電動機(jī)配電回路,其支線電纜的截面可以減小,電纜工程投資相應(yīng)降低。

延時速斷保護(hù)按下式計算

Iset2=1.2*Iq,延時 t2=0.1s。

延時整定0.1s(實際最大分?jǐn)鄷r間按0.14s 計)對電動機(jī)的支線電纜熱穩(wěn)定影響甚小。經(jīng)計算交聯(lián)聚乙烯電力電纜的長度,只要不小于30m,都能滿足熱穩(wěn)定要求。延時0.1s 對配電系統(tǒng)總進(jìn)線的過電流短延時時間無影響。通常情況下,配電系統(tǒng)電容器回路的過電流短延時時間為0.2s,配電系統(tǒng)總進(jìn)線的過電流短延時時間為0.2s+0.2s=0.4s。該短路短延時保護(hù)的電流整定值與電動機(jī)的堵轉(zhuǎn)保護(hù)相同,而延時時間整定值(0.1s)小于電動機(jī)的堵轉(zhuǎn)保護(hù)的延時時間整定值(3s)。

延時速斷保護(hù)的設(shè)置可采用如下兩種形式：

(1)采用低壓塑殼斷路器的短延時過電流脫扣器

低壓塑殼斷路器的過電流脫扣器,有三種型式,即電磁式、熱磁式、電子式。功能完善的電子式過電流脫扣器有三種或四種保護(hù)功能,即過載長延時保護(hù)、短路短延時保護(hù)、短路瞬時保護(hù)及接地故障保護(hù)。目前“短延時過電流脫扣器”,僅在電子脫扣器中以短延時過電流保護(hù)的型式出現(xiàn),無單獨(dú)存在的“短延時過電流脫扣器”。采用電子脫扣器的塑殼斷路器價格相對貴一些(160A 以下大約為電磁式脫扣器的兩倍)。對于功率較大的電機(jī)回路的塑殼斷路器選用的脫扣器為電子脫扣器,可采用短路瞬時保護(hù)及短路短延時保護(hù)共同作為電動機(jī)短路保護(hù)器件,對于功率較小的電動機(jī)回路,就需驗算采用電子式脫扣器的必要性。

(2)采用低壓綜合保護(hù)器實現(xiàn)短路短延時保護(hù)

較早的低壓綜合保護(hù)器無短路短延時保護(hù)功能,近幾年的新一代低壓綜合保護(hù)器功能不斷完善,普遍具有了短路短延時保護(hù)功能,通過綜合保護(hù)器短路保護(hù)整定電流和時間的設(shè)定,就能完成上述短路保護(hù)功能,這一保護(hù)需要設(shè)計人員在完成低壓一次系統(tǒng)設(shè)計時,明確在圖紙中提出。

3 結(jié)束語

隨著大型石化企業(yè)的規(guī)模發(fā)展,低壓電纜的投資也隨之增大,在保證設(shè)備供電安全可靠的前提下,恰當(dāng)?shù)嘏浜系蛪弘妱訖C(jī)保護(hù)器件選擇電纜截面,可以取得低壓電動機(jī)的保護(hù)設(shè)備與配電電纜截面的最佳配合,獲得最佳的投資方案。