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10kV變電所在化工項(xiàng)目配電中最具典型,因而,在化工配電設(shè)計(jì)工作中,10kV變電所設(shè)計(jì)是最基本,也是最重要工作之一。
本文以近期完成的幾個(gè)具有代表性項(xiàng)目的10kV變電所電氣設(shè)計(jì)為例,結(jié)合化工項(xiàng)目配電設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn),就10kV變電所設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容、步驟和方法進(jìn)行全面的介紹,以期對(duì)新從事化工配電設(shè)計(jì)的同行提供有益的參考或借鑒。
此階段需要的原始資料:①供電區(qū)域的總平面圖;②供電區(qū)域逐年及最終規(guī)模的最大負(fù)荷、年耗電量、功率因數(shù)值及項(xiàng)目投產(chǎn)日期;③ 每回出線的名稱、負(fù)荷值、各負(fù)荷的性質(zhì)及對(duì)供電可靠性或其它方面的特殊要求;④供電部門對(duì)電源電壓、供電方式、電源路數(shù)及繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置等方面的相關(guān)意見;⑤用戶對(duì)變電所設(shè)置方面的數(shù)量、容量、位置等的設(shè)想及資金準(zhǔn)備情況等。
以云南某項(xiàng)目為例,工藝提出的負(fù)荷等級(jí)為二級(jí);對(duì)于二級(jí)負(fù)荷,一般需要2個(gè)獨(dú)立的電源供電。經(jīng)與業(yè)主商定,電源來自廠區(qū)原有的110kV變電所,由該變電所10kV母線I,II段分別引出兩路電源至新建10kV變電所。
變電所位置應(yīng)避開大氣污穢、鹽霧、與鄰近設(shè)施有相互影響的地區(qū) (如軍事設(shè)施、通信電臺(tái)、飛機(jī)場(chǎng)等),滑坡、明暗河塘等??拷?fù)荷中心出線條件好,交通運(yùn)輸方便。最后兩條作為重要依據(jù),并同業(yè)主和總圖專業(yè)確定變電所位置。
1.3.1 負(fù)荷計(jì)算的目的和方法
計(jì)算負(fù)荷是確定供電系統(tǒng)、選擇變壓器容量、電氣設(shè)備、導(dǎo)線截面和儀表量程的依據(jù),也是整定繼電器保護(hù)的重要數(shù)據(jù)。計(jì)算負(fù)荷確定得是否合理,直接影響到電器和導(dǎo)線選擇是否合理。如計(jì)算負(fù)荷確定過大,將使電器和導(dǎo)線截面選擇過大,造成投資和有色金屬的浪費(fèi);如果計(jì)算負(fù)荷過小,又將使電器和導(dǎo)線運(yùn)行時(shí)增加電能消耗,并產(chǎn)生過熱,引起絕緣層過早老化,甚至燒毀,以致發(fā)生事故。為此,正確進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算是供配電設(shè)計(jì)的前提,也是實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的必要手段。負(fù)荷計(jì)算常用需要系數(shù)法。
需要系數(shù)法與用電設(shè)備的類別和工作狀態(tài)有極大的關(guān)系,因此計(jì)算時(shí)要正確判明用電設(shè)備的類別和工作狀態(tài),否則將造成錯(cuò)誤。需要系數(shù)法,用設(shè)備功率乘以需要系數(shù)和同時(shí)系數(shù) (一般取0.8),直接求出計(jì)算負(fù)荷。這種方法比較簡(jiǎn)單,應(yīng)用廣泛,尤其適用于配、變電所的負(fù)荷計(jì)算。
1.3.2 無功補(bǔ)償
根據(jù)國家供用電規(guī)則規(guī)定:無功電力應(yīng)就地平衡,用戶應(yīng)在提高用電自然功率的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)和裝置無功補(bǔ)償設(shè)備,并做到隨其負(fù)荷和電壓變動(dòng)及時(shí)投入或切除,防止無功倒送,目前廣泛采用并聯(lián)電容器作為無功補(bǔ)償裝置。
電容器具備一定的抗諧波能力,但諧波含量過大時(shí)會(huì)對(duì)電容器的壽命產(chǎn)生影響,甚至造成電容器的過早損壞;電容器對(duì)諧波有放大作用,使系統(tǒng)的諧波干擾更嚴(yán)重,動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)目刂迫菀资苤C波干擾的影響造成控制失靈,因而在有較大諧波干擾的地方補(bǔ)償無功,還應(yīng)考慮添加濾波裝置。另外,無功倒送會(huì)增加線路及變壓器的損耗,加重線路的負(fù)擔(dān),這是電力系統(tǒng)所不允許的。
造成短路的主要原因是電氣設(shè)備載流部分的絕緣損壞、誤動(dòng)作、雷擊或過電壓擊穿等。短路電流數(shù)值通常是正常工作電流值的十幾倍或幾十倍。當(dāng)它通過電氣設(shè)備時(shí),設(shè)備的載流部分易變形或損壞,選用設(shè)備時(shí)要考慮它們對(duì)短路電流的穩(wěn)定。短路電流在線路上產(chǎn)生很大的壓降,離短路點(diǎn)越近的母線,電壓下降越厲害,從而影響與母線連接的電動(dòng)機(jī)或其它設(shè)備的正常運(yùn)行。
短路電流高壓部分一般采用標(biāo)幺值法計(jì)算,關(guān)于此方法,有很多文章和設(shè)計(jì)手冊(cè)做專門的介紹,這里不做贅述。低壓部分,特別是低壓母線的短路電流,一般根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)查表或是直接由變壓器容量和短路阻抗值進(jìn)行估算,計(jì)算公式:
式中,Ik為短路電流;Sn為變壓器額定容量;Un為額定電壓;Uk為變壓器短路阻抗。
由此計(jì)算值來選擇低壓斷路器的短路分?jǐn)嗄芰Α?/p>
在電氣設(shè)備選擇時(shí),應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況,在保證安全、可靠的前提下積極而穩(wěn)妥地采用新技術(shù),盡量節(jié)約投資。
2.2.1 主變壓器
在10kV變電所中,要選用性能優(yōu)越、節(jié)能低損耗和環(huán)保型的變壓器。變壓器的臺(tái)數(shù)及容量要根據(jù)負(fù)荷計(jì)算和負(fù)荷分級(jí)的結(jié)果并結(jié)合經(jīng)濟(jì)運(yùn)行進(jìn)行選擇。當(dāng)有大量的一、二級(jí)負(fù)荷,或季節(jié)負(fù)荷變化較大,或集中負(fù)荷較大時(shí),宜裝設(shè)兩臺(tái)及以上的變壓器。其中任何一臺(tái)變壓器斷開時(shí),其余變壓器應(yīng)滿足一級(jí)負(fù)荷及大部分二級(jí)負(fù)荷的用電需要。為了使變壓器容量在三相不平衡負(fù)荷下得以充分利用并有利于抑制3n次諧波影響,宜選用的變壓器接線組別為Dyn11。Dyn11接線的變壓器低壓側(cè)單相接地短路時(shí)的短路電流大,也有利于低壓側(cè)單相接地故障的切除。
設(shè)在高層建筑內(nèi)主變采用干式變的變電所,應(yīng)選用密閉型或防腐型變壓器。為了不降低配電運(yùn)行的電壓,10kV變電所的主變分接頭宜放在10.5kV上,分接范圍油浸變?yōu)椤?×2.5% ,干式變?yōu)椤?×2.5%。
內(nèi)蒙某LNG項(xiàng)目和山西某LNG項(xiàng)目,就選用的是SCB-10型干變;云南某項(xiàng)目多為二級(jí)負(fù)荷,其低壓負(fù)荷計(jì)算值約為1800kVA,因此選擇了2臺(tái)S-13M-10/0.4-2000kVA的變壓器。當(dāng)一臺(tái)故障時(shí),另一臺(tái)能承擔(dān)全部的用電負(fù)荷。
2.2.2 開關(guān)柜
容量為500kVA及以上的變壓器一般均配有10kV開關(guān)柜。目前10kV開關(guān)柜的主流產(chǎn)品分為SF6氣體絕緣和真空絕緣。SF6氣體絕緣的開關(guān)柜體積小,一般20年內(nèi)免維護(hù),但價(jià)格高,其氣體的泄漏還會(huì)造成環(huán)境污染;真空絕緣的開關(guān)柜體積適中,相對(duì)同等檔次的SF6氣體絕緣的開關(guān)柜來說價(jià)格略低,使用過程中不會(huì)造成環(huán)境污染,但每二年就需做一次試驗(yàn),增大了運(yùn)行維護(hù)的工作量。因此開關(guān)柜的選擇要根據(jù)實(shí)際情況而定。
2.2.3 電纜
(1)根據(jù)用途、敷設(shè)方式和使用條件來選擇電力電纜。YJV型交聯(lián)聚乙烯電纜和VV型聚氯乙烯電纜是普遍選用的電纜。YJV型電纜與VV型電纜相比,YJV型電纜雖然價(jià)格略高但具有外徑小、重量輕、載流量大、壽命長的特點(diǎn),因此,工程設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量選用YJV型電纜。
(2)電纜的額定電壓UN≥所在電網(wǎng)的額定電壓。
(3)按長期發(fā)熱允許電流選擇電纜的截面。但當(dāng)電纜的最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)Tmax>5000h,且長度超過20m時(shí),則應(yīng)按經(jīng)濟(jì)電流密度來選擇。
(4)允許電壓降的校驗(yàn)。對(duì)供電距離較遠(yuǎn)、容量較大的電纜線路,應(yīng)滿足:
式中,Un、L分別為線路工作電壓 (線電壓)和長度;cos¢為功率因數(shù);r、x分別為電纜單位長度的電阻和電抗。
(5)熱穩(wěn)定的校驗(yàn)應(yīng)滿足電纜截面應(yīng)滿足:
式中,Qd為短路電流的熱效應(yīng);C為熱穩(wěn)定系數(shù)。
變電所的主接線對(duì)變電所內(nèi)電氣設(shè)備的選擇、配電裝置的布置及運(yùn)行的可靠性與經(jīng)濟(jì)性等都有密切的關(guān)系,也是設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。主接線的形式多種多樣,在10kV變電所的設(shè)計(jì)中常用的有單母接線、單母分段接線、線路—變壓器組接線、橋式接線等。根據(jù)負(fù)荷用電要求選擇出最合理的方案。
技術(shù)指標(biāo)包括:① 供電的可靠性與靈活性;②供電電能質(zhì)量;③ 運(yùn)行管理、維護(hù)檢修條件;④交通運(yùn)輸及施工條件;⑤分期建設(shè)的可能性與靈活性;⑥可發(fā)展性。經(jīng)濟(jì)指標(biāo)包括:① 基建投資費(fèi)用;②年運(yùn)行費(fèi)。
當(dāng)變壓器發(fā)生故障時(shí),保護(hù)的配置一般有兩種途徑:當(dāng)選用斷路器或開關(guān)來開斷短路電流時(shí),則配以各類的微機(jī)保護(hù)。如一次設(shè)備選用的是負(fù)荷開關(guān),則選用熔斷器來保護(hù)。兩者比較如下:①斷路器或開關(guān)具備所有的保護(hù)功能與操作功能,價(jià)格較昂貴。負(fù)荷開關(guān)只能分合額定負(fù)荷電流,不能開斷短路電流,需配合高遮斷容量后備式限流熔斷器作為保護(hù)元件來開斷短路電流,價(jià)格較便宜;②在切空載變壓器時(shí),斷路器或開關(guān)會(huì)產(chǎn)生截流過電壓,負(fù)荷開關(guān)則沒有此種現(xiàn)象;③斷路器或開關(guān)的全開斷時(shí)間為繼保動(dòng)作時(shí)間、自身動(dòng)作時(shí)間、熄弧時(shí)間之和,一般會(huì)大于油浸變發(fā)生短路故障時(shí)要求切除的時(shí)間。限流熔斷器具有速斷功能,但必須防止熔斷器單相熔斷時(shí)設(shè)備的非全相運(yùn)行,應(yīng)在熔斷器撞擊器的作用下讓負(fù)荷開關(guān)脫扣,完成三相電路的開斷;④由于高遮斷容量后備式限流熔斷器的保護(hù)范圍在最小熔斷電流到最大開斷容量之間,且限流熔斷器的時(shí)間特性曲線為反時(shí)限曲線,短路發(fā)生后,可在短時(shí)內(nèi)熔斷來切除故障,所以可對(duì)其后所接設(shè)備如CT、電纜等提供保護(hù)。使用斷路器或開關(guān)則要提高其它設(shè)備的熱穩(wěn)定要求。但就限制線性諧振過電壓方面來說,在變壓器的高壓側(cè)應(yīng)避免使用熔斷器。
設(shè)計(jì)中,對(duì)變壓器的保護(hù),采用第一種方式較多,即選用斷路器來開斷短路電流,配以微機(jī)保護(hù)。當(dāng)配電室遠(yuǎn)離中央變電所時(shí),也會(huì)在配電室的干變前加負(fù)荷開關(guān)熔斷器組來保護(hù),但中央變電所仍有斷路器配以微機(jī)保護(hù)。
當(dāng)有大量高壓電動(dòng)機(jī)負(fù)荷時(shí),除變壓器的保護(hù)外,還有其他的繼電保護(hù)配置。以山西某LNG項(xiàng)目為例,繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置設(shè)置原則如下:
(1)10kV系統(tǒng)繼電保護(hù)采用微機(jī)綜合保護(hù)系統(tǒng)及分層分布式綜合自動(dòng)化裝置。按功能分為變電所層和間隔層,變電所層負(fù)責(zé)全所數(shù)據(jù)處理和管理,間隔層按一次設(shè)備分別配置,負(fù)責(zé)對(duì)相應(yīng)開關(guān)的保護(hù)、遙測(cè)、遙信、遙控功能。各微機(jī)監(jiān)控保護(hù)裝置分散安裝于各臺(tái)高壓柜上。各種線路保護(hù)及自動(dòng)裝置設(shè)置有:① 進(jìn)線保護(hù)設(shè)置時(shí)限速斷及方向過流保護(hù),失壓保護(hù);② 母聯(lián)保護(hù)設(shè)置電流速斷保護(hù) (合閘后自動(dòng)解除),過電流保護(hù),母聯(lián)備自投;③變壓器保護(hù)設(shè)置電流速斷及過電流保護(hù),過負(fù)荷保護(hù),溫度保護(hù);④10kV異步電動(dòng)機(jī)保護(hù)設(shè)置電流速斷保護(hù) (≥2000kW裝設(shè)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)),過負(fù)荷保護(hù),單相接地保護(hù),低電壓保護(hù);⑤10kV同步電動(dòng)機(jī)保護(hù)設(shè)置電流速斷保護(hù)(≥2000kW裝設(shè)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)),過負(fù)荷保護(hù),失步保護(hù),單相接地保護(hù),低電壓保護(hù)。
(2)低壓母聯(lián)備自投采用母聯(lián)控制器實(shí)現(xiàn)。
(3)380V低壓電氣設(shè)備保護(hù)及控制也采用微機(jī)綜合自動(dòng)化系統(tǒng),所有電機(jī)采用智能型電動(dòng)機(jī)保護(hù)器,其運(yùn)行參數(shù)可遠(yuǎn)傳至上位機(jī)顯示。所有大于100A配電回路采用數(shù)顯電測(cè)表,進(jìn)線柜采用多功能綜合電力監(jiān)控表。以上智能表均配置通訊接口,所有參數(shù)引入低壓綜合自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行顯示和電量統(tǒng)計(jì)。
(4)10kV高壓開關(guān)柜真空斷路器采用直流儲(chǔ)能型彈簧操作機(jī)構(gòu);高壓開關(guān)柜操作、保護(hù)和信號(hào)電源采用直流電源DC220V,由一套100AH直流電源裝置供電。
變電所布置應(yīng)遵循以下原則:
(1)布置緊湊合理,便于設(shè)備的操作、搬運(yùn)、檢修、試驗(yàn)和巡視,還要考慮發(fā)展的可能性。
(2)適當(dāng)安排建筑物內(nèi)各房間的相對(duì)位置,使配電室的位置便于進(jìn)出線。低壓配電室應(yīng)靠近變壓器室,電容器宜與變壓器室及相應(yīng)電壓等級(jí)的配電室相毗連,控制室、值班室和輔助房間的位置應(yīng)便于運(yùn)行人員工作和管理等。
(3)盡量利用自然采光和自然通風(fēng),變壓器室和電容器室盡量避免西曬,控制室盡可能朝南。
10kV變電所的土建任務(wù)書包括:變電所平剖面布置及建筑物凈高要求、變壓器基礎(chǔ)、高低壓柜基礎(chǔ)、電纜溝條件、建筑墻上開孔等內(nèi)容。
電氣專業(yè)將變電所的平面布置圖完成后,與總圖及建筑專業(yè)共商可行后,發(fā)與建筑專業(yè)。確定門的設(shè)置位置、高度、寬度和凈高。門的高度設(shè)置,低壓配電室一般為3.5m;高壓配電室為4m;油浸變壓器室一般不低壓4.5m。
油浸變壓器基礎(chǔ)通常采用低式布置,具體可參看《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》相關(guān)內(nèi)容和標(biāo)準(zhǔn)圖集的做法。如果選用的是干式變壓器,其基礎(chǔ)就大幅簡(jiǎn)化,只需預(yù)埋2根扁鋼即可,并且可以與低壓柜并排放置,取消變壓器室,只是在其前端加一臺(tái)六氟化硫環(huán)網(wǎng)柜。干變和油變的選擇遵從業(yè)主的意見,如由設(shè)計(jì)方選擇,現(xiàn)在一般選用干變,基礎(chǔ)簡(jiǎn)單,建筑造價(jià)大幅降低,且干變?cè)诰S護(hù)使用上有諸多優(yōu)點(diǎn)。
高低壓柜一般位于電纜溝上方,通常做法:電纜溝寬度為柜體深度減去200,在溝的兩邊頂部(低于地坪100)處預(yù)埋100×10的扁鋼,電氣在扁鋼上焊接10#槽鋼作為高低壓柜基礎(chǔ)。計(jì)算荷重:高壓柜、高壓電容器柜為4900N/m;低壓柜為2000N/m。
電纜溝依據(jù)溝內(nèi)電纜數(shù)量的多少,確定溝的寬度和深度,以及支架單側(cè)布置還是雙側(cè)布置。除柜底開溝外,一般在柜后布置電纜溝,與柜底電纜溝設(shè)通道連接,變電所內(nèi)電纜溝設(shè)連接通道,互相連接。溝底坡度不小于0.5%,并依具體情況設(shè)置積水坑。相關(guān)條件與結(jié)構(gòu)專業(yè)商量,共同確定。
主要包括油浸變壓器室到低壓配電室的墻上母排開孔,或是配電室內(nèi)的高低壓電纜出線橋架,以及去往DCS控制室的控制電纜橋架開孔等。通過實(shí)踐,現(xiàn)在也有橋架出線不在墻上開孔,而直接通過電纜溝延伸到室外,在室外管廊橋架下方上到橋架,只需做好防水工作即可。
(1)10kV變電所在建設(shè)過程中,可利用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的屋頂,將其鋼筋焊接成網(wǎng)并接地來防護(hù)直擊雷?;蚴窃谖蓓斢谩?0圓鋼做避雷帶。只有干變,按三類防雷考慮;若是油變,按二類防雷考慮。
(2)在變電所內(nèi)的高壓側(cè)、低壓側(cè)及進(jìn)線段安裝避雷器,以防護(hù)侵入雷電波、操作過電壓及暫時(shí)過電壓。
(3)10kV變電所中的接地網(wǎng)一般由扁鋼及角鋼組成,也可利用建筑物鋼筋混凝土內(nèi)的鋼筋體作接地網(wǎng),但各鋼筋體之間必須連成電氣通路并保證其電氣連續(xù)性符合要求。接地電阻值要求不大于4Ω。變壓器、高低壓配電裝置、墻上的設(shè)備預(yù)埋件等都需用扁鋼等與接地網(wǎng)作可靠焊接進(jìn)行接地。發(fā)電機(jī)的接地系統(tǒng)需另行設(shè)置,不得與變電所的接地網(wǎng)連接。
(4)低壓配電系統(tǒng)按接地方式的不同可分為三類:即TT、TN和IT系統(tǒng)。TT方式供電系統(tǒng)是指將電氣設(shè)備的金屬外殼直接接地的保護(hù)系統(tǒng),稱作保護(hù)接地系統(tǒng)。TN方式供電系統(tǒng)是將電氣設(shè)備的金屬外殼與工作零線相接的保護(hù)系統(tǒng)稱作接零保護(hù)系統(tǒng)。在TN方式供電系統(tǒng)中,根據(jù)其保護(hù)零線是否與工作零線分開又可分為:TN-C和TN-S方式供電系統(tǒng)。TN-C方式供電系統(tǒng)是用工作零線兼作接零保護(hù)線,適用于三相負(fù)載基本平衡的情況。TN-S方式供電系統(tǒng)是把工作零線N和專用保護(hù)線PE嚴(yán)格分開,系統(tǒng)安全可靠,適用于工業(yè)與民用建筑等低壓供電系統(tǒng)。此外,在一些由用戶提供的圖紙中,還可看到TN-C-S方式的供電系統(tǒng),此系統(tǒng)的前部分是TN-C方式供電,系統(tǒng)的后部分出PE線,且與N線不再合并。
現(xiàn)在工程上一般都采用TN-S系統(tǒng)。
10kV變電所內(nèi)的照明電源從低壓開關(guān)柜內(nèi)引出,管線選用BV500銅芯塑料線穿管后沿墻或頂暗敷,電線的管徑按規(guī)定配置,所配燈具應(yīng)具有足夠的照度,在安裝位置上不應(yīng)裝設(shè)在變壓器和高、低壓配電裝置上,應(yīng)安裝在墻上設(shè)備的上方或周圍,留有一定的距離以保證人身及設(shè)備的安全,同時(shí)應(yīng)避免造成照明死區(qū)。燈具安裝高度應(yīng)高于視平線以避免耀眼,還要避免與電氣設(shè)備或運(yùn)行人員的碰撞。
本文結(jié)合作者實(shí)踐工作,較為系統(tǒng)總結(jié)了10kV變電所設(shè)計(jì)所包含的內(nèi)容,供設(shè)計(jì)人員參考。
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