雷榮斌

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510635)

1 概述

珠江三角洲水資源配置工程[1-2]羅田泵站采用110 kV兩回進(jìn)線，泵站內(nèi)110 kV高壓側(cè)采用單母線分段接線方式，采用SF6全封閉組合電器(GIS)設(shè)備。主變壓器采用2臺(tái)型號(hào)為SZ13-20000/110變壓器。10 kV側(cè)采用單母線分段的接線方式[3-4]，Ⅰ、Ⅱ段母線上各連接2臺(tái)電動(dòng)機(jī)組。

羅田泵站裝設(shè)機(jī)組4臺(tái)，3用1備。為滿足水泵的多種運(yùn)行工況要求，全部泵組都需采用變速調(diào)節(jié)方式，故羅田泵站設(shè)4臺(tái)套變頻裝置，與電動(dòng)機(jī)采用一對(duì)一配置，且設(shè)置了工頻旁路，既可變頻起動(dòng)、變頻運(yùn)行，也可工頻定速運(yùn)行。在特殊情況下，機(jī)組也可直接起動(dòng)。羅田泵站電氣主接線如圖1所示。

2 低壓配電要求及MNS抽屜式開關(guān)柜特點(diǎn)

2.1 低壓配電要求

羅田泵站設(shè)置兩臺(tái)站用變壓器41TA、42TA，分別接在10 kV Ⅰ、Ⅱ段母線上，每臺(tái)站用變可滿足全泵站最大負(fù)荷用電需要。站用低壓側(cè)為單母線分段接線，并設(shè)有備用電源自動(dòng)投入裝置。正常運(yùn)行時(shí)，低壓母線分段運(yùn)行，41TA、42TA分別帶Ⅰ、Ⅱ段負(fù)荷；其中1臺(tái)站用變故障或檢修時(shí)，備用電源自動(dòng)投入裝置動(dòng)作，另1臺(tái)站用變帶全站負(fù)荷。為保證消防水泵、滲漏排水泵、事故排水泵、UPS、直流電源的可靠供電，泵站設(shè)1臺(tái)400 kW低壓為0.4 kV柴油發(fā)電機(jī)組作為事故保安電源。當(dāng)41TA、42TA失電時(shí)，自動(dòng)投入柴油發(fā)電組，給消防水泵、UPS、滲漏排水泵照明等負(fù)荷供電。

圖1 羅田泵站電氣主接線示意

低壓配電開關(guān)柜柜體結(jié)構(gòu)要求設(shè)計(jì)緊湊、通用性強(qiáng)、組裝靈活、技術(shù)性能好、運(yùn)行維護(hù)方便[5-7]。由于低壓負(fù)荷種類繁多、功能各異，采用抽屜式結(jié)構(gòu)不僅能將負(fù)荷分類隔開，而且替換方便，其中MNS抽屜式開關(guān)柜(也稱MNS低壓抽屜柜)具有設(shè)計(jì)緊湊、組裝靈活等優(yōu)點(diǎn)，因此，羅田泵站低壓站用電設(shè)計(jì)選取MNS抽屜式開關(guān)柜柜體結(jié)構(gòu)形式。

2.2 MNS抽屜式開關(guān)柜特點(diǎn)

MNS低壓抽屜開關(guān)柜采用鋼板制成封閉外殼，進(jìn)出線回路的電器元件都安裝在可抽出的抽屜中，構(gòu)成能完成某一類供電任務(wù)的功能單元。功能單元與母線或電纜之間，用接地的金屬板或塑料制成的功能板隔開，形成母線、功能單元和電纜3個(gè)區(qū)域。每個(gè)功能單元之間也有隔離措施。抽屜式開關(guān)柜有較高的可靠性、安全性和互換性。

MNS低壓抽屜柜為適應(yīng)電力工業(yè)發(fā)展的需求，參考國(guó)外MNS系列低壓開關(guān)柜設(shè)計(jì)并加以改進(jìn)開發(fā)的高級(jí)型低壓開關(guān)柜，該產(chǎn)品符合《低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備》[8]、《低壓抽出式成套開關(guān)設(shè)備》[9]等標(biāo)準(zhǔn)，適應(yīng)各種供電、配電的需要，能廣泛用于發(fā)電廠、變電站、工礦企業(yè)、大樓賓館、市政建設(shè)等各種低壓配電系統(tǒng)。

MNS低壓抽屜柜框架是由模數(shù)E=25 mm的“C”型材組裝而成，抽屜回路規(guī)格一般分為5種：8E/4、8E/2、8E、16E、24E[10-11]。目前，最新的MNS3.0型低壓抽屜柜還增加了4E、6E、12E、20E規(guī)格[12]。為簡(jiǎn)化研究對(duì)象并適應(yīng)以往設(shè)計(jì)習(xí)慣，本文主要選取上述前5種標(biāo)準(zhǔn)抽屜規(guī)格，同時(shí)抽屜載流量按如下條件限制：8E/4抽屜最大載流量為45A；8E/2抽屜最大載流量為63 A；8E抽屜最大載流量為250 A；16E～24E抽屜最大載流量為630 A。抽屜回路一般適用于630 A及以下的饋電出線及小電機(jī)回路，設(shè)計(jì)過程中除了配置正常工作抽屜回路外，還需要配置適當(dāng)?shù)膫溆没芈?，以便正常回路故障后備用回路能夠迅速檢修替換，保障供電。

3 設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化及實(shí)施

3.1 設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化

由于MNS抽屜回路單元組裝靈活，沒有統(tǒng)一的規(guī)則，在對(duì)抽屜回路單元進(jìn)行組盤時(shí)需要考慮整個(gè)低壓配電盤柜負(fù)載平衡、外觀整齊有序、運(yùn)行檢修方便等因素。并且在項(xiàng)目建設(shè)過程中設(shè)計(jì)人員常需要反復(fù)修改，一旦修改就需要重新考慮全盤布局問題。因此，需要優(yōu)化設(shè)計(jì)方案并形成組盤策略，以提高設(shè)計(jì)效率、復(fù)用率，還可為計(jì)算機(jī)程序智能設(shè)計(jì)提供算法依據(jù)。

3.1.1負(fù)荷分配

若低壓母線為單母線分段接線形式，需考慮兩段負(fù)載平衡，一般先將負(fù)荷清單中名稱相同、功能相同的多數(shù)量負(fù)荷按“Z”型方式分別劃歸至Ⅰ段、Ⅱ段母線。由此分別得到2段母線的累加負(fù)載值，然后將剩余負(fù)荷按功率由大到小排序，最后，按功率由大到小的順序依次將剩余負(fù)荷劃歸至2段母線累加負(fù)載值中的較小者，同時(shí)更新該段母線累加負(fù)載值，重復(fù)此步驟直至所有負(fù)荷分配完畢。負(fù)荷按功率由大到小排序有個(gè)好處，就是先將額定功率大的負(fù)荷劃分好后，后續(xù)額定功率小的負(fù)荷將視累加負(fù)載值較小的母線填補(bǔ)，兩段母線負(fù)載動(dòng)態(tài)平衡，最后一個(gè)負(fù)荷對(duì)母線負(fù)載平衡的影響也最小。

若低壓母線為單母線接線形式，則無上述負(fù)載平衡的考慮。

3.1.2負(fù)荷分類

配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)負(fù)荷類型可為電動(dòng)機(jī)和饋線回路，兩者斷路器類型、保護(hù)方式、啟動(dòng)電流都有所區(qū)別。若將二者劃分開來，同一區(qū)域回路配置相似，元器件差異較小，當(dāng)正?；芈饭收蠒r(shí)也方便查找和替換備用回路。因電動(dòng)機(jī)回路啟動(dòng)電流大，機(jī)端啟動(dòng)電壓不能太低，一般將電動(dòng)機(jī)回路更靠近盤柜進(jìn)線側(cè)布局。

除了將負(fù)荷類型劃分為電動(dòng)機(jī)和饋線回路外，還可以按專業(yè)功能分為主要和次要回路。主要回路與工程運(yùn)行直接相關(guān)、經(jīng)常操作，次要回路與工程運(yùn)行不直接相關(guān)、不經(jīng)常操作。若將二者劃分開來，同專業(yè)功能的負(fù)荷回路劃分在一起，便于功能分區(qū)，一般也將主要回路更靠近盤柜進(jìn)線側(cè)布局。

3.1.3抽屜布局策略

負(fù)荷分配及分類結(jié)束后，將根據(jù)負(fù)荷特性配置滿足要求的抽屜，如前所述，抽屜回路規(guī)格一般分為5種：8E/4、8E/2、8E、16E、24E。抽屜排列布局一般將大規(guī)格抽屜布置在底部，小規(guī)格抽屜布置在頂部，以此降低檢修操作過程中的安全風(fēng)險(xiǎn)，并且在沒有檢修小車的情況下，底部大規(guī)格抽屜也更易于操作人員手動(dòng)抽出檢修。因此，將抽屜回路按照規(guī)格由大到小排序，優(yōu)先考慮并布局大抽屜回路至柜底，再將小抽屜回路排至柜頂。由于每一面MNS柜抽屜空間為9層×8E=72E，即劃分為9層空間。當(dāng)所有抽屜中最大抽屜規(guī)格為24E時(shí)，可配置相同規(guī)格為24E的備用回路；當(dāng)抽屜空間較為緊張時(shí)，也宜預(yù)留至少8E空間做備用回路。因此，備用抽屜容量約為11.11%～33.33%。

抽屜排列布局方向可分為橫向和縱向排列布局方向。橫向布局策略中，需要先確定好盤柜數(shù)，盤柜數(shù)按已配線的抽屜容量再結(jié)合需求的備用抽屜容量即可得盤柜數(shù)。確定好盤柜數(shù)后，將按照抽屜規(guī)格由大到小，由柜底至柜頂方向依次依層布局抽屜。

縱向布局策略中，無需先確定盤柜數(shù)，抽屜將按照規(guī)格由大到小，由柜底至柜頂方向依次布局抽屜開關(guān)柜，一邊排列一邊動(dòng)態(tài)增加盤柜數(shù)。

不同負(fù)荷分類下的抽屜排列布局策略可組合出如下8種：① 不對(duì)負(fù)荷分類，僅按縱向布局的可定義為“全專業(yè)全縱排”策略；② 僅對(duì)負(fù)荷分主、次專業(yè)功能分類，且按縱向布局的可定義為“分專業(yè)全縱排”策略；③ 僅對(duì)負(fù)荷分電動(dòng)機(jī)、饋線回路分類，且按縱向布局的可定義為“全專業(yè)半縱排”策略；④ 既對(duì)負(fù)荷分主、次專業(yè)功能分類，又對(duì)負(fù)荷分電動(dòng)機(jī)、饋線回路分類，且按縱向布局的可定義為“分專業(yè)半縱排”策略；⑤ 不對(duì)負(fù)荷分類，僅按橫向布局的可定義為“全專業(yè)全橫排”策略；⑥ 僅對(duì)負(fù)荷分主、次專業(yè)功能分類，且按橫向布局的可定義為“分專業(yè)全橫排”策略；⑦ 僅對(duì)負(fù)荷分電動(dòng)機(jī)、饋線回路分類，且按橫向布局的可定義為“全專業(yè)半橫排”策略；⑧ 既對(duì)負(fù)荷分主、次專業(yè)功能分類，又對(duì)負(fù)荷分電動(dòng)機(jī)、饋線回路分類，且按橫向布局的可定義為“分專業(yè)半橫排”策略。展現(xiàn)效果如圖2所示。

圖2示例為Ⅰ段母線的低壓出線抽屜柜排布過程，進(jìn)線回路位于盤柜左側(cè)，如有Ⅱ段母線可按此做鏡像排布。示例中主要電機(jī)回路包含2個(gè)16E、2個(gè)8E、12個(gè)8E/2抽屜回路；主要饋線回路包含1個(gè)16E、4個(gè)8E、12個(gè)8E/2抽屜回路；次要電機(jī)回路包含2個(gè)16E、2個(gè)8E、12個(gè)8E/2抽屜回路；次要饋線回路包含1個(gè)16E、4個(gè)8E、12個(gè)8E/2抽屜回路。備用抽屜容量取33.33%，先不考慮備用抽屜，組裝完畢上述抽屜回路的展現(xiàn)效果示意如圖3所示。該示例展現(xiàn)的為6×8E的抽屜空間，剩余3×8E空間用于添置備用回路。

圖2 8種低壓抽屜組盤策略展現(xiàn)效果1示意

圖3 8種低壓抽屜組盤策略展現(xiàn)效果2示意

3.1.4備用回路添加方式

設(shè)計(jì)備用回路時(shí)應(yīng)優(yōu)先與本柜已配置的抽屜回路相匹配，一般每種元器件配置類型的抽屜回路至少需要配置1個(gè)相同類型的備用抽屜回路，但若所有已配置的抽屜回路均不相同，備用率將達(dá)50%，這樣抽屜利用率不高同時(shí)也造成較大浪費(fèi)，故備用回路應(yīng)有所取舍。如對(duì)于大功率電動(dòng)機(jī)負(fù)荷，一般在負(fù)荷統(tǒng)計(jì)時(shí)已考慮熱備用回路，因此，這類負(fù)荷可少設(shè)置或者不設(shè)置備用抽屜回路。對(duì)于Ⅰ類重要饋線負(fù)荷，一般配置了至少2個(gè)電源回路，因此，對(duì)這類負(fù)荷備用抽屜也可視情況進(jìn)行取舍。而對(duì)于載流量為63A以下的8E/2抽屜，考慮其使用比例相對(duì)較高，并有較大概率的擴(kuò)展需求，因此，可適當(dāng)多設(shè)置此類備用抽屜回路。

3.2 設(shè)計(jì)方案的實(shí)施

羅田泵站低壓站用電設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)各專業(yè)提供的負(fù)荷清單，統(tǒng)計(jì)出105項(xiàng)負(fù)荷，結(jié)合負(fù)荷數(shù)量配置出合計(jì)148個(gè)負(fù)荷回路，選型配置得6個(gè)16E、38個(gè)8E、104個(gè)8E/2抽屜回路，共占據(jù)816E空間。低壓配電盤采用單母線分段接線形式，抽屜回路按負(fù)載平衡原則分配至Ⅰ段、Ⅱ段母線，其中Ⅰ段母線分配了3個(gè)16E、19個(gè)8E、53個(gè)8E/2抽屜回路，Ⅱ段母線分配了3個(gè)16E、19個(gè)8E、51個(gè)8E/2抽屜回路。

應(yīng)用上述8種組盤策略，在采用4種橫排組盤策略時(shí)考慮盡可能高的抽屜利用率，預(yù)留至少1層8E空間備用，在采用4種縱排組盤策略考慮盡可能高的備用率，預(yù)留至少2層8E空間備用。由于負(fù)荷分類中沒有劃分次要專業(yè)功能的電動(dòng)機(jī)回路，所以“分專業(yè)半縱排”和“分專業(yè)半橫排”策略中的該區(qū)域移除，實(shí)際只劃分3個(gè)有效區(qū)域。8種組盤策略結(jié)果見表1。

表1 羅田泵站8種低壓抽屜組盤策略對(duì)比

設(shè)計(jì)過程中，按習(xí)慣選用了縱排方式，考慮到盤柜數(shù)量多，需盡可能多劃分區(qū)域以便運(yùn)維管理，且招標(biāo)階段考慮預(yù)留足夠多的備用抽屜回路，故最終采用“分專業(yè)半縱排”策略(Ⅰ、Ⅱ段組盤如圖4、圖5所示)。

圖4 低壓站用電Ⅰ段組盤示意

圖5 低壓站用電Ⅱ段組盤示意

4 結(jié)語

對(duì)比分析8種組盤策略，得出以下結(jié)論：

1) 當(dāng)采用橫排策略時(shí)，需要先確定好盤柜數(shù)，每面柜的備用率較為均衡。橫排策略配置的每面柜抽屜數(shù)量、布置形式、載流量較為統(tǒng)一，每面柜內(nèi)抽屜種類較多，配置備用抽屜時(shí)需進(jìn)行較大程度比較取舍。

2) 當(dāng)采用縱排策略時(shí)，抽屜按照規(guī)格由大到小，由柜底至柜頂方向依次排列布局，相同配置的抽屜回路基本都在一個(gè)柜內(nèi)，配置備用抽屜時(shí)較為容易?？v排策略配置的每面柜抽屜數(shù)量、布置形式、載流量差別較大。當(dāng)排列至最后一面柜的小抽屜回路時(shí)，會(huì)出現(xiàn)已配線的抽屜回路特別少而備用空間特別多的情況。

3) 當(dāng)同時(shí)包含至少3種劃分區(qū)域，且每種區(qū)域負(fù)荷數(shù)量都足夠多時(shí)，可采用“分專業(yè)半縱排”和“分專業(yè)半橫排”策略。若采用此2種策略，當(dāng)某個(gè)區(qū)域抽屜回路較少甚至沒有時(shí)，可移除該區(qū)域，將該區(qū)域內(nèi)的抽屜回路并入到其他區(qū)域。

4) 當(dāng)出線總盤柜數(shù)量極少，如在3面以下時(shí)，可考慮“全專業(yè)全橫排”或“全專業(yè)全縱排”策略。

5) 出線盤柜劃分區(qū)域越多，盤柜數(shù)量一般也越多。