盧海峰, 林國(guó)明

(1.浙江省建筑設(shè)計(jì)研究院, 浙江 杭州 310006;2.浙江省臺(tái)州醫(yī)院, 浙江 臺(tái)州 318050)

0 引 言

近年來(lái),隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,醫(yī)院、展覽館等公共建筑的體量越來(lái)越大,考慮供電效率、投資與運(yùn)行費(fèi)用、機(jī)房面積等因素,在一些大型公共建筑中,選用了10 kV的高壓電動(dòng)水冷離心機(jī)組。由于高壓機(jī)組本身造價(jià)高昂,如果不能通過(guò)裝設(shè)保護(hù)裝置及早消除故障隱患,會(huì)造成高壓電機(jī)燒毀等嚴(yán)重后果,這就對(duì)建筑電氣設(shè)計(jì)提出了更高的繼電保護(hù)設(shè)計(jì)要求。本文對(duì)高壓離心式冷水機(jī)組常見(jiàn)的故障進(jìn)行分析,結(jié)合臺(tái)州醫(yī)院東院區(qū)項(xiàng)目,探討如何在保護(hù)原理的基礎(chǔ)上,按規(guī)范通過(guò)采用保護(hù)措施,實(shí)現(xiàn)對(duì)10 kV高壓離心式冷水機(jī)組的有效保護(hù)。

1 常見(jiàn)故障類型

10 kV高壓離心式冷水機(jī)組主要由異步電機(jī)組成,電磁方面可能出現(xiàn)的幾種故障類型主要有[1]:

(1) 定子繞組出現(xiàn)單相接地或者相間短路的問(wèn)題;

(2) 定子一相繞組當(dāng)中發(fā)生匝間短路問(wèn)題;

(3) 轉(zhuǎn)子勵(lì)磁回路產(chǎn)生的勵(lì)磁電流消失或者出現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組一點(diǎn)或兩點(diǎn)接地的問(wèn)題;

(4) 由于外部過(guò)負(fù)荷等原因?qū)е碌倪^(guò)電流問(wèn)題;

(5) 電源電壓過(guò)高或過(guò)低。

2 繼電保護(hù)配置

2.1 速斷保護(hù)

針對(duì)電機(jī)定子繞組及定子繞組相間短路故障,根據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》,高壓電機(jī)容量小于2 000 kW時(shí)需裝設(shè)電流速斷保護(hù)[2-3]。

2.2 縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)

當(dāng)電流速斷保護(hù)不能滿足靈敏性要求或者高壓電機(jī)容量不小于2 000 kW時(shí),需裝設(shè)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)。

2.3 過(guò)負(fù)荷保護(hù)

長(zhǎng)時(shí)間過(guò)負(fù)荷會(huì)使電機(jī)溫升超過(guò)允許值,使絕緣老化甚至引起故障。故在生產(chǎn)過(guò)程中,發(fā)生過(guò)負(fù)荷、起動(dòng)、自起動(dòng)條件嚴(yán)重時(shí)應(yīng)裝設(shè)過(guò)負(fù)荷保護(hù)。

2.4 單相接地保護(hù)

高壓電機(jī)的供電網(wǎng)絡(luò)一般為小電流接地系統(tǒng),發(fā)生單相接地時(shí),僅有接地電容電流流過(guò)故障點(diǎn),一般危害較小。因此,只有接地電流大于5 A時(shí)才考慮裝設(shè)單相接地保護(hù),接地電容電流為10 A及以上時(shí),保護(hù)可帶時(shí)限動(dòng)作于跳閘;接地電容電流為10 A以下時(shí),保護(hù)動(dòng)作于跳閘或信號(hào)。

2.5 低電壓保護(hù)

下列電動(dòng)機(jī)應(yīng)裝設(shè)低電壓保護(hù)裝置:

(1) 當(dāng)電源電壓短時(shí)降低或短時(shí)中斷后又恢復(fù)時(shí),為了保證重要電動(dòng)機(jī)自起動(dòng),需要斷開(kāi)次要電動(dòng)機(jī);

(2) 當(dāng)電源電壓短時(shí)降低或短時(shí)中斷后,生產(chǎn)過(guò)程中不允許或不需要自起動(dòng)的電動(dòng)機(jī);

(3) 需要自起動(dòng),但為保證人身和設(shè)備安全,在電源電壓長(zhǎng)時(shí)間消失后需從配電網(wǎng)中自動(dòng)斷開(kāi)的電動(dòng)機(jī)。

除上述情況之外,電機(jī)廠家自帶的起動(dòng)柜會(huì)起動(dòng)監(jiān)視、過(guò)熱保護(hù)及堵轉(zhuǎn)保護(hù)等作用,確保電動(dòng)機(jī)安全、可靠運(yùn)行。

3 配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以臺(tái)州醫(yī)院新院區(qū)項(xiàng)目為例,項(xiàng)目采用兩臺(tái)1 500 HP(1 171 kW)高壓離心式冷水機(jī)組,額定電壓為10 kV,功率因數(shù)為91.5%,額定電流為74.1 A,起動(dòng)時(shí)間為7 s,假定電網(wǎng)短路容量為100 MVA。為減小全壓起動(dòng)時(shí),對(duì)電網(wǎng)造成的沖擊,該工程與空調(diào)廠家對(duì)接后,空調(diào)設(shè)備廠家通過(guò)增加線圈匝數(shù)和轉(zhuǎn)子跨距等措施,確保機(jī)組全壓直接起動(dòng)電流小于342 A。

本工程從高壓配電房通過(guò)放射式為兩臺(tái)高壓冷水機(jī)組供電,其供電示意圖如圖1所示。

4 整定計(jì)算

本工程以1#10 kV高壓離心式冷水機(jī)組為例。根據(jù)冷水機(jī)組的額定電流,選用變流比為100/5的電流互感器做繼電保護(hù)用。電動(dòng)機(jī)保護(hù)繼電器大致分為DL型定時(shí)限過(guò)電流繼電器和GL型反時(shí)限過(guò)電流繼電器。用GL感應(yīng)式繼電器的時(shí)限特性來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的過(guò)負(fù)荷保護(hù),其優(yōu)點(diǎn)是隨著過(guò)負(fù)荷倍數(shù)的增大,動(dòng)作時(shí)限越多。但正是這個(gè)特點(diǎn),在例如系統(tǒng)電壓不穩(wěn)而電機(jī)負(fù)載過(guò)重等原因造成電機(jī)起動(dòng)電流過(guò)大等情況時(shí),反時(shí)限特性使動(dòng)作時(shí)限變短,導(dǎo)致無(wú)法躲過(guò)電機(jī)起動(dòng)電流,從而造成電機(jī)無(wú)法起動(dòng)。因此,需采取其他操作手段,避免此類情況。為了簡(jiǎn)化與時(shí)間繼電器的配合,方便實(shí)際操作,本工程選用DL型電動(dòng)機(jī)保護(hù)繼電器。

4.1 電流速斷保護(hù)

與空調(diào)設(shè)備廠家溝通后,保護(hù)裝置的動(dòng)作電流取25 A,如式(1)所示:

(1)

式中:Krel——可靠系數(shù);

Kjx——接線系數(shù)。取于相電流時(shí)取1.0,接于相電流差時(shí)取1.05;

nTA——電流互感器變比;

IrM——電動(dòng)機(jī)額定電流;

Kst——電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流倍數(shù)。

Krel用于電流速斷保護(hù)時(shí),DL型和GL型繼電器取1.4～1.6和1.8～2。用于差動(dòng)保護(hù)時(shí)取1.3。用于過(guò)負(fù)荷保護(hù)時(shí)動(dòng)作于信號(hào)取1.05。動(dòng)作于跳閘取1.2;動(dòng)作時(shí)間設(shè)置為0 s,瞬時(shí)動(dòng)作。

對(duì)應(yīng)的一次電流為

(2)

最小運(yùn)行方式下,兩相短路電流為

Ik2.min=0.866×Ik3=0.866×2 492.5=

2 158.5 A

(3)

保護(hù)裝置的靈敏系數(shù)為

(4)

滿足要求,無(wú)需設(shè)置縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)。

4.2 過(guò)負(fù)荷保護(hù)

保護(hù)裝置的動(dòng)作電流為

(5)

式中:Kr——繼電器返回系數(shù),取0.85。

其中,Iop.k取6 A。

保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)限top為

top=(1.1～1.2)tst=(1.1～1.2)×7 s

(6)

式中:tst——電動(dòng)機(jī)實(shí)際起動(dòng)時(shí)間。

根據(jù)空調(diào)設(shè)備廠家反饋意見(jiàn),取9 s。

4.3 單相接地保護(hù)

當(dāng)單相接地電流大于5 A時(shí),裝設(shè)單相接地保護(hù),根據(jù)電力部門提供的數(shù)據(jù),接地電容電流Ic為

Ic=0.1Url=0.1×10×3.75=

3.75 A<5 A

(7)

式中:Ur——線路額定線電壓,kV;

l——線路長(zhǎng)度,km。

因此,根據(jù)式(6)計(jì)算可知,本工程無(wú)需裝設(shè)單相接地保護(hù)。

4.4 低電壓保護(hù)

當(dāng)電源電壓短時(shí)降低或短時(shí)中斷后,電動(dòng)水冷離心機(jī)組根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程不允許自起動(dòng)。因此,根據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》規(guī)定,保護(hù)裝置的電壓整定值一般為電動(dòng)機(jī)額定電壓40%～50%或略高,時(shí)限一般較上一級(jí)主保護(hù)大一個(gè)時(shí)限階段,取0.5～1.5 s,必要時(shí)保護(hù)可無(wú)選擇地動(dòng)作。因此,低電壓保護(hù)值取5 kV,時(shí)限為1 s。

低電壓保護(hù)的接線應(yīng)盡可能滿足以下要求:

(1) 當(dāng)電壓互感器一次側(cè)及二次側(cè)發(fā)生各種斷線故障時(shí),保護(hù)裝置不應(yīng)動(dòng)作。

(2) 當(dāng)電壓互感器一次側(cè)隔離開(kāi)關(guān)因誤操作被斷開(kāi)時(shí),保護(hù)裝置不應(yīng)動(dòng)作。

(3) 0.5 s和9～10 s低電壓保護(hù)的工作電壓應(yīng)分別整定。

(4) 應(yīng)采用能長(zhǎng)期耐受電壓的時(shí)間繼電器。

根據(jù)上述計(jì)算,對(duì)廠家自帶的起動(dòng)柜內(nèi)保護(hù)裝置進(jìn)行了重新設(shè)置,項(xiàng)目現(xiàn)已投入運(yùn)行,并取得了較好的運(yùn)行效果。

5 結(jié) 語(yǔ)

各種類型的微機(jī)綜合保護(hù)設(shè)備已經(jīng)在高壓繼電的保護(hù)系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用,給高壓電動(dòng)機(jī)的保護(hù)裝置提供了新的選擇。由于在日常民用建筑電氣設(shè)計(jì)中,對(duì)10 kV高壓水冷離心機(jī)組接觸較少,故在工程設(shè)計(jì)時(shí)需特別注意與空調(diào)廠家及電力部門間的溝通,確保繼電保護(hù)裝置必須在技術(shù)上滿足選擇性、速動(dòng)性、靈敏性和可靠性等基本要求,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的有效保護(hù)。