汪 棟

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)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(duì)濕度54%，地震烈度為Ⅷ度。樞紐電站裝機(jī)容量4×175 MW，機(jī)組采用混流式水輪發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)出口電壓為15.75 kV，每臺(tái)發(fā)電機(jī)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(jí)電壓供電。由于電站裝機(jī)容量和規(guī)模較大，各類廠用電負(fù)荷容量也很大，低壓配電采用機(jī)組自用電和全廠公用電分開的方式，一方面使機(jī)組自用電相對(duì)獨(dú)立，便于縮小故障范圍和故障后迅速恢復(fù)供電；另一方面如果所有負(fù)荷集中在一個(gè)變壓器上，會(huì)造成此變壓器容量過大，不利于運(yùn)輸和布置。采用利用系數(shù)法對(duì)廠用電負(fù)荷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，機(jī)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(tái)互為備用。

2 接線方式

為保證重要負(fù)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(shí)母聯(lián)斷開，事故時(shí)通過雙電源自動(dòng)切換裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(jiǎn)單，造價(jià)相對(duì)較低，但當(dāng)元件出現(xiàn)故障維修時(shí)影響范圍較大，維修相對(duì)困難；抽屜式開關(guān)柜外形簡(jiǎn)潔大方，且能在元件出現(xiàn)故障時(shí)快速更換，影響范圍小，具有操作及修理簡(jiǎn)單方便的優(yōu)點(diǎn)。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(duì)廠用電負(fù)荷進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)分析，樞紐電站廠房?jī)?nèi)負(fù)荷可大致分為電動(dòng)機(jī)負(fù)荷、采暖負(fù)荷、照明負(fù)荷及蓄電池負(fù)荷等，低壓配電過電流保護(hù)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(hù)效果和較低的價(jià)格，但每次故障后均需更換熔斷體才能恢復(fù)供電。斷路器價(jià)格稍貴，但故障回路在排除故障后可直接合閘恢復(fù)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(yuǎn)山區(qū)，各元件采購(gòu)運(yùn)輸周期長(zhǎng)，為便于運(yùn)行檢修，本工程低壓配電系統(tǒng)采用斷路器作為主要保護(hù)電器。

本次以廠房?jī)?nèi)最大電動(dòng)機(jī)負(fù)荷——機(jī)組技術(shù)供水泵為例，對(duì)斷路器進(jìn)行配置選擇。電站單機(jī)配置2臺(tái)技術(shù)供水泵(315 kW，軟啟動(dòng)，1用1備)，以1號(hào)機(jī)組為例，控制柜電源分別引自由機(jī)組自用電的Ⅰ段母線和Ⅱ段母線，供電距離約200 m；啟動(dòng)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(jī)組自用技術(shù)供水泵接線簡(jiǎn)圖

4 電流計(jì)算

在進(jìn)行斷路器參數(shù)選擇時(shí)，除需按照工作電壓、工作電流對(duì)斷路器額定參數(shù)進(jìn)行選擇外，為了能在發(fā)生過負(fù)荷、短路或接地故障時(shí)能可靠地分?jǐn)喙收想娏?，首先根?jù)手冊(cè)內(nèi)的計(jì)算公式計(jì)算出母線及負(fù)荷點(diǎn)處的短路電流，再以此對(duì)斷路器參數(shù)進(jìn)行選擇[3_5]。

4.1 三相短路電流計(jì)算

(1)高壓側(cè)系統(tǒng)阻抗。根據(jù)電站短路電流計(jì)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(zhǎng)度約為16.5 m，查詢手冊(cè)取其電阻為0.014 mΩ/m，電抗為0.147 mΩ/m[6]，計(jì)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(jì)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(duì)機(jī)組自用電配電柜低壓母線d1點(diǎn)，三相短路電流為：

=11.58 mΩ

(5)對(duì)終端負(fù)荷處d2點(diǎn)的三相短路電流為：

=24.23 mΩ

4.2 單相接地故障電流計(jì)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(zhǎng)度約為16.5 m，查詢手冊(cè)取其相保電阻為0.014 mΩ/m，相保電抗為0.147 mΩ/m，計(jì)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(jì)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(duì)低壓母線處d1點(diǎn)的接地故障電流為：

=16.28 kA

(6)對(duì)終端負(fù)荷d2點(diǎn)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(fù)荷、短路或接地故障時(shí)，既要保證能可靠地分?jǐn)喙收想娏?，又要盡可能縮小斷電范圍，這是繼電保護(hù)對(duì)分?jǐn)嚅_關(guān)的可靠性和選擇性的要求?？煽啃灾饕轻槍?duì)保護(hù)方案和保護(hù)裝置的性能，選擇性則主要是通過分?jǐn)嚯娏?、分?jǐn)鄷r(shí)間兩方面來對(duì)斷路器脫扣器參數(shù)進(jìn)行整定來實(shí)現(xiàn)的。

本工程采用選擇型斷路器與非選擇型斷路器的級(jí)間配合來實(shí)現(xiàn)保護(hù)電器脫扣器動(dòng)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(jìn)行。一般來講，斷路器長(zhǎng)延時(shí)整定電流Iset1按過負(fù)荷保護(hù)要求進(jìn)行選擇，其電流應(yīng)不小于本線路的計(jì)算電流，不宜大于母線導(dǎo)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(shí)間可按15 s來整定；短延時(shí)整定電流Iset2一般選擇額定電流的3～5倍，時(shí)間可按0.1 s～0.4 s進(jìn)行整定；瞬時(shí)過電流整定電流Iset3一般選擇額定電流的10～15倍進(jìn)行整定[6]。本次選擇給1號(hào)水泵配電提供保護(hù)的CB1、CB4、CB6三級(jí)斷路器為例進(jìn)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(dòng)機(jī)斷路器，選擇電動(dòng)機(jī)保護(hù)型，帶瞬動(dòng)脫扣器和長(zhǎng)延時(shí)脫扣器。根據(jù)電動(dòng)機(jī)功率計(jì)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(zhǎng)延時(shí)脫扣器整定電流按不小于電動(dòng)機(jī)額定電流考慮，可取Iset1=In=630 A，動(dòng)作時(shí)間按躲過電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間整定。

水泵電動(dòng)機(jī)采用軟啟動(dòng)方式，按3倍啟動(dòng)電流計(jì)算其啟動(dòng)電流為I啟=1 689 A，瞬動(dòng)脫扣器的整定電流按電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)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(fù)荷d2點(diǎn)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(shí)可靠動(dòng)作，其末端短路電流不應(yīng)小于其短路瞬時(shí)過電流保護(hù)整定電流的1.3倍；本斷路器Iset3的1.3倍=4.91 kA，經(jīng)復(fù)核不能滿足供電線路末端負(fù)荷d2點(diǎn)單相短路時(shí)的靈敏性，重新選擇CB6斷路器短路瞬時(shí)過電流保護(hù)整定電流Iset3=3.4 kA，重新復(fù)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(jí)配電斷路器，根據(jù)電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算其額定電流為563 A，同時(shí)考慮到柜內(nèi)照明及控制負(fù)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(fù)荷相差不大，其參數(shù)主要按照滿足與CB6斷路器形成級(jí)間配合來選擇：

CB4斷路器過負(fù)荷長(zhǎng)延時(shí)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(shí)整定電流應(yīng)不小于下一級(jí)CB6的Iset3的1.3倍(4.42 kA)，取Iset2=7×In=5.6 kA；因電流整定可實(shí)現(xiàn)級(jí)差，故短路短延時(shí)時(shí)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(jí)間選擇，CB4斷路器短路瞬動(dòng)脫扣器整定電流應(yīng)不小于線路終端負(fù)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(jí)配電總進(jìn)線斷路器，其計(jì)算電流根據(jù)廠用變壓器容量計(jì)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(fù)荷長(zhǎng)延時(shí)整定電流取其額定電流Iset1=In1=4 000 A。短路短延時(shí)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(shí)時(shí)間可取0.6 s。作為第一級(jí)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(shí)過電流保護(hù)功能，避免出線故障時(shí)無選擇性動(dòng)作[3]。

表1 三級(jí)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(jí)斷路器配置合理，能夠保證各級(jí)保護(hù)電器之間的選擇性。

6 電涌保護(hù)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(duì)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(jí)母線處設(shè)置電涌保護(hù)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?jī)?nèi)部，絕大部分低壓負(fù)荷為廠內(nèi)負(fù)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(fù)荷供電。變壓器的低壓側(cè)配電母線上裝設(shè)Ⅰ級(jí)實(shí)驗(yàn)的SPD，其電壓保護(hù)水平按不大于2.5 kV選擇[7]，沖擊電流則需計(jì)算得出。尾水閘門負(fù)荷電纜采用鋼帶鎧裝電纜穿鋼管敷設(shè)，沖擊電流計(jì)算：

限壓型SPD的箝位電壓水平更好，可更好地滿足電壓保護(hù)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(jī)組技術(shù)供水泵的三級(jí)配電保護(hù)斷路器參數(shù)選擇為例，可以看出對(duì)于斷路器的過負(fù)荷保護(hù)，利用上下級(jí)斷路器動(dòng)作特性比較容易實(shí)現(xiàn)。短路保護(hù)則需要綜合考慮斷路器脫扣器動(dòng)作整定電流和整定時(shí)間來綜合實(shí)現(xiàn)。一方面整定值不宜過小，不然容易出現(xiàn)誤動(dòng)。另一方面整定值不宜過大，不然會(huì)影響斷路器動(dòng)作的靈敏性，開斷等待時(shí)間過長(zhǎng)容易造成事故。

因此，在選擇斷路器時(shí)需首先計(jì)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(jí)間配合的選擇性和靈敏性來進(jìn)行復(fù)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(shí)可拿來參照，避免選出不合理的參數(shù)。