上海天然氣管網(wǎng)有限公司 承 誠(chéng)

1 概述

1.1 供、配電系統(tǒng)概述

上海五號(hào)溝LNG 站現(xiàn)有一期及一期擴(kuò)建工程的供電電源，分別為獨(dú)立的2 個(gè)10 kV 電源。站內(nèi)設(shè)有三個(gè)變電所（老變電所、主變電所和碼頭變電所），變電所總裝接容量7 500 kVA。目前老站變電所有1 250 kVA 10/0.4kV 變壓器2臺(tái)；主變電所裝有2 500 kVA 10/6.3kV 變壓器2 臺(tái)，500 kVA 6/0.4kV變壓器2臺(tái)；碼頭變電所裝有315 kVA 6/0.4kV 變壓器1臺(tái)。三臺(tái)6/0.4 kV 變壓器電源均引自主變電所的6 V 母線。該站現(xiàn)有總用電負(fù)荷4 500 kVA，二期擴(kuò)建需新增用電負(fù)荷2 797 kVA，擴(kuò)建后的總用電容量7 660 kVA，原有配電系統(tǒng)已不能滿足該負(fù)荷要求。根據(jù)上海市供電部門(mén)規(guī)定，10 kV 用戶總裝接容量應(yīng)限制在6 300 kVA 以下，因此本期擴(kuò)建必須對(duì)現(xiàn)有供電系統(tǒng)進(jìn)行改造。將原有10 kV供電電壓改為35 kV 電壓系統(tǒng)，變電所取消原有10 kV電壓等級(jí)，LNG 站改為由兩路35 kV 進(jìn)線，增設(shè)兩臺(tái)8000 kVA 35/6.3kV 變壓器以替換主變電所現(xiàn)有的兩臺(tái)10/6.3 kV 變壓器，老變電所10/0.4 kV 變壓器置換為6/0.4 kV 變壓器，容量不變（變壓器6 kV電源改為引自主變電所6 kV 母線）。本期擴(kuò)建新增低壓負(fù)荷接入主變電所低壓段，主變電所現(xiàn)有兩臺(tái)500 kVA 6/0.4kV 變壓器改為800 kVA 6/0.4kV 以滿足本期擴(kuò)建新增低壓負(fù)荷。

1.2 主接線方式和線路運(yùn)行情況

主變電所的35 kV 采用雙回路進(jìn)線，在6 kV側(cè)采用單母線分段，母線分段斷路器設(shè)自動(dòng)和手動(dòng)切換裝置，正常時(shí)兩段分列運(yùn)行，當(dāng)其中一路進(jìn)線失電時(shí)，進(jìn)線開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，經(jīng)一定延時(shí)后分段開(kāi)關(guān)自動(dòng)投入，全部負(fù)荷由另一路進(jìn)線供電。進(jìn)線開(kāi)關(guān)和分段開(kāi)關(guān)有電氣連鎖，只有當(dāng)一路進(jìn)線開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，另一路電源正常的情況下，分段開(kāi)關(guān)才能投入。當(dāng)事故消失，由單電源運(yùn)行狀態(tài)恢復(fù)到雙電源正常運(yùn)行狀態(tài)。整個(gè)切換過(guò)程也可以采用手動(dòng)操作。380 V低壓供電系統(tǒng)的運(yùn)行方式和電氣連鎖與6 kV 供電系統(tǒng)相同。

場(chǎng)站中一級(jí)負(fù)荷及特別重要負(fù)荷的供電要求，在雙電源供電的基礎(chǔ)上，接入現(xiàn)場(chǎng)已有的應(yīng)急發(fā)電機(jī)組。

0.4 kV 側(cè)母線與應(yīng)急發(fā)電機(jī)組的應(yīng)急母線連鎖。正常情況低壓應(yīng)急母聯(lián)閉合，應(yīng)急段母線由市電供電；當(dāng)一路電源或變壓器有故障退出時(shí)，正常母聯(lián)自動(dòng)合閘，另一臺(tái)變壓器帶低壓正常母線及應(yīng)急低壓段母線運(yùn)行；當(dāng)兩路電源故障退出時(shí)，低壓側(cè)母線與應(yīng)急發(fā)電機(jī)組的應(yīng)急母聯(lián)斷路器斷開(kāi)，應(yīng)急發(fā)電機(jī)組自啟動(dòng)帶應(yīng)急段全部負(fù)荷運(yùn)行。

1.3 功率因數(shù)補(bǔ)償原則和補(bǔ)償方式

在主變電所內(nèi)集中設(shè)置的6 kV 單路3臺(tái)200 kVar(共計(jì)單條線路600 kVar)自動(dòng)功率因數(shù)補(bǔ)償裝置，可根據(jù)所內(nèi)的負(fù)荷變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)并分組投切電容，要求補(bǔ)償后功率因數(shù)不低于0.92。目前主變電所原有低壓負(fù)荷316 kVA 低壓側(cè)未設(shè)置補(bǔ)償，本次擴(kuò)建后主變電所低壓負(fù)荷694 kVA 功率因數(shù)0.84，如將功率因數(shù)補(bǔ)償至0.92所需無(wú)功補(bǔ)償128 kVA，所需補(bǔ)償容量小。另考慮到現(xiàn)有主變電所空間限制等現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，本次擴(kuò)建低壓側(cè)不設(shè)無(wú)功補(bǔ)償，在6 kV 側(cè)新增單路400 kVar 電容補(bǔ)償。

2 6 kV 配電系統(tǒng)優(yōu)化

2.1 電纜選型計(jì)算

目前中壓電纜截面的計(jì)算依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC 364-5-523《建筑物電氣裝置》、IEC 502《額定電壓從1 kV 到30 kV 的擠壓絕緣電力電纜》。

電纜截面的選擇要求滿足三個(gè)條件：

(1)載流條件：電纜在正常最大負(fù)荷電流運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下所產(chǎn)生的發(fā)熱溫度，不應(yīng)該超過(guò)其正常運(yùn)行時(shí)的最高允許溫度。

(2)電壓降條件：電纜在通過(guò)正常最大負(fù)荷電流時(shí)所產(chǎn)生的電壓損耗，不應(yīng)超過(guò)其正常運(yùn)行時(shí)允許的電壓損耗。

(3)熱穩(wěn)定度：電纜截面要求滿足短路電流條件下的發(fā)熱要求。

2.1.1 載流量計(jì)算

電力電纜在運(yùn)行過(guò)程中，由于線芯電流引起鎧裝層、金屬屏蔽層和絕緣層損耗發(fā)熱，使得電纜各部分的工作溫度升高。若電纜工作在過(guò)高溫度下，將會(huì)導(dǎo)致絕緣材料加速老化，縮短電纜壽命。根據(jù)運(yùn)行中的經(jīng)驗(yàn)，規(guī)定了電纜所允許的長(zhǎng)期和短期最高工作溫度。常用電力電纜載流量計(jì)算公式如下：

式中：Iz——電纜實(shí)際載流量，A；

K1——電纜敷設(shè)溫升校正系數(shù)。本次二期擴(kuò)建工程6 kV 電纜沿電纜梯架敷設(shè)取K1＝1.08；直埋取K1＝1.15；

K2——并行校正系數(shù)。本次二期擴(kuò)建項(xiàng)目的6 kV 電纜沿電纜梯架敷設(shè)取K2＝0.8；直埋取K2＝0.75；

K3——土壤熱阻系數(shù)。本次二期擴(kuò)建項(xiàng)目均取K3＝1；

IL——電纜允許載流量，A。

電纜敷設(shè)方式分電纜梯架上敷設(shè)和直埋敷設(shè)兩種，根據(jù)上述數(shù)據(jù)可知，當(dāng)兩種敷設(shè)方式并存時(shí)，載流量最小的敷設(shè)方式是直埋敷設(shè)。以下均按照載流量最小的敷設(shè)方式進(jìn)行計(jì)算。

2.1.2 電壓降計(jì)算

對(duì)于電纜截面積，還需要核算在額定運(yùn)行狀態(tài)和啟動(dòng)狀態(tài)下的電壓損耗，以滿足遠(yuǎn)端用電設(shè)備的要求。本次二期擴(kuò)建工程用電設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)對(duì)稱電壓的電壓降按u%≤5%計(jì)算。

三相壓降公式為：

式中：u%——電壓降，%；

R0——電纜單位長(zhǎng)度電阻，?/km；

X0——電纜單位長(zhǎng)度電抗，?/km；

UN——額定電壓，V；

IN——額定電流，A；

L——電纜長(zhǎng)度，m，中控室至老配電室電纜長(zhǎng)度為1 100 m。

2.1.3 熱穩(wěn)定校驗(yàn)

當(dāng)回路發(fā)生短路時(shí)，電纜線芯中將流過(guò)很大的短路電流。由于短路時(shí)間很短，電纜熱效應(yīng)產(chǎn)生的熱量來(lái)不及向外散發(fā)，全部轉(zhuǎn)化為線芯的溫升。要求電纜線芯能夠耐受電流熱效應(yīng)而不至于損壞。因此電纜截面積A 應(yīng)不小于滿足熱穩(wěn)定度的最小截面積Amin，即：

式中：A——電纜截面積，mm2；

Amin——電纜最小截面積，mm2；

Qt=Qz+Qf，本次二期擴(kuò)建項(xiàng)目?jī)?nèi)發(fā)生短路可視為遠(yuǎn)端短路，故：

tima——短路發(fā)熱時(shí)間，s，本次二期擴(kuò)建項(xiàng)目供電公司提供短路動(dòng)作時(shí)間為0.70 s；

cos?——功率因數(shù)；

teq——直流分量等效時(shí)間，s，取teq＝0.05 s。

2.2 6 kV 配電系統(tǒng)優(yōu)化

根據(jù)原擴(kuò)建需求，35 kV 改造接入點(diǎn)為中控樓配電室，中控樓至老配電室電纜需重新采購(gòu)，根據(jù)電力公司要求老變電所變壓器前需新增配電隔離柜兩臺(tái)。項(xiàng)目部根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)配電線路及配電設(shè)備做了優(yōu)化調(diào)整。

2.2.1 配電線路優(yōu)化

根據(jù)原有擴(kuò)建需求，35 kV 改造接入點(diǎn)為中控樓配電室，中控樓至老站配電室兩跟總長(zhǎng)2200 m電纜需重新采購(gòu)敷設(shè)。由于二期工程改造后，原有老配電室兩路10 kV 進(jìn)線將要拆除，原有兩路老配電室送至中控室的兩路10 kV 配電電纜也將拆除。鑒于原有10 kV 配電電纜截面為120 mm2滿足需采購(gòu)新增6 kV 70 mm2最小截面要求，且此兩根電纜為08年一期擴(kuò)建時(shí)所采購(gòu)，電纜目前使用年限及整體狀態(tài)足夠滿足擴(kuò)建需求。項(xiàng)目部根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)配電系統(tǒng)工藝狀況，利用改造后停用的原有10 kV 進(jìn)線電纜作為改造后6 kV 配電電纜，降壓反輸從中控室至老站中控室6 kV 用電。

2.2.2 配電設(shè)備優(yōu)化

根據(jù)電力公司要求老變電所變壓器前需新增配電隔離柜兩臺(tái)。由于二期工程改造后，原有老配電室兩路10 kV 進(jìn)線將要拆除，整個(gè)LNG 站取消10 kV 電壓等級(jí)的用電。原有老配電室用于接收10 kV 外線供電的10 kV 進(jìn)線開(kāi)關(guān)柜也將取消拆除。項(xiàng)目部根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)配電設(shè)備工藝狀況，利用改造后停用的老站原有10 kV 進(jìn)線配電柜作為改造后6 kV配電隔離柜接收從中控室至老站中控室6 kV 用電。

2.3 優(yōu)化實(shí)效

配電系統(tǒng)改造完成至今，設(shè)備運(yùn)行正常，設(shè)備、材料經(jīng)過(guò)電氣試驗(yàn)，各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)滿足規(guī)范要求。降低站內(nèi)老配電室改造期間，站內(nèi)原有生產(chǎn)設(shè)備(包括壓縮機(jī)、空壓機(jī)等重要生產(chǎn)設(shè)備)單路不可靠供電時(shí)間為3周。

3 配電系統(tǒng)的節(jié)能措施

3.1 無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)分析

3.1.1 電容器等分與不等分運(yùn)行方式

(1)等分運(yùn)行方式是指各組電容器的容量相等。該運(yùn)行方式的優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，缺點(diǎn)是補(bǔ)償級(jí)差較大，想要獲得較小的補(bǔ)償級(jí)差，必須增加分組組數(shù)，因此相應(yīng)的控制設(shè)備及設(shè)備的占用空間也需要相應(yīng)增加。

(2)不等分運(yùn)行方式是指各分組電容器的容量不相等。該運(yùn)行方式的優(yōu)點(diǎn)是利用較小的分組就可獲得較小的補(bǔ)償級(jí)差，例如150 kVar 電容按照10 kVar、20 kVar、40 kVar、80 kVar 不等容分組只需分4組就可達(dá)到10 kVar 的補(bǔ)償級(jí)差，若按照等分方式，必須分成15 組才能達(dá)到10 kVar 的補(bǔ)償級(jí)差。不等分運(yùn)行方式的缺點(diǎn)是難以實(shí)現(xiàn)定量自動(dòng)控制。

3.1.2 投切判據(jù)的確定

以功率因數(shù)大小作為投切判據(jù)，實(shí)際上功率因數(shù)的高低，并不能直接反應(yīng)出無(wú)功缺額的大小。所以，僅根據(jù)功率因數(shù)投切不可能實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)功缺額進(jìn)行定量補(bǔ)償，投切的結(jié)果會(huì)造成在某些情況下頻繁的誤動(dòng)作。若為了解決頻繁誤動(dòng)作而增加人工調(diào)節(jié)靈敏度和調(diào)節(jié)延時(shí)的措施，這將使得投切裝置操作變得復(fù)雜，并失去自動(dòng)投切的意義。若采用無(wú)功電流判據(jù)，這個(gè)判據(jù)要比僅用功率因數(shù)做判據(jù)稍微好一些，但還不夠完善。只有以無(wú)功缺額作為投切判據(jù)才能真正的實(shí)現(xiàn)缺多少補(bǔ)多少，超多少切多少。

3.1.3 誤差裕度的選擇

考慮到電容器本身的偏差及實(shí)際運(yùn)行電壓引起的偏差，誤差裕度可以按公式(1)計(jì)算：

式中：Qy——無(wú)功缺額誤差裕度；

Q——無(wú)功缺額；

ΔU%——實(shí)際運(yùn)行電壓與額定電壓的偏差，取0.05；

ΔC%——電容偏差，取0.1。

3.1.4 投切過(guò)程

為了保證電容器容量任意分組時(shí)都能根據(jù)無(wú)功缺額的大小有選擇的投切電容器，要求分組電容器容量應(yīng)從小到大有序排列。投切的設(shè)計(jì)原則是：

(1)在滿足投切條件后，將根據(jù)逐次逼近的原則，從高到底搜尋滿足投入條件的電容器組，然后再?gòu)牡拖蚋邟呙?，使補(bǔ)償效果達(dá)到最佳優(yōu)化狀態(tài)。

(2)在滿足切除條件后，先從高向低搜尋滿足最佳切除條件的電容器組，最佳切除條件為Qi≤Q 或Qi-Q＜Q1（Qi為搜尋的電容器組，Q 為無(wú)功超額，Q1為最小一組電容器的容量）。若從高向低搜尋不到滿足上述條件的電容器組，則從低向高切除，直到cos?＞0。

3.2 無(wú)功補(bǔ)償優(yōu)化

原有6 kV 電容器單路600 kVar，電容為等分方式運(yùn)行，配比為2:2:2，靈敏度較低，補(bǔ)償梯度為200 kVar。本次每路新增2臺(tái)單路400 kVar 無(wú)功補(bǔ)償裝置，后將電容運(yùn)行方式更變?yōu)椴坏确诌\(yùn)行方式，新增配比設(shè)定為1:3，使補(bǔ)償精度提高一倍而達(dá)到100 kVar。

二期擴(kuò)建項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)考慮到功率補(bǔ)償因數(shù)需要有一個(gè)穩(wěn)定的范圍，并且達(dá)到0.95以上已符合供電公司要求，二期擴(kuò)建項(xiàng)目配電室現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置了一個(gè)cos?＝0.95作為投入下限的判據(jù)，即當(dāng)cos?＞0.95時(shí)，即使無(wú)功缺額大于一組電容器的容量，電容器也不再投入。根據(jù)供電公司無(wú)功不能倒送的規(guī)定，設(shè)置了功率因數(shù)超前切除的判據(jù)，該判據(jù)工具無(wú)功超額的多少切除相應(yīng)的組數(shù)?？紤]到電容器本身的誤差及其他測(cè)量誤差，設(shè)置了一個(gè)投入裕度Qy，每次投入電容器時(shí)，留有一定的裕度Qy，以防止過(guò)補(bǔ)和頻繁誤動(dòng)作，Qy的大小是隨無(wú)功符合的大小而調(diào)整的，同時(shí)考慮到電壓質(zhì)量的要求，設(shè)置了電壓禁投上限判據(jù)，即當(dāng)電壓高于額定電壓5%時(shí)，即使功率因數(shù)低于0.95也不再投入電容器，以防止繼續(xù)投入電容器可能會(huì)引起的電壓升高。綜合上述因素，五號(hào)溝二期擴(kuò)建采用無(wú)功缺額作為主判據(jù)，以功率因數(shù)和電壓作為輔助判據(jù)的綜合判別原理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)無(wú)功補(bǔ)償電容達(dá)到最佳控制狀態(tài)。

6 kV 無(wú)功補(bǔ)償裝置改造后，無(wú)功補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償效率提升50%以上，過(guò)補(bǔ)、漏補(bǔ)的偏差度降低到微乎其微。

3.3 優(yōu)化實(shí)效

項(xiàng)目改造前，由于無(wú)功補(bǔ)償容量不足，公司每月需向電力公司繳納LNG 站電費(fèi)總額的1.5%～2%的功率因數(shù)補(bǔ)償罰金。無(wú)功補(bǔ)償裝置改造后，補(bǔ)償精度提高一倍達(dá)到100 kVar，無(wú)功補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償效率提升50%以上，過(guò)補(bǔ)、漏補(bǔ)的偏差度降低到微乎其微。由于無(wú)功、諧波等因素對(duì)供電線路風(fēng)險(xiǎn)減少，LNG 站每月電費(fèi)因功率因數(shù)補(bǔ)償達(dá)標(biāo)，可以穩(wěn)定收到電力公司電費(fèi)總額獎(jiǎng)勵(lì)。

4 結(jié)語(yǔ)

五號(hào)溝LNG 二期擴(kuò)建工程通過(guò)細(xì)化電力電纜截面選擇條件，采用“合理利舊”理念對(duì)6 kV 配電系統(tǒng)改造方案進(jìn)行優(yōu)化。合理新增不同容量配比對(duì)電容器，對(duì)無(wú)功補(bǔ)償裝置補(bǔ)償精度進(jìn)行優(yōu)化。使得配電系統(tǒng)升壓增容改造項(xiàng)目投資費(fèi)用減少，每年生產(chǎn)成本降低，進(jìn)而為其他工程提供了借鑒。