10kV冷水机组配电设计概述

10kV冷水机组供配电设计概述唐杰（中国建筑西南设计研究院有限公司，610041）黄婧（四川山鼎建筑工程设计股份有限公司，610021）摘要：文章综合讨论了10kV冷水机组在当代民用建筑中的应用以及相关的电动机保护问题。关键词：10kV冷水机组启动电动机保护[Abstract]Thepaperdiscussestheuseof10kVelectromotorinmodernarchitectureandthewaysofelectromotorprotection.[Keywords]10kVelectromotorstartingvoltagereduceelectromotorprotection1引言近些年来，随着建筑规模的不断扩大以及人们对建筑的使用功能要求日益提高，在公共建筑中，中央空调系统得到了普遍使用。在大型城市综合体中，空调面积甚至高达几十万平方米，空调负荷巨大，大型冷水机组的使用也越来越多。大型冷水机组需要大功率的电动机驱动，以某品牌冷水机组为例，当制冷量达到1300Tr时，其电动机功率将达到惊人的932kW。在此种情况下，如果继续使用交流380V电源供电，按功率因数0.8计算，其额定工作电流为：AUPI17708.0*38.0*3932cos3启动电流将更为巨大，即使采用软启动等措施，也将对供配电系统产生非常大的冲击电流，相应的供配电设备规格高，安装调试工作复杂，在有多台冷水机组同时存在时，继电保护选择性配合难度非常大，为解决这些矛盾，采用10kV电动机驱动的冷水机组应运而生。2采用10kV冷水机组的优势2.1简化上游供电设备的复杂性，有效节能采用380V低压机组，需设置高压配电柜、变压器、低压配电柜、控制柜以及数量众多的大截面电缆等配电设施，而在可直接为设备提供10kV电源的场合应用10kV机组可以大大减少其它上游电器设备的投资及相关设施的投资费用、减少占地面积。2)缩减配电室机房面积，减少投资采用380V低压机组需配置变压器及星/三角启动柜等设备，一台机组即可节约部分安装面积，根据1998年《RS材料成本核算》中的方法，10KV高压机组机房的投资造价要远低于380V驱动机组机房。而省去的机房面积用作它用，如机动车停车位，其出租出售等还可为用户带来可观的经济效益。3)运行费用减少在获得相同的制冷量时，配置高压电机与配置低压电机的冷水机组效率相同的情况下，对于用户来说，高压线路传输电流小，运行可靠性高，可有效减少线路损耗，同时可以避免变压器的铜耗和铁耗，为用户有效节约运行费用。4)有效减少冷水机组启动时对电网的冲击以某品牌水冷离心式冷水机组为例，额定制冷量900Tr，采用额定电压380V电动机驱动，电动机采用星三角启动时，机组的启动电流值为2104A；而采用10kV电动机自偶降压启动时的启动电流为305A。启动电流相差近7倍，大大减小对电网的冲击。310kV电动机配电系统设计以某大型城市商业综合体项目为例，项目采用冷水机组1330kW三台,额定电压10kV,功率因数COSΦ=0.8，额定电流95A，机组全压直接启动电流700A、启动时间7秒，城市电网短路容量按300MVA计算。本工程从高压配电房引来一路10kV电源到制冷机房，通过环网柜放射式为三个冷水机组高压启动柜供电，其简易配电系统如下图所示：首先，完成每台10kV冷水机组电机的保护，即QF2-1，2-2，2-3处的继电保护。10kV电机的保护在高压柜中通过继电保护实现，根据《工业与民用配电设计手册》（第三版）中的描述，异步电动机额定功率小于2000kW，需要设置过载保护与短路保护，在校验是否满足灵敏度要求后，进而确定是否需要设置纵联差动保护与单相接地保护。电动机保护的整定原则：1整定时间尽可能小的情况下，满足启动的要求；2满足额定功率下可靠工作；3短路故障时保护可靠动作瞬时跳闸；根据冷水机组额定电流，选用150/5的电流互感器做继电保护用。电动机保护继电器大体上分为DL型和GL型，DL型为定时限过电流继电器,当运行电流大于整定值时发出信号,通过时间继电器延时,当过电流持续时间超过设定值时，动作跳闸；GL型为反时限过电流继电器,动作电流与持续时间之间呈反时限特性,电流越大动作时间越短,电流越小时间越长。DL型和GL型各有优势，从上下级保护配合和整定来说，DL型继电器和时间继电器配合更为简单，故该项目选用DL型继电器。①过负荷保护10kV电动机的过负荷保护应躲过电动机的额定电流，动作电流计算如下：AnKTAr47.430*85.095*1*2.1*I*K*K=IrMjxrelOP`K取5AKrel——可靠系数，用于过负荷保护时动作于信号取1.05，动作于跳闸取1.2，根据工程实际情况，本工程过载时跳闸；jxK——接线系数，接于相电流时取1.0；rMI——电动机额定电流；rK——继电器返回系数，取0.85；TAn——电流互感器变比。动作时间StstOP4.87*2.1t*2.1取9SOPt——继电器动作时限；stt——电动机实际启动时间②电流速断保护10kV电动机动作电流应躲过电动机的启动电流AnTA7.3230700*1*4.1I*K*K*K=IrMstjxrelOP`K取33AstK——电动机启动电流倍数；动作时间OPt设为0S，瞬时动作。对应一次电流为A980700*1*4.1I*K*K=IrMstrelOP最小运行方式下，两相短路电流AIIkk7.21472480*866.0*866.03min.2保护灵敏度校验22.29807.2147=Kmin.2senopkII满足要求Krel——可靠系数，DL型继电器取1.4~1.6；GL型继电器取1.8~2.0。通过短路保护整定值灵敏度校验，已满足要求，故不用设置纵联差动保护。这是选用DL型继电器的结果，若选用GL型，Krel至少取1.8，那么一次电流A1260700*1*8.1I*K*K=IrMstrelOP保护灵敏度校验27.112607.2147=Kmin.2senopkII，则必须设置纵联差动保护。③单相接地保护当单相接地电流大于5A时装设，由供电公司提供系统单相接地电容电流，再予以保护整定，此处不再赘述。接下来，完成高压配电房出线处QF1的继电保护整定。根据一般冷水机组启动的管理方式，进行过载保护计算时最不利的工况为二台冷水机组额定运行，一台冷水机组启动，根据3台机组同时工作的额定电流，过载保护选用500/5的电流互感器。过载保护动作电流：AnKTAr02.4100*85.095*3*1*2.1*I*K*K=I11ghjx1rel1OP`K1取4A对应一次侧电流AnTA4004*100I*=IOP`K11OP为满足上下级继电保护具备充分的选择性，设置动作时间比末端大0.5S，SttOPOP5.95.095.01取9.5S其中：Krel——可靠系数，用于电流速断保护时，DL型继电器取1.4~1.6；GL型继电器取1.8~2.0；用于过负荷保护时，动作于信号取1.05，动作于跳闸取1.2。电流速断保护动作电流A5600400*14I*10=IOPOP`K动作电流值远大于电动机全压启动电流值，可以避免脱扣器误动作。4几个易忽略的问题1）在一般的民用建筑电气设计中，10kV侧配电断路器过负荷保护以及电流速断保护整定值往往有供电部门最终确定，此时作为项目电气工程主体设计单位，设计人员应积极做好供电部门与冷水机组供应商之间的沟通，在做好冷水机组继电保护的前提下确保机组成功启动。2）此外，通过上述计算，我们不难发现，10kV冷水机组在全压启动的情况下，其启动电流依然是十分巨大的，为了减小启动电流，减小对电网的冲击，必须采取有效降低启动电流的措施，常见的可供选择的启动方式有：定子回路串电抗器降压启动、自耦变压器降压启动、采用变频启动等方式。无论采用何种方式，均需要另外设置专用的电气启动柜。不同厂家的专用电气启动柜型号规格大小不一，这就要求设计阶段应充分考虑预留摆放启动柜的空间。同时，这往往也是建设方在决定是否采用10kV冷水机组计算成本时容易忽略的问题。参与项目设计的各方应予以重视。5结语综上所述，虽然在大型公共建筑中采用10kV冷水机组具备诸多的优势，但同时也带来了一些与纯粹的低压配电系统所不同的技术问题，同时采用10kV冷水机组通常需要选用与之相配套的专用启动柜，这对我们设计人员在供配电系统设计、继电保护选择性配合等方面提出了更高的要求，需要我们真正做到设计精细、保护完备。本文不当之处，期待同行的批评、指正。5参考文献【1】《民用建筑电气设计规范》JGJ16-2008，北京：中国建筑工业出版社，2007【2】《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50736-2012，北京：中国建筑工业出版社，2012【3】《工业与民用配电设计手册》/中国航空工业规划设计研究院等编.-3版.-北京：中国电力出版社.2005作者简介：唐杰，男，1988年~，安徽合肥人，中国建筑西南设计研究院机电二院，助理工程师；黄婧，女，1989年~，重庆人，山鼎建筑工程设计股份有限公司，工程师。