苏州某大型商业综合体变配电设备故障分析

李 军

(上海建筑设计研究院有限公司, 上海 200041)

0 引 言

近年来,随着我国经济的快速增长,各地区大型商业综合体越来越多。大型商业综合体有大量、不同类型的用电负荷,管线多,且商业业态均比较复杂,由于业态的不确定性,造成设计人员在设计时缺乏相关的负荷计算依据,只能凭经验对用电负荷进行估算[1-2]。如用电负荷估算不准确,负荷分配及管线排布不合理,会给今后变配电设备的正常运行带来隐患,给业主带来不必要的损失。

1 项目概况

苏州某大型商业综合体位于苏州工业园区,地上4层、地下2层,集商业购物、精品超市、餐饮等功能于一体,于2009年1月份竣工开业,设备正式使用已6年左右,后发现有跳闸、电缆受损等问题出现。

(1) 5#、6#变压器所带负荷中,当同一台变压器下2台冷冻机同时开启时有多次跳闸记录,高、低开关压均有跳闸现象。5#变压器所带负荷是指4#、6#冷冻机组同时起动,6#变压器所带负荷是指1#、3#、5#任意2台冷冻机组同时起动。该问题来源于物业反映,属于断路器跳闸。

(2) 变电所低压馈线到冷冻机控制柜竖向桥架内电缆运行温度过高,表皮开裂,护套老化。该问题来源于物业反映及现场查看,属于电缆受损。

(3) 现场变频设备多,存在谐波、涡流、三相不平衡等问题。为治理谐波问题,5#变压器组以前增加1台无源滤波设备,谐波情况需进一步检测。该问题来源于物业反映及现场查看,属于谐波问题。

2 故障分析

2.1 5#、6#变压器负载率的问题

2.1.1 现场物业提供的数据

根据现场物业提供的数据,夏天最高气温37 ℃以上时,同时运行4#、6#冷冻机组或1#、3#冷冻机组时,最大运行电流约为3 200 A,变压器的负载率已接近85%。并且在机组运行2 h内,总断路器跳闸。而同时运行2#、6#冷冻机组或2#、4#冷冻机组时总断路器不会跳闸(2#机组为变频设备)。当低压侧总断路器跳闸时,总断路器上的过压、瞬动保护均未动作(短延时设定为关闭状态)。当变压器低压侧断路器跳闸时,显示跳闸时的最大瞬时电流为12 000 A。

2.1.2 理论计算

根据原设计提供的图纸对其负荷进行计算校验:同时系数取0.8时,5#变压器负载率为100%,6#变压器负载率为101%;同时系数取0.6时,5#变压器负载率为75%,6#变压器负载率为76%。

5#、6#变压器(2 500 kVA)计算负荷如表1、表2所示。

表1 5#变压器(2 500 kVA)计算负荷

表2 6#变压器(2 500 kVA)计算负荷

通过上述负荷计算可以看出,不考虑大容量起动设备的起动电流,只按常规负荷计算,在同时系数取0.6时,变压器负载率已接近75%。当有2台及以上的大容量冷水机组起动时,产生的起动电流必然会对电网电压波动造成不利影响,影响断路器整定值的选择。在此情况下,除了正常的负荷计算外,还需要核对校验变压器的荷载能力和保护的整定值。

变压器二次侧断路器的短路短延时脱扣器的整定值Ir2:

Ir2≥1.1(IL+1.35KIe)=12 000 A

式中:IL——变压器正常运行时的负荷电流,A;

K——软起动设备的起动电流与电动机额定电流的比值(2.5～4.0);

Ie——电动机的额定电流,A。

2.1.3 现场实测

仅对6#变压器同时起动2台冷冻机组的负载进行实测。6#变压器实测数据如表3所示,实测数据为5月份的数据,变压器负载率约为65%,系统稳定运行2 h以上,总体负载电流稳定,并成逐渐下降趋势。刚运行时每台冷冻机组的实测电流约为1 250 A,低压总断路器出线侧实测电流约为2 600 A。随着时间的推移,每台冷冻机组的实测电流逐渐下降,最低实测电流约为900 A。5、7、11次谐波一直很平稳,无大的波动,实测谐波电流一直稳定在35 A左右。从表3中可以看出,谐波电流不会造成低压总断路器跳闸。同时还检测到在15∶56∶48～15∶56∶57时有大电感类负载起动,电流有效值由1 600 A增加到5 000 A,瞬时无功2.6 Mvar,电压由230 V降低到210 V,存在电压闪变。

表3 6#变压器实测数据

对于数据检测到的大电感类负载起动,推算应是第2台冷水机组起动时产生的。

测试点和系统配电示意图如图1所示。

根据现场物业提供的数次跳闸数据分析报告可知,设计存在裕量不足的问题。当出现极端气温时,冷冻机组超负荷运行,引起总断路器的跳闸。建议应适当调整冷冻机组供回水的温差设定值,通过BA控制,合理分配各台冷冻机组的开启台数,降低冷却水的出线温度,以达到降低冷冻机组输出功率的目的。

注:测试时电容柜未投入运行

2.2 电缆受损问题

现场物业提供的数据表明,变电所低压馈线到冷冻机控制柜及冷冻机控制柜到冷冻机桥架内电缆运行温度过高,表皮开裂,护套老化。

对原设计图纸电缆选型及载流量进行复核。原设计变电所至冷冻机控制柜(739 kW)电缆规格为单芯300 mm2三拼电缆,允许通过的电流应大于冷冻机组压缩机电机的额定负载电流。当使用三线时,根据空调设计手册要求,每根导线的最小载流量为压缩机额度负载电流(Rated Load Amperes,RLA)的1.25倍。查开利空调机组手册,得出RLA为1 262 A,因此每根导线的最小载流量至少要大于1.25×1 262=1 577.5 A,才能满足要求。查电缆载流量手册知,单芯300 mm2的电缆载流量为707 A,因此三拼电缆允许通过的额定电流为3×0.9×707=1 908 A。

所选择的电缆允许通过的载流量大于机组的额定负载电流,但由于电缆在实际敷设时层层堆叠在一起,无序密集叠放,极大影响电缆的散热,因此电缆通过的载流量会降低。查手册知,校正系数为0.7,因此电缆载流量为1 908×0.7=1 336 A,小于开利空调机组手册给出的载流量(1 577.5 A)。

2.3 谐波问题

(1) 理论分析。变频器注入电网的谐波主要为电流谐波,通常含有6n±1(n=1,2,3,…)次谐波,5次、7次的谐波电流含量比较大,一般5次谐波的基波含量为40%～65%,7次谐波的基波含量14%～41%,其他阶次的谐波含量基本都在10%以下。

(2) 现场实测。负载情况1(运行1台冷水机组)电能质量概况如表4所示。负载情况2(运行2台冷水机组)电能质量概况如表5所示。

表4 负载情况1(运行1台冷水机组)电能质量概况

表5 负载情况2(运行2台冷水机组)电能质量概况

由表4、表5可见,系统电压波形基本未出现畸变,电压总畸变率小于5%;电流波形基本未出现畸变,电流畸变率小于5%。同时还检测到在15∶56∶48～15∶56∶57时有大电感类负载起动,电流有效值由1 600 A增加到5 000 A,瞬时无功2.6 Mvar,电压由230 V降低到210 V,存在电压闪变。

3 解决方案和措施

低压侧总断路器跳闸的原因如下:

(1) 5#、6#变压器原设计负载不能满足设备同时在全工况下使用,经复核设备功率,变压器所带设备只有同时系数在0.6时才可满足规范设计要求。

(2) 现场检查低压侧总断路器的接线,有失压线圈接入二次回路中,推算在夏天用电高峰来临时正常供电电压通常降低至220 V及以下,当有大容量设备起动时,电压会短时降至200 V,甚至190 V以下,极有可能造成失压脱扣保护动作,使断路器跳闸。根据之前物业提供的数据显示,当变压器低压侧断路器跳闸时,显示的最大瞬时电流为12 000 A。而理论计算值也为12 000 A,处于跳闸的临界点,考虑到误差,应是低压开关设备的各项整定值(过载、失压及瞬动保护、失压脱扣保护等)设定不当。

(3) 有大电感类负载起动时,存在电压闪变,应取消低压侧总开关失压脱扣保护功能,并通过BA群控,合理分配各台冷冻机组的运行工况(60%～80%的合理范围);当采用手动控制起动时,夏季最大负荷需求下不要先起动1台冷冻机组(先起动的1台冷冻机组达到最大运行工况后再去起动其他机组),应优先考虑开启2台以上机组,合理分配各台冷冻机组的运行工况(60%～80%的合理范围),以达到降低冷冻机组的输出功率和减少电压闪变的目的。

低压侧总断路器跳闸解决方案和措施如下:

(1) 将4台739 kW的冷水机组供电均匀分配至其他变压器供电。

(2) 采用BA控制,合理分配各冷水机组的开起数量,以减少设备满负载运行时带来的隐患。

(3) 调整低压断路器的设置参数,避免断路器由于瞬时电压跌落而引起跳闸现象。

电缆受损问题产生原因如下:① 原设计电缆截面选取及敷设安装存在某些不足,导致大截面单芯线缆长期运行温度过高,表皮开裂;② 原设计与施工的电缆敷设方式、路径不满足规范要求,影响电缆的载流量、散热,并可能发生较大的磁场与涡流现象。

电缆受损问题解决方案和措施:① 更换受损电缆,采用四拼300 mm2电缆按品字型方式敷设,或采用母线供电方式;② 根据现场空间,由变电所低压柜至冷冻机组配电的电缆出线使用T架单排敷设,并尽量按照A、B、C相品字型排放,并避免叠放,以便散热与减少磁场涡流。

谐波问题:从“电能质量测试报告”分析,5#变压器低压总断路器出线侧电压及电流波形基本未出现畸变,总电压、电流畸变率小于5%;6#变压器低压总断路器出线侧电压及电流波形基本未出现畸变,总电压、电流畸变率为4.90%～5.44%。这些数据基本满足国家规范的要求,参照设备的运行状况,目前阶段无需治理,后续可根据运行负载的增加再进行相应监测和处理。

4 结 语

对苏州某大型商业综合体的变电所内存在的断路器跳闸、电缆受损及谐波等问题进行理论计算,并与现场实测数据进行比较,业主根据设计院提交的建议重新调整和整改后,至今变配电设备运转正常,再无上述问题发生。