汪 棟

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830000)

1 工程概況

新疆阿爾塔什水利樞紐工程位于葉爾羌河干流山區(qū)河段上，電站壩頂海拔1 821.80 m，多年平均氣溫10.2 ℃，極端最高氣溫39.8 ℃，極端最低氣溫-24 ℃，多年平均相對濕度54%，地震烈度為Ⅷ度。樞紐電站裝機容量4×175 MW，機組采用混流式水輪發(fā)電機組，發(fā)電機出口電壓為15.75 kV，每臺發(fā)電機與變壓器采用單元接線，220 kV GIS出線5回，采用雙母線接線[1]。

電站廠用配電系統(tǒng)采用10 kV和0.4 kV兩級電壓供電。由于電站裝機容量和規(guī)模較大，各類廠用電負荷容量也很大，低壓配電采用機組自用電和全廠公用電分開的方式，一方面使機組自用電相對獨立，便于縮小故障范圍和故障后迅速恢復供電；另一方面如果所有負荷集中在一個變壓器上，會造成此變壓器容量過大，不利于運輸和布置。采用利用系數(shù)法對廠用電負荷進行統(tǒng)計計算，機組自用電變壓器容量選擇2 000 kVA，全廠公用電變壓器容量選擇1 600 kVA，采暖變壓器容量選擇1 000 kVA，照明用電變壓器容量選擇315 kVA，各配電變壓器均選擇2臺互為備用。

2 接線方式

為保證重要負荷的兩路電源互為備用，廠用低壓配電系統(tǒng)采用單母線分段接線，兩段互為暗備用，正常供電時母聯(lián)斷開，事故時通過雙電源自動切換裝置實現(xiàn)自動投入。低壓廠用電采用380/220 V的三線五相制系統(tǒng)，接地選用TN—C—S系統(tǒng)[2]，全廠設(shè)置等電位接地系統(tǒng)。

3 低壓配電裝置選擇

低壓配電裝置成套柜主要采用固定式開關(guān)柜和抽屜式開關(guān)柜兩種。固定式開關(guān)柜結(jié)構(gòu)簡單，造價相對較低，但當元件出現(xiàn)故障維修時影響范圍較大，維修相對困難；抽屜式開關(guān)柜外形簡潔大方，且能在元件出現(xiàn)故障時快速更換，影響范圍小，具有操作及修理簡單方便的優(yōu)點。本工程采用MNS抽屜式低壓開關(guān)柜，能容納較多的抽屜單元，安全性和技術(shù)性高，裝配方便。

根據(jù)對廠用電負荷進行的統(tǒng)計分析，樞紐電站廠房內(nèi)負荷可大致分為電動機負荷、采暖負荷、照明負荷及蓄電池負荷等，低壓配電過電流保護主要考慮防范過載和短路引起的災(zāi)害。熔斷器具有更好的過載防護效果和較低的價格，但每次故障后均需更換熔斷體才能恢復供電。斷路器價格稍貴，但故障回路在排除故障后可直接合閘恢復供電，十分方便；如出現(xiàn)元件整體損壞，熔斷器必須更換成與原規(guī)格相同的元件，為此需備置多種規(guī)格的備件，較為麻煩；斷路器損壞可以更換成相同規(guī)格的，亦可用較高參數(shù)的斷路器調(diào)整設(shè)置整定電流來代替。考慮到本電站地處新疆偏遠山區(qū)，各元件采購運輸周期長，為便于運行檢修，本工程低壓配電系統(tǒng)采用斷路器作為主要保護電器。

本次以廠房內(nèi)最大電動機負荷——機組技術(shù)供水泵為例，對斷路器進行配置選擇。電站單機配置2臺技術(shù)供水泵(315 kW，軟啟動，1用1備)，以1號機組為例，控制柜電源分別引自由機組自用電的Ⅰ段母線和Ⅱ段母線，供電距離約200 m；啟動柜、控制柜現(xiàn)地布置在技術(shù)供水泵室水泵旁，距離水泵約15 m，詳見圖1。

圖1 機組自用技術(shù)供水泵接線簡圖

4 電流計算

在進行斷路器參數(shù)選擇時，除需按照工作電壓、工作電流對斷路器額定參數(shù)進行選擇外，為了能在發(fā)生過負荷、短路或接地故障時能可靠地分斷故障電流，首先根據(jù)手冊內(nèi)的計算公式計算出母線及負荷點處的短路電流，再以此對斷路器參數(shù)進行選擇[3_5]。

4.1 三相短路電流計算

(1)高壓側(cè)系統(tǒng)阻抗。根據(jù)電站短路電流計算結(jié)果，廠變高壓側(cè)的系統(tǒng)短路容量為59 MVA，歸算至低壓側(cè)的電阻、電抗分別為：

變壓器阻抗為：

(2)低壓母線排(含密集母線槽)長度約為16.5 m，查詢手冊取其電阻為0.014 mΩ/m，電抗為0.147 mΩ/m[6]，計算得：

R2=0.014×16.5=0.23 mΩ

X2=0.147×16.5=2.43 mΩ

(3)查詢廠家樣本，得ZR—YJV—3×185+1×95電纜電阻為0.118 Ω/km，電抗為0.078 Ω/km，計算L1、L2兩段電纜的阻抗分別為：

L1段兩根并聯(lián)電纜電阻為：R3=0.118×0.2/2=11.8 mΩ。

L2段兩根并聯(lián)電纜電阻為：R4=0.118×0.015/2=0.89 mΩ。

L1段兩根并聯(lián)電纜電抗為：X3=0.078×0.2/2=7.8 mΩ。

L2段兩根并聯(lián)電纜電纜電抗為：X4=0.078×0.015/2=0.59 mΩ。

(4)對機組自用電配電柜低壓母線d1點，三相短路電流為：

=11.58 mΩ

(5)對終端負荷處d2點的三相短路電流為：

=24.23 mΩ

4.2 單相接地故障電流計算

(1)高壓側(cè)系統(tǒng)的相保電阻Rs0=0.18 mΩ，相保電抗為：Xs0=0.18 mΩ；廠用變壓器的相保電阻R10=0.61 mΩ，相保電抗為：X10=6.4 mΩ。

(2)低壓母線排(含密集母線槽)長度約為16.5 m，查詢手冊取其相保電阻為0.014 mΩ/m，相保電抗為0.147 mΩ/m，計算得：

R20=0.042×16.5=0.69 mΩ

X20=0.317×16.5=5.23 mΩ

(3)查詢廠家樣本，得ZR—YJV—3×185+1×95電纜相保電阻為0.4 Ω/km，相保電抗為0.15 Ω/km，計算L1、L2兩段電纜的相保阻抗分別為：

L1段兩根并聯(lián)電纜電阻為：R30=0.4×0.2/2=40 mΩ。

L2段兩根并聯(lián)電纜電阻為：R40=0.40×0.015/2=3 mΩ。

L1段兩根并聯(lián)電纜電抗為：X30=0.15×0.2/2=15 mΩ。

L2段兩根并聯(lián)電纜電纜電抗為：X40=0.15×0.015/2=1.13 mΩ。

(4)對低壓母線處d1點的接地故障電流為：

=16.28 kA

(6)對終端負荷d2點的接地故障電流為：

=4.12 kA

5 斷路器參數(shù)選擇

低壓配電線路發(fā)生過負荷、短路或接地故障時，既要保證能可靠地分斷故障電流，又要盡可能縮小斷電范圍，這是繼電保護對分斷開關(guān)的可靠性和選擇性的要求。可靠性主要是針對保護方案和保護裝置的性能，選擇性則主要是通過分斷電流、分斷時間兩方面來對斷路器脫扣器參數(shù)進行整定來實現(xiàn)的。

本工程采用選擇型斷路器與非選擇型斷路器的級間配合來實現(xiàn)保護電器脫扣器動作的選擇型，選擇和整定斷路器的過程從線路末端往始端進行。一般來講，斷路器長延時整定電流Iset1按過負荷保護要求進行選擇，其電流應(yīng)不小于本線路的計算電流，不宜大于母線導體允許的持續(xù)載流量，工程中一般選擇額定電流的0.9～1.1倍，時間可按15 s來整定；短延時整定電流Iset2一般選擇額定電流的3～5倍，時間可按0.1 s～0.4 s進行整定；瞬時過電流整定電流Iset3一般選擇額定電流的10～15倍進行整定[6]。本次選擇給1號水泵配電提供保護的CB1、CB4、CB6三級斷路器為例進行選擇。

5.1 CB6(CB7)斷路器參數(shù)選擇

CB6斷路器作為配電線路末端電動機斷路器，選擇電動機保護型，帶瞬動脫扣器和長延時脫扣器。根據(jù)電動機功率計算其額定電流為563 A，考慮到斷路器裝設(shè)在封閉的開關(guān)柜內(nèi)，散熱條件差，CB6斷路器初選額定電流630 A的斷路器。長延時脫扣器整定電流按不小于電動機額定電流考慮，可取Iset1=In=630 A，動作時間按躲過電動機啟動時間整定。

水泵電動機采用軟啟動方式，按3倍啟動電流計算其啟動電流為I啟=1 689 A，瞬動脫扣器的整定電流按電動機啟動電流的2～2.5倍取值，取值范圍為3.38～4.22 kA，可取Iset3=6×In=3.78 kA。供電線路末端負荷d2點的單相短路電流為4.12 kA，三相短路電流為12.07 kA，為保證斷路器短路時可靠動作，其末端短路電流不應(yīng)小于其短路瞬時過電流保護整定電流的1.3倍；本斷路器Iset3的1.3倍=4.91 kA，經(jīng)復核不能滿足供電線路末端負荷d2點單相短路時的靈敏性，重新選擇CB6斷路器短路瞬時過電流保護整定電流Iset3=3.4 kA，重新復核可滿足要求。

5.2 CB4(CB5)斷路器參數(shù)選擇

CB4斷路器作為第二級配電斷路器，根據(jù)電動機功率計算其額定電流為563 A，同時考慮到柜內(nèi)照明及控制負荷，且斷路器裝設(shè)在封閉的開關(guān)柜內(nèi)，散熱條件差，CB4斷路器額定電流取In2=800 A。CB4斷路器與CB6斷路器負荷相差不大，其參數(shù)主要按照滿足與CB6斷路器形成級間配合來選擇：

CB4斷路器過負荷長延時脫扣器整定電流可取其額定電流：Iset1=In=800 A。

CB4斷路器短路短延時整定電流應(yīng)不小于下一級CB6的Iset3的1.3倍(4.42 kA)，取Iset2=7×In=5.6 kA；因電流整定可實現(xiàn)級差，故短路短延時時間可不做要求，本工程取常規(guī)值0.4 s。

為保證斷路器的級間選擇，CB4斷路器短路瞬動脫扣器整定電流應(yīng)不小于線路終端負荷處短路電流的1.2倍(14.60 kA)，可選擇Iset3=20×In=16 kA。

5.3 CB1斷路器參數(shù)選擇

CB1斷路器作為第一級配電總進線斷路器，其計算電流根據(jù)廠用變壓器容量計算為2 887 A，考慮到斷路器裝設(shè)在封閉的開關(guān)柜內(nèi)，散熱條件差，CB1斷路器額定電流取In1=4 000 A，選擇斷路器為4 000 A框架斷路器；其過負荷長延時整定電流取其額定電流Iset1=In1=4 000 A。短路短延時可按脫扣器整定電流的3～5倍取，本斷路器初步選擇Iset2=5×In=20 kA，短路短延時時間可取0.6 s。作為第一級斷路器，由變壓器低壓側(cè)至低壓開關(guān)柜母線排范圍內(nèi)發(fā)生短路和接地故障的幾率較小，此處不宜設(shè)置短路瞬時過電流保護功能，避免出線故障時無選擇性動作[3]。

表1 三級配電斷路器參數(shù)整定值表

根據(jù)表1分析得出，修正后的CB1、CB4、CB6三級斷路器配置合理，能夠保證各級保護電器之間的選擇性。

6 電涌保護電器參數(shù)選擇

為防范操作過電壓、雷電反擊及閃電電涌侵入對電氣設(shè)備的損害，目前常用的做法是在低壓配電回路的各級母線處設(shè)置電涌保護器。本工程廠房為第三類防雷建筑物，Dyn11配電變壓器布置在廠房內(nèi)部，絕大部分低壓負荷為廠內(nèi)負荷，僅有少數(shù)幾根0.4 kV電纜需引出廠房外給尾水閘門負荷供電。變壓器的低壓側(cè)配電母線上裝設(shè)Ⅰ級實驗的SPD，其電壓保護水平按不大于2.5 kV選擇[7]，沖擊電流則需計算得出。尾水閘門負荷電纜采用鋼帶鎧裝電纜穿鋼管敷設(shè)，沖擊電流計算：

限壓型SPD的箝位電壓水平更好，可更好地滿足電壓保護水平要求，故本工程變壓器的低壓側(cè)配電母線上選擇限壓型SPD，要求承受預(yù)期雷電涌流的能力不低于4.07 kA(10/350 μs)。

7 結(jié) 語

本次以阿爾塔什水利樞紐電站機組技術(shù)供水泵的三級配電保護斷路器參數(shù)選擇為例，可以看出對于斷路器的過負荷保護，利用上下級斷路器動作特性比較容易實現(xiàn)。短路保護則需要綜合考慮斷路器脫扣器動作整定電流和整定時間來綜合實現(xiàn)。一方面整定值不宜過小，不然容易出現(xiàn)誤動。另一方面整定值不宜過大，不然會影響斷路器動作的靈敏性，開斷等待時間過長容易造成事故。

因此，在選擇斷路器時需首先計算出故障電流，根據(jù)故障電流初選斷路器參數(shù)，再考慮級間配合的選擇性和靈敏性來進行復核。

目前斷路器制造商一般可提供選擇配合表或脫扣曲線表，在選擇斷路器參數(shù)時可拿來參照，避免選出不合理的參數(shù)。