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

1 相關(guān)規(guī)范要求

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]。

2 計算公式

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。

2.1 電纜載流量

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)。

2.2 三相平衡負(fù)荷線路的電壓損失

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。

2.3 鼠籠式電動機(jī)起動時的母線電壓相對值

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。

2.4 電動機(jī)端子電壓要求

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。

3 供電系統(tǒng)主要參數(shù)

3.1 系統(tǒng)參數(shù)

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。

3.2 電纜參數(shù)

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

3.3 射流風(fēng)機(jī)參數(shù)

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。

3.4 其他參數(shù)

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)。

4 全壓起動和軟起動2種起動方式下的計算

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。

4.1 采用全壓起動方式

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。

4.2 采用軟起動方式

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。

5 全壓起動與軟起動的方案比選

5.1 供電距離比較

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

5.2 費(fèi)用對比

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。

5.3 不同功率射流風(fēng)機(jī)的起動方案比選

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。

6 結(jié)語

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。