10 kV高壓離心式冷水機組繼電保護配置與整定計算

盧海峰, 林國明

(1.浙江省建筑設(shè)計研究院, 浙江 杭州 310006;2.浙江省臺州醫(yī)院, 浙江 臺州 318050)

0 引 言

近年來,隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展,醫(yī)院、展覽館等公共建筑的體量越來越大,考慮供電效率、投資與運行費用、機房面積等因素,在一些大型公共建筑中,選用了10 kV的高壓電動水冷離心機組。由于高壓機組本身造價高昂,如果不能通過裝設(shè)保護裝置及早消除故障隱患,會造成高壓電機燒毀等嚴重后果,這就對建筑電氣設(shè)計提出了更高的繼電保護設(shè)計要求。本文對高壓離心式冷水機組常見的故障進行分析,結(jié)合臺州醫(yī)院東院區(qū)項目,探討如何在保護原理的基礎(chǔ)上,按規(guī)范通過采用保護措施,實現(xiàn)對10 kV高壓離心式冷水機組的有效保護。

1 常見故障類型

10 kV高壓離心式冷水機組主要由異步電機組成,電磁方面可能出現(xiàn)的幾種故障類型主要有[1]:

(1) 定子繞組出現(xiàn)單相接地或者相間短路的問題;

(2) 定子一相繞組當(dāng)中發(fā)生匝間短路問題;

(3) 轉(zhuǎn)子勵磁回路產(chǎn)生的勵磁電流消失或者出現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組一點或兩點接地的問題;

(4) 由于外部過負荷等原因?qū)е碌倪^電流問題;

(5) 電源電壓過高或過低。

2 繼電保護配置

2.1 速斷保護

針對電機定子繞組及定子繞組相間短路故障,根據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊》,高壓電機容量小于2 000 kW時需裝設(shè)電流速斷保護[2-3]。

2.2 縱聯(lián)差動保護

當(dāng)電流速斷保護不能滿足靈敏性要求或者高壓電機容量不小于2 000 kW時,需裝設(shè)縱聯(lián)差動保護。

2.3 過負荷保護

長時間過負荷會使電機溫升超過允許值,使絕緣老化甚至引起故障。故在生產(chǎn)過程中,發(fā)生過負荷、起動、自起動條件嚴重時應(yīng)裝設(shè)過負荷保護。

2.4 單相接地保護

高壓電機的供電網(wǎng)絡(luò)一般為小電流接地系統(tǒng),發(fā)生單相接地時,僅有接地電容電流流過故障點,一般危害較小。因此,只有接地電流大于5 A時才考慮裝設(shè)單相接地保護,接地電容電流為10 A及以上時,保護可帶時限動作于跳閘;接地電容電流為10 A以下時,保護動作于跳閘或信號。

2.5 低電壓保護

下列電動機應(yīng)裝設(shè)低電壓保護裝置:

(1) 當(dāng)電源電壓短時降低或短時中斷后又恢復(fù)時,為了保證重要電動機自起動,需要斷開次要電動機;

(2) 當(dāng)電源電壓短時降低或短時中斷后,生產(chǎn)過程中不允許或不需要自起動的電動機;

(3) 需要自起動,但為保證人身和設(shè)備安全,在電源電壓長時間消失后需從配電網(wǎng)中自動斷開的電動機。

除上述情況之外,電機廠家自帶的起動柜會起動監(jiān)視、過熱保護及堵轉(zhuǎn)保護等作用,確保電動機安全、可靠運行。

3 配電系統(tǒng)設(shè)計

以臺州醫(yī)院新院區(qū)項目為例,項目采用兩臺1 500 HP(1 171 kW)高壓離心式冷水機組,額定電壓為10 kV,功率因數(shù)為91.5%,額定電流為74.1 A,起動時間為7 s,假定電網(wǎng)短路容量為100 MVA。為減小全壓起動時,對電網(wǎng)造成的沖擊,該工程與空調(diào)廠家對接后,空調(diào)設(shè)備廠家通過增加線圈匝數(shù)和轉(zhuǎn)子跨距等措施,確保機組全壓直接起動電流小于342 A。

本工程從高壓配電房通過放射式為兩臺高壓冷水機組供電,其供電示意圖如圖1所示。

4 整定計算

本工程以1#10 kV高壓離心式冷水機組為例。根據(jù)冷水機組的額定電流,選用變流比為100/5的電流互感器做繼電保護用。電動機保護繼電器大致分為DL型定時限過電流繼電器和GL型反時限過電流繼電器。用GL感應(yīng)式繼電器的時限特性來實現(xiàn)電動機的過負荷保護,其優(yōu)點是隨著過負荷倍數(shù)的增大,動作時限越多。但正是這個特點,在例如系統(tǒng)電壓不穩(wěn)而電機負載過重等原因造成電機起動電流過大等情況時,反時限特性使動作時限變短,導(dǎo)致無法躲過電機起動電流,從而造成電機無法起動。因此,需采取其他操作手段,避免此類情況。為了簡化與時間繼電器的配合,方便實際操作,本工程選用DL型電動機保護繼電器。

4.1 電流速斷保護

與空調(diào)設(shè)備廠家溝通后,保護裝置的動作電流取25 A,如式(1)所示:

(1)

式中:Krel——可靠系數(shù);

Kjx——接線系數(shù)。取于相電流時取1.0,接于相電流差時取1.05;

nTA——電流互感器變比;

IrM——電動機額定電流;

Kst——電動機起動電流倍數(shù)。

Krel用于電流速斷保護時,DL型和GL型繼電器取1.4～1.6和1.8～2。用于差動保護時取1.3。用于過負荷保護時動作于信號取1.05。動作于跳閘取1.2;動作時間設(shè)置為0 s,瞬時動作。

對應(yīng)的一次電流為

(2)

最小運行方式下,兩相短路電流為

Ik2.min=0.866×Ik3=0.866×2 492.5=

2 158.5 A

(3)

保護裝置的靈敏系數(shù)為

(4)

滿足要求,無需設(shè)置縱聯(lián)差動保護。

4.2 過負荷保護

保護裝置的動作電流為

(5)

式中:Kr——繼電器返回系數(shù),取0.85。

其中,Iop.k取6 A。

保護裝置動作時限top為

top=(1.1～1.2)tst=(1.1～1.2)×7 s

(6)

式中:tst——電動機實際起動時間。

根據(jù)空調(diào)設(shè)備廠家反饋意見,取9 s。

4.3 單相接地保護

當(dāng)單相接地電流大于5 A時,裝設(shè)單相接地保護,根據(jù)電力部門提供的數(shù)據(jù),接地電容電流Ic為

Ic=0.1Url=0.1×10×3.75=

3.75 A<5 A

(7)

式中:Ur——線路額定線電壓,kV;

l——線路長度,km。

因此,根據(jù)式(6)計算可知,本工程無需裝設(shè)單相接地保護。

4.4 低電壓保護

當(dāng)電源電壓短時降低或短時中斷后,電動水冷離心機組根據(jù)生產(chǎn)過程不允許自起動。因此,根據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊》規(guī)定,保護裝置的電壓整定值一般為電動機額定電壓40%～50%或略高,時限一般較上一級主保護大一個時限階段,取0.5～1.5 s,必要時保護可無選擇地動作。因此,低電壓保護值取5 kV,時限為1 s。

低電壓保護的接線應(yīng)盡可能滿足以下要求:

(1) 當(dāng)電壓互感器一次側(cè)及二次側(cè)發(fā)生各種斷線故障時,保護裝置不應(yīng)動作。

(2) 當(dāng)電壓互感器一次側(cè)隔離開關(guān)因誤操作被斷開時,保護裝置不應(yīng)動作。

(3) 0.5 s和9～10 s低電壓保護的工作電壓應(yīng)分別整定。

(4) 應(yīng)采用能長期耐受電壓的時間繼電器。

根據(jù)上述計算,對廠家自帶的起動柜內(nèi)保護裝置進行了重新設(shè)置,項目現(xiàn)已投入運行,并取得了較好的運行效果。

5 結(jié) 語

各種類型的微機綜合保護設(shè)備已經(jīng)在高壓繼電的保護系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用,給高壓電動機的保護裝置提供了新的選擇。由于在日常民用建筑電氣設(shè)計中,對10 kV高壓水冷離心機組接觸較少,故在工程設(shè)計時需特別注意與空調(diào)廠家及電力部門間的溝通,確保繼電保護裝置必須在技術(shù)上滿足選擇性、速動性、靈敏性和可靠性等基本要求,從而實現(xiàn)對電機的有效保護。