靳 凱
(上海市隧道工程軌道交通設(shè)計研究院, 200235, 上海∥工程師)
地鐵區(qū)間射流風(fēng)機(jī)主要用于運(yùn)營前通風(fēng)換氣、區(qū)間阻塞或火災(zāi)工況排煙。因隧道洞口氣流組織困難,射流風(fēng)機(jī)(如圖1中FJ1-FJ8)多設(shè)置在出入段線隧道洞口或車站岔線區(qū),距離車站變電所較遠(yuǎn)。
根據(jù)風(fēng)機(jī)容量和配電距離的不同,區(qū)間射流風(fēng)機(jī)一般有全壓起動和軟起動2種配電方案。其中:全壓起動的優(yōu)點是設(shè)備簡單、操作維護(hù)方便,缺點是起動電流較大,需要通過增大電纜截面來減少對配電系統(tǒng)電壓的沖擊;軟起動由于增加了軟起動控制柜,其起動電流較小,對配電系統(tǒng)影響也較小,缺點則是設(shè)備相對復(fù)雜、投資較高。
圖1 射流風(fēng)機(jī)平面布置示意圖
對于風(fēng)機(jī)的起動問題,GB 50055—2011《通用用電設(shè)備配電設(shè)計規(guī)范》、GB 50052—2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》等規(guī)范對風(fēng)機(jī)起動時母線電壓降、電動機(jī)端子電壓降、起動轉(zhuǎn)矩等方面作了如下明確要求:① 電動機(jī)不頻繁起動(起動次數(shù)<10次/h)時,配電母線上的電壓不宜低于額定電壓的85%[1];② 電動機(jī)起動時,其端子電壓應(yīng)能保證機(jī)械要求的起動轉(zhuǎn)矩,且在配電系統(tǒng)中引起的電壓波動不應(yīng)妨礙其他用電設(shè)備的工作[1];③ 電動機(jī)類用電設(shè)備端子處電壓偏差允許值宜符合±5%額定電壓的要求[2];④ 對于低壓電動機(jī),應(yīng)保證接觸器線圈的電壓不低于釋放電壓[1],單獨使用或裝在起動器中使用的電磁式接觸器,在其額定控制電源電壓Un的85%~110%之間取任何值時均應(yīng)可靠閉合[3]。
根據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計手冊(第四版)》[4](以下簡稱“配電手冊”),相關(guān)計算公式如下。
Iz≥I/K
(1)
式中:
Iz——電纜載流量;
I——負(fù)荷計算電流;
K——載流量校正系數(shù)。
Δu=ΔuaIl
(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),%/(A·km);
l——線路長度,km。
UstB=1.05SscB/(SscB+QL+Sst)
(3)
SscB=SrT/(xT+SrT/Sk)
(4)
QL=0.6(SrT-0.75SrM)
(5)
Sst=1/(1/SstM+X1/Uav2)
(6)
式中:
UstB——電動機(jī)起動時母線電壓相對值;
SscB——母線短路容量,MVA;
QL——預(yù)接負(fù)荷的無功功率,Mvar;
Sst——電動機(jī)起動時起動回路的計算容量,MVA;
SrT——變壓器額定容量,MVA;
xT——變壓器短路阻抗,Ω;
Sk——變壓器一次側(cè)短路容量,MVA;
SrM——電動機(jī)額定容量,MVA;
SstM——電動機(jī)額定起動容量,MVA;
Uav——系統(tǒng)平均電壓,kV;
X1——線路阻抗,Ω。
設(shè)S為銅芯電纜截面,當(dāng)S>150 mm2時,X1=(0.08+6.1/S)l;當(dāng)S≤150 mm2時,X1=18.3l/S。
鼠籠式電動機(jī)起動時,電動機(jī)端子電壓相對值UstM為:
UstM=UstBSst/SstM
(7)
電動機(jī)起動時,為保證傳動機(jī)械要求的起動轉(zhuǎn)矩,UstM應(yīng)滿足:
(8)
式中:
ms——電動機(jī)傳動機(jī)械的靜阻轉(zhuǎn)矩相對值;
mstM——電動機(jī)起動轉(zhuǎn)矩相對值,即起動轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩的比值。
本文以某軌道交通工程為例進(jìn)行研究。該工程供電系統(tǒng)采用110 kV/35 kV二級電壓供電方式,其中,35 kV側(cè)短路容量SK為250 MVA。車站配電變壓器選用環(huán)氧樹脂絕緣干式變壓器SCB10-1250 kVA-35/0.4 kV,其額定容量SrT為1.25 MVA,變壓器阻抗電壓uK為6%,母線短路容量SscB為19.23 MVA。
依據(jù)配電手冊第838頁的表9.3-24、第875頁的表9.4-19,得到電纜參數(shù)如表1所示。
表1 交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜參數(shù)Tab.1 Parameters of cross-linked polyethylene insulated power cable
地鐵區(qū)間射流風(fēng)機(jī)的電動機(jī)轉(zhuǎn)速一般為1 450 r/min,常用功率為30 kW、45 kW、55 kW,額定電壓380 V,頻率50 Hz。選用某廠家YE3-4系列鼠籠型射流風(fēng)機(jī),其參數(shù)如表2所示。
1) 軟起動器:選用某廠家PSS系列軟起動器,起動變流倍數(shù)為4,起動時間為10 s。
2) 軟起動柜:約為6萬元/臺(詢價)。
表2 某廠家鼠籠型射流風(fēng)機(jī)參數(shù)Tab.2 Squirrel cage type jet fan parameters from certain manufacturer
3) 全壓起動控制箱:約為0.5萬元/只(詢價)。
以2臺45 kW射流風(fēng)機(jī)為例進(jìn)行計算,根據(jù)表2,選擇YE3-225M-4型號的射流風(fēng)機(jī)。采用全壓起動時,如圖2 a)所示,雙電源切換箱AT1兩路電源分別引自A站降壓變電所I、II段母線,雙電源切換后饋線分別引至射流風(fēng)機(jī)FJ1、FJ2的全壓起動控制箱,控制箱再引至射流風(fēng)機(jī)接線端子處;采用軟起動時,如圖2 b)所示,取消了全壓起動的控制箱1、控制箱2,新增軟起動柜1、軟起動柜2。
a) 全壓起動
b) 軟起動圖2 2種起動方式下射流風(fēng)機(jī)配電方案對比Fig.2 Comparison of jet fan power distribution schemes under 2 types of starting modes
本文僅做近似估算,由于AT1和控制箱/柜、控制箱/柜和射流風(fēng)機(jī)之間的距離都很小,因此忽略AT1至控制箱/柜、控制箱/柜至射流風(fēng)機(jī)的電纜阻抗值,同時忽略變壓器到變電所低壓開關(guān)柜的銅母線阻抗值,僅計入低壓開關(guān)柜至AT1的線路阻抗值。
最大運(yùn)行工況為2臺射流風(fēng)機(jī)同時運(yùn)行,AT1的功率P為90 kW,電流I為168 A,額定容量SrM為0.111 MVA;最大起動工況為1臺射流風(fēng)機(jī)正在運(yùn)行時另1臺射流風(fēng)機(jī)起動,此時起動電流Iq為705.6 A,額定起動容量SstM為0.464 MVA。比對上文的規(guī)范要求,計算及校驗步驟如下:
1) 步驟1,根據(jù)載流量選擇電纜。AT1的2路進(jìn)線電纜沿區(qū)間電纜支架敷設(shè),取K為0.78[4],根據(jù)式(1)可得到Iz≥215.38 A;根據(jù)表1,選擇交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜規(guī)格為WDZBN-YJY23-3×70+2×35。
2) 步驟2,通過最大運(yùn)行工況下電動機(jī)端子電壓降確定最遠(yuǎn)供電距離Lm。根據(jù)式(2)及要求③,當(dāng)電纜選用WDZBN-YJY23-3×70+2×35且Δu≤5%時,Lm可達(dá)到235 m。
3) 步驟3,最大起動工況下的母線電壓降校驗。當(dāng)電纜選用WDZBN-YJY23-3×70+2×35、供電距離為235 m時,X1為0.06 Ω,根據(jù)式(3)可得UstB為99.36%,滿足要求①。
4) 步驟4,最大起動工況下的電動機(jī)端子電壓降校驗。根據(jù)式(7)可得UstM為82.92%。根據(jù)式(8),為保證起動轉(zhuǎn)矩要求,則UstM>38.73%,滿足要求②,但由于UstM<85%,不滿足要求④中接觸器線圈釋放電壓的要求。如需滿足UstM≥85%,則反算出Lm為199 m。
重復(fù)步驟3和步驟4,當(dāng)Lm為199 m時,UstB為99.31%,母線壓降校驗通過。此時UstM為85.02%,大于38.73%,起動轉(zhuǎn)矩校驗通過;UstM在85%~110%的范圍內(nèi),接觸器線圈釋放電壓校驗通過。
綜上分析,射流風(fēng)機(jī)FJ1(45 kW)、FJ2(45 kW)按照上述條件采用全壓起動時,在0~199 m的供電范圍內(nèi),選擇交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜WDZBN-YJY23-3×70+2×35,可滿足載流量、運(yùn)行時電壓降、起動時母線電壓降、起動時電動機(jī)端子電壓降、起動轉(zhuǎn)矩、接觸器線圈釋放電壓等各項要求。
采用軟起動方式時,選用某廠家PSS系列軟起動器,起動電流倍數(shù)為4,其余條件與全壓起動方式相同。此時,最大運(yùn)行工況同全壓起動方式;最大起動工況為1臺射流風(fēng)機(jī)運(yùn)行時另1臺射流風(fēng)機(jī)起動,此時起動電流Iq為420 A,額定起動容量SstM為0.276 MVA。
計算及校驗步驟如下:
1) 步驟1,根據(jù)載流量選擇電纜。同全壓起動方式,選擇交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜WDZBN-YJY23-3×70+2×35。
2) 步驟2,通過最大運(yùn)行工況下電動機(jī)端子電壓降確定Lm。同全壓起動方式,Lm為235 m。
3) 步驟3,最大起動工況下的母線電壓降校驗。計算方法同全壓起動方式,得到UstB≥85%,滿足要求①。
4) 步驟4,最大起動工況下的電動機(jī)端子電壓降校驗。計算方法同全壓起動方式,得到UstM為89.49%,其大于起動轉(zhuǎn)矩要求的電動機(jī)端子電壓降38.73%,校驗通過,滿足要求②;UstM在85%~110%的范圍內(nèi),滿足要求④。
綜上分析,在其余條件不變的情況下,當(dāng)起動方式改為軟起動時,Lm可達(dá)235 m。
按照上述計算方法,可得出2臺45 kW的射流風(fēng)機(jī)共用1個AT1時進(jìn)線電纜規(guī)格與供電距離的關(guān)系,如表3所示。
表3 進(jìn)線電纜規(guī)格與供電距離的關(guān)系Tab.3 Relationship between incoming cable specifications and power supply distance
本文只考慮變電所低壓開關(guān)柜至區(qū)間射流風(fēng)機(jī)之間的費(fèi)用,其主要由3個部分內(nèi)容組成:
C=C1+C2+C3
(9)
式中:
C——總費(fèi)用;
C1——設(shè)備費(fèi)用;
C2——電纜費(fèi)用;
C3——其他費(fèi)用。
計算時,忽略了C1因容量不同帶來的價格差異;C2的電纜由低壓開關(guān)柜至AT1、AT1至控制箱/柜(距離按20 m考慮)、控制箱/柜至射流風(fēng)機(jī)(距離按20 m考慮)等3部分組成;計算C3時,忽略不同起動方式下的差異,近似認(rèn)為2種起動方式下其他費(fèi)用相等。
根據(jù)表1和表3,則可得到2臺45 kW射流風(fēng)機(jī)在不同起動方式下的費(fèi)用C與供電距離L的關(guān)系,如圖3所示??梢钥闯觯?/p>
1) 當(dāng)射流風(fēng)機(jī)與變電所的距離小于461 m時,采用全壓起動更為合理。這是因為對于容量確定的風(fēng)機(jī),供電距離較小時,進(jìn)線電纜的截面主要取決于正常運(yùn)行時末端電纜電壓降Δu≤5%的要求,2種起動方式下的電纜截面相差并不大,費(fèi)用差別主要是因為軟起動柜費(fèi)用較高。
2) 隨著供電距離的增大,Ust,M逐漸成為了關(guān)鍵因素,導(dǎo)致全壓起動方式下的電纜截面要比軟起動方式下的電纜截面大。而且隨著供電距離的不斷增大,2種起動方式下電纜的費(fèi)用差也會越來越大,所以當(dāng)射流風(fēng)機(jī)與變電所的距離大于461 m時,采用軟起動方式更為合理。
同理分別計算出2臺30 kW射流風(fēng)機(jī)、2臺55 kW射流風(fēng)機(jī)在不同起動方式下的費(fèi)用與供電距離的關(guān)系,如圖4~5所示。可以看出:
1) 對于2臺30 kW射流風(fēng)機(jī),當(dāng)射流風(fēng)機(jī)與變電所的距離小于786 m時,采用全壓起動更為合理;
圖3 2臺45 kW射流風(fēng)機(jī)在不同起動方式下的 費(fèi)用-距離關(guān)系Fig.3 Cost-distance relationship of two 45 kW jet fans underdifferent starting modes
圖4 2臺30 kW射流風(fēng)機(jī)在不同起動方式下的 費(fèi)用-距離關(guān)系Fig.4 Cost-distance relationship of two 30 kW jet fans under different starting modes
圖5 2臺55 kW射流風(fēng)機(jī)在不同起動方式下的 費(fèi)用-距離關(guān)系Fig.5 Cost-distance relationship of two 55 kW jet fans under different starting modes
當(dāng)射流風(fēng)機(jī)與變電所的距離大于786 m時,采用軟起動更為合理;
2) 對于2臺55 kW射流風(fēng)機(jī),當(dāng)射流風(fēng)機(jī)與車站變電所的距離小于395 m時,采用全壓起動合理,當(dāng)射流風(fēng)機(jī)與變電所的距離大于395 m時,采用軟起動更為合理。
在區(qū)間射流風(fēng)機(jī)的供配電設(shè)計中,既不能簡單地靠放大電纜截面來滿足風(fēng)機(jī)的起動和運(yùn)行要求,也不能忽略風(fēng)機(jī)容量、風(fēng)機(jī)與變電所的距離等因素一概采用軟起動方式,而應(yīng)在滿足技術(shù)指標(biāo)的前提下,結(jié)合投資費(fèi)用進(jìn)行合理的經(jīng)濟(jì)分析比較,這對城市軌道交通工程項目節(jié)約投資具有重大意義。