何 進(jìn), 夏璐璐

(中鐵二院華東勘察設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司, 浙江 杭州 310004)

0 引 言

目前,在工民建、城市軌道交通工程中380 V/3 Ph/50 Hz的冷水機(jī)組應(yīng)用比較廣泛,同時(shí)在市中心區(qū)域車站陸續(xù)采用位于車站內(nèi)部不突出地面的蒸發(fā)冷凝機(jī)組。

對(duì)于制冷機(jī)組,額定負(fù)載電流(Rated Load Amperes,RLA)通常指機(jī)組的額定電流,對(duì)應(yīng)特定的產(chǎn)品型號(hào),該參數(shù)指機(jī)組在額定工況(名義工況)下制冷工況滿負(fù)荷狀態(tài)時(shí)的輸入電流(名義電流)。滿負(fù)荷電流(Full Load Amperes,FLA)則為機(jī)組電機(jī)在滿載運(yùn)行情況時(shí)的電流值,用來代表最大運(yùn)行電流的規(guī)定值[1]。

機(jī)組的RLA總是小于或等于FLA[2],但城市軌道交通車站制冷機(jī)組(冷水機(jī)組及蒸發(fā)冷凝機(jī)組)裝機(jī)容量通常比較大,又是低壓配電系統(tǒng),城市軌道交通車站的現(xiàn)場(chǎng)工況往往無法滿足額定工況條件,而導(dǎo)致機(jī)組實(shí)際運(yùn)行電流超過(甚至遠(yuǎn)超過)RLA。本文對(duì)此進(jìn)行探討,旨在明確滿足現(xiàn)場(chǎng)工況的、合理化的城市軌道交通車站制冷機(jī)組配電設(shè)計(jì)方法。

1 配電線纜選型原則

1.1 配電線纜選型一般方法

為避免城市軌道交通車站制冷機(jī)組的運(yùn)行故障,根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),配電線纜的設(shè)計(jì)一般遵循以下原則:三相回路每相線徑和長(zhǎng)度須保持一致,防止相間不平衡;接入控制柜和電機(jī)的導(dǎo)線必須是銅質(zhì)的;電線、纜截面積應(yīng)經(jīng)過載流量、電壓降和熱穩(wěn)定性校驗(yàn)[3-4]。

(1) 載流量校驗(yàn)。載流量校驗(yàn)應(yīng)滿足:

IB≤In≤Iz

(1)

式中:IB——回路計(jì)算電流;

In——熔斷器熔體額定電流/斷路器額定電流或整定電流;

Iz——導(dǎo)體允許持續(xù)載流量。

(2) 電壓降校驗(yàn)[3-4]。電壓降校驗(yàn)應(yīng)滿足:

ΔU%=ΔUa%IBl≤5%

(2)

式中: ΔU%——線路電壓損失百分?jǐn)?shù);

ΔUa%——三相線路每1 A·km的電壓損失百分?jǐn)?shù);

IB——回路計(jì)算電流;

l——回路線纜長(zhǎng)度。

(3) 熱穩(wěn)定性校驗(yàn)[3]。熱穩(wěn)定性校驗(yàn)應(yīng)滿足:

(3)

式中:S——導(dǎo)體截面積;

t——持續(xù)時(shí)間;

I——預(yù)期短路電流交流均方根值;

k——計(jì)算系數(shù)。

1.2 校驗(yàn)實(shí)例

某臺(tái)制冷機(jī)組380 V/3 Ph/50 Hz的額定運(yùn)行電流為170 A,實(shí)際運(yùn)行最大電流為275 A,配電線路長(zhǎng)度約為100 m,功率因數(shù)為0.6,短路故障最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間為0.25 s,車站配電變壓器容量為1 250 kVA(為簡(jiǎn)化計(jì)算,代入配電變壓器母線出口預(yù)期短路電流交流均方根值)。

上述原則為根據(jù)RLA選取配電線纜截面的主要原則。由于實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組運(yùn)行工況有較大可能超出設(shè)計(jì)額定工況,導(dǎo)致實(shí)際運(yùn)行最大電流超出RLA時(shí)較多,影響配電線纜選型和繼電保護(hù)配置的可靠性,建議設(shè)計(jì)人員在進(jìn)線線纜選型時(shí)結(jié)合工程造價(jià)實(shí)際,考慮包容最大運(yùn)行電流的電纜截面,且適當(dāng)留有余量。

根據(jù)上述數(shù)據(jù),查閱文獻(xiàn)[3]可知,機(jī)組配電線纜采用WDZB-YJY23-時(shí),3種不同截面配電線纜校驗(yàn)如表1所示。

表1 3種不同截面配電線纜校驗(yàn)

實(shí)際設(shè)計(jì)選型時(shí),結(jié)合電纜載流量包容情況和工程造價(jià)實(shí)際情況,可分別排除WDZB-YJY 23-4×120+1×70與WDZB-YJY 23-4×185+1×95截面電纜,故WDZB-YJY 23-4×150+1×95截面電纜是較合理的選擇。

2 上下級(jí)繼電保護(hù)配置

2.1 城市軌道交通工程繼電保護(hù)配置

城市軌道交通工程環(huán)境情況復(fù)雜,實(shí)際工況通常難以滿足額定工況運(yùn)行,機(jī)組運(yùn)行電流一般在0～RLA區(qū)間,有時(shí)會(huì)偏離至RLA～FLA區(qū)間運(yùn)行。

為保護(hù)電機(jī)和配電線纜,制冷機(jī)組一般設(shè)定電流過載保護(hù)Ir,以限制機(jī)組在RLA～FLA區(qū)間運(yùn)行的電流值,城市軌道交通車站變電所低壓饋線斷路器也設(shè)置電流過載保護(hù)Iset1,以保護(hù)機(jī)組進(jìn)線電纜,按上下級(jí)匹配的關(guān)系,Iset1應(yīng)大于Ir,但實(shí)際城市軌道交通工程中,機(jī)組設(shè)備基本為設(shè)備廠家自帶保護(hù)電器,與設(shè)計(jì)院、施工單位及業(yè)主溝通不夠充分,若Iset1和Ir設(shè)定不當(dāng),會(huì)存在無法保護(hù)配電線纜和保護(hù)越級(jí)跳閘(直接越級(jí)跳車站變電所饋線斷路器)的風(fēng)險(xiǎn)。

相較于冷水機(jī)組,制冷機(jī)組中蒸發(fā)冷凝機(jī)組由于采用風(fēng)冷,實(shí)際運(yùn)行時(shí)電流更大,在配電線纜選型和上下級(jí)繼電保護(hù)配置方面相矛盾。

2.2 繼電保護(hù)分析實(shí)例

以某城市軌道交通線路施工配合過程中一座車站的蒸發(fā)冷凝機(jī)組跳閘故障現(xiàn)場(chǎng)為例,進(jìn)行配電線纜選型優(yōu)化和上下級(jí)繼電保護(hù)配置設(shè)計(jì)。

故障現(xiàn)場(chǎng)條件:一臺(tái)蒸發(fā)冷凝機(jī)組380 V/3 Ph/50 Hz,額定運(yùn)行電流為170 A,實(shí)際運(yùn)行最大電流為275 A(偏離超出額定工況最大時(shí)),起動(dòng)電流為500 A,持續(xù)2～3 s,配線電纜選取WDZB-YJY 23-4×120+1×70截面電纜(滿足上述配電電纜選型原則,但不是最合理選擇),配線長(zhǎng)度約為100 m,短路故障最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間約為0.25 s,車站配電變壓器容量1 250 kVA,車站變電所蒸發(fā)冷凝機(jī)組饋線開關(guān)為3VL400N400 ETU22/3P,長(zhǎng)延時(shí)Iset1設(shè)定值為280 A(反時(shí)限曲線,時(shí)間不可調(diào)),短路短延時(shí)Iset2設(shè)定值為1 680 A(脫扣時(shí)間0.2 s),短路瞬動(dòng)Iset3為4 400 A(固定值不可調(diào)),受上下級(jí)斷路器功能限制,現(xiàn)場(chǎng)無故障原因顯示。

故障分析按照斷路器的四段保護(hù)功能逐一核查。

(1) 單相接地短路功能跳閘引起?現(xiàn)場(chǎng)巡視多次,檢測(cè)多次,基本可以排除。

(2) 短路瞬時(shí)功能跳閘引起?下級(jí)斷路器短路瞬時(shí)設(shè)定值為2 000 A,沒有跳閘,基本可以排除。

(3) 短路短延時(shí)功能跳閘引起?在廠家提供的樣本中,星三角轉(zhuǎn)換起動(dòng)時(shí)的峰值電流數(shù)據(jù)如下:TT壓縮機(jī),切換電流約為1 100 A;TU壓縮機(jī),切換電流為1 210 A;TV壓縮機(jī),切換電流1 250 A。此測(cè)試數(shù)據(jù)基于GB額定工況,如果工況不同(高水溫),可能還會(huì)略大。從繼電保護(hù)的原則看,Iset2=1 680 A,大于TT、TU、TV壓縮機(jī)對(duì)應(yīng)電流的1.3倍以上[5],基本可以排除是由于短路短延時(shí)功能跳閘引起的。壓縮機(jī)星三角切換峰值電流波形如圖1所示。

圖1 壓縮機(jī)星三角切換峰值電流波形

(4) 長(zhǎng)延時(shí)(過載)功能跳閘引起?在廠家提供的樣本中,實(shí)際最大功率為160 kW,實(shí)際運(yùn)行最大電流為275 A,起動(dòng)電流為500 A,持續(xù)2～3 s,車站變電所長(zhǎng)延時(shí)整定值Iset1=280 A,在惡劣工況(偏離超出額定工況最大)時(shí),兩個(gè)電流很接近,確實(shí)可能會(huì)引起跳閘!

查閱廠家設(shè)置值,下級(jí)機(jī)組進(jìn)線小型斷路器(MCB)電流為315 A,軟件控制電流設(shè)定值為280A,均小于車站變電所饋線斷路器的長(zhǎng)延時(shí)Iset1整定值,而Iset1的設(shè)定是根據(jù)3VL400N400 ETU22/3P斷路器樣本完成,在滿足保護(hù)WDZB-YJY 23-4×120+1×70截面電纜(載流量理論值取系數(shù)后為294 A)的條件下設(shè)置。

2.3 繼電保護(hù)設(shè)置優(yōu)化方案

結(jié)合故障情況,各方協(xié)商后,處理方案如下:

(1) 增大機(jī)組配電線纜截面到4×150+1×95(載流量理論值取系數(shù)后為327 A)。

(2) 調(diào)整車站變電所饋線斷路器的長(zhǎng)延時(shí)Iset1整定值,調(diào)整增大為320 A,下一級(jí)進(jìn)線整定電流按斷路器脫扣誤差系數(shù)1.2要求,不得大于266 A。

(3) 車站動(dòng)力照明專業(yè)按額定電流的1.4倍(嚴(yán)酷情況下按1.2倍)進(jìn)行提資校驗(yàn),令廠家機(jī)組進(jìn)線開關(guān)長(zhǎng)延時(shí)Irj設(shè)定值調(diào)整為252 A,軟件控制電流設(shè)定值可稍大(雙重保障),為260 A。

(4) 同車站變電所專業(yè)根據(jù)上下級(jí)匹配關(guān)系,通過SIMARIS curves 4.0軟件校驗(yàn),完成機(jī)組設(shè)備端和車站變電所側(cè)繼電保護(hù)配置優(yōu)化設(shè)計(jì)。

針對(duì)出現(xiàn)車站變電所蒸發(fā)冷凝機(jī)組配電回路跳閘故障所在某城市軌道交通線路,按照上述處理方案步驟,對(duì)全線其他車站進(jìn)行梳理,廠家重新出具機(jī)組回路的繼電保護(hù)設(shè)定,車站變電所專業(yè)也重新出具整定值計(jì)算書,線纜型號(hào)選擇和繼電保護(hù)整定配置如表2所示。

3 建 議

表2 線纜型號(hào)選擇和繼電保護(hù)整定配置

(1) 選擇制冷機(jī)組配電線纜在滿足載流量、電壓降、熱穩(wěn)定性校驗(yàn)的情況下,可基于機(jī)組銘牌上的RLA電流,根據(jù)RLA確定隔離開關(guān)、MCB及控制柜的相關(guān)參數(shù)。電氣工程師要求按照電機(jī)的FLA設(shè)計(jì)也是合理的,這樣會(huì)有更大的安全余量。按照RLA設(shè)計(jì)配電線纜通?？梢怨?jié)省一定的費(fèi)用,但不能保證可以滿足全工況要求和繼電保護(hù)的上下級(jí)匹配要求,建議綜合考慮制冷的實(shí)際運(yùn)行工況做出精細(xì)化設(shè)計(jì)。

(2) 制冷機(jī)組的車站變電所配電回路建議選擇具有寬闊的電流和時(shí)間調(diào)節(jié)范圍的選擇性低壓斷路器開關(guān),以利于電氣設(shè)計(jì)人員在繼電保護(hù)上下級(jí)匹配設(shè)計(jì)校核。

4 結(jié) 語

明確城市軌道交通車站制冷機(jī)組配電線纜的選型原則,優(yōu)化制冷機(jī)組設(shè)備端和車站變電所側(cè)繼電保護(hù)設(shè)計(jì)配置的方法,為車站制冷機(jī)組正常運(yùn)營提供有力的保障,屬城市軌道交通行業(yè)內(nèi)較領(lǐng)先和精細(xì)的設(shè)計(jì)方式,能避免因放大電纜截面或強(qiáng)行壓制制冷機(jī)組壓縮機(jī)工作功率帶來的經(jīng)濟(jì)損失。

[1]地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范:GB50157—2013[S].

[2]張凱.冷水機(jī)組動(dòng)力線的匹配.2011中國制冷學(xué)會(huì)年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C].南京:中國制冷學(xué)會(huì),2011:794-797.

[3]中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].4版.北京:中國電力出版社,2016.

[4]民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范:JGJ16—2008[S].

[5]低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范:GB50054—2011[S].

[6]曹建猷.電氣化鐵道供電系統(tǒng)[M].北京:中國鐵道出版社,1983:106-109.