10kV循环水泵配电方案设计及保护定值解析

摘要：主要介绍了先尼科化工（上海）有限公司循环水系统改造项目涉及10 kV高压电机控制柜的配电方案设计、电流保护定值计算、设备安装及调试的全过程。该项目安装了两台10 kV循环水泵，功率都为355 kW，在设备开机及交接调试过程中遇到了一些技术方面的问题，通过认真解析并调整电流保护整定值，解决了高压电机启动失败故障。

关键词：10 kV电机;10 kV开关柜;保护测控装置

0    引言

本次工程在先尼科化工（上海）有限公司泰兴分公司（以下简称“我司”）循环水系统上安装两台10 kV循环水泵，功率都为355 kW，目的是解决当前在循环水系统中有多台大功率低压循环水泵在启泵过程中产生大电流，对我司现有供电网络产生很大影响的问题。另外，现有的大功率低压电机达不到三级能效，通过此次改造，更换为二级能效的高压电机，节约能耗。

1    工程背景概况及任务目标

2019年8月，工厂对422循环水系统的水泵进行改造，增加两台10 kV循环水泵，分别为M1/M2，一用一备，额定工作电压Ue=10 kV，额定功率P=355 kW，用于工厂车间装置冷却循环水。为满足供电需求，在生产区外围新增设一座配电室，设10 kV配电柜一组，10 kV电源从410高压配电室新上间隔引来。主要工作任务：（1）供电一次方案设计、配电设备选型、主要技术参数核定。（2）配电设备保护定值的计算。（3）配电设备调试。

2    方案解析

本方案主要配电设备为开关柜，依据国内10 kV主流配电产品KYN28A-12型开关柜典型方案组合设计方案，产品执行标准《3.6 kV～40.5 kV交流金属封闭开关设备和控制设备》（GB 3906—2006），完成主体方案和关键元器件的主要参数确定，详细参数交由供货厂家依据标准确定。

2.1    总体配电设备配置方案

设1台10 kV总柜与中心配电室出线柜，采用电缆连接引入10 kV用电。3台高压电机的出线柜，其中2台与新增水泵采用电缆连接，2台电机出线柜二合一，采用电气和机械联锁，1台为备用出线柜，为后期扩容准备;一台PT柜提供10 kV测量电压和保护电压;1台DC220 V/40 Ah直流屏，用于操作电源，共新增5台配电柜和1台直流屏。由于中心配电室设有备用电容器柜，设计为自动补偿，补偿容量为0～400 kvar，若启用此补偿柜，依据运行条件可满足新增电机补偿需求容量，本次设计不做考虑。

2.2    主要参数和元器件额定参数选择

2.2.1    电流计算

本次新增实际总负荷P=355 kW，为后期扩容再预留1台355 kW电机容量，按总功率P=710 kW，取运行最低功率因数cos φ=0.81。额定电流Ie=（P/U）/cos φ=50.60 A，考虑可靠系数Krel=1.3。总柜的设计额定运行最大电流Iemax1=1.3Ie=65.78 A。出线柜的设计额定运行最大电流Iemax2=1.3Ie/2=32.89 A。额定短时最大运行电流为两台电机同启状态，启动倍率取n=10，Imax=n×Ie=506 A。

2.2.2    主要元器件选型依据

（1）电流互感器：电流互感器总柜倍比为75/5，出线柜倍比为40/5，考虑计量、测量、保护三功能，绕组选择0.2/0.5/10P10。

（2）进线真空断路器：选择施耐德HVX-12型，额定电流630 A，可充分满足进线电流要求，分断能力依据上级供电线路选择25 kA。

（3）出线开关选择：循环水泵开启后一个工作周期无特别状况不停机，无频繁操作，故排除FC回路的选择，选择配置真空断路器。

（4）进线柜设线路保护测控装置。

（5）电压互感器配置Y/△（开口）形式，选择JDZ9-10 10/

0.1/3，数量3只，容量设计为30 VA/50 VA。

3    配电设备保护定值的计算

3.1    进线柜保护定值

3.1.1    速断值

按躲过同启电机的最大启动电流总和计算，计算公式为：

式中：Krel为可靠系数，取值为1.5;Km为电动机启动最大电流倍数（取值范围为8～10之间）;In为二次额定电流;Ie为额定电流;nTA为电流互感器变比。

45.6 A;速斷动作时间：T1dz1=0 s。

3.1.2    过流Ⅱ段

定时限过流保护动作电流整定值计算公式为：

式中：Krel为可靠系数，取值为1.3;Kast为电机自启动系数，取值为6。

定时限电流保护动作时间：T1dz2=0.4 s。

3.1.3    过流Ⅲ段

按躲过所有负荷额定运行电流总和计算，计算公式为：

3.2    出线柜保护定值

3.2.1    速断保护

3.2.1.1    速断值

按躲过电动机最大起动电流计算，计算公式为：

3.2.1.2    过流Ⅱ段（堵转、定时限电流保护）

定时限过流保护动作电流整定值计算公式为：

式中：Krel为可靠系数，取值为1.3;Kast为电机自启动系数，取值为6。

定时限电流保护动作时间：T1dz2=0.4 s。

3.2.1.3    过流Ⅲ段（启动时间过长保护）

堵转保护是按照躲过电机额定电流进行计算的，动作时间大于启动时间设置，其计算公式为：

堵转保护整定时间推荐为：

式中：Tstmax为电机实测最长启动时间，取12 s。

3.2.2    负序过电流保护

3.2.2.1    负序Ⅰ段过电流保护

负序Ⅰ段动作电流计算公式为：

动作时间取T2dz1=（0.5～3）s，一般整定為1 s（根据现场情况定）。

3.2.2.2    负序Ⅱ段过电流保护

负序Ⅱ段动作电流计算公式为：

通常取I2dz2=0.35In=0.35×3.44≈1.20 A。

动作时间取T2dz2=（10～25）s。

3.2.3    过负荷保护（本段一般动作于告警）

按照躲过电动机额定电流整定，计算公式为：

式中：Kk为可靠系数，取1.05～1.1;Kf为返回系数，取0.9。

动作时间取Tgfh=15 s。

3.2.4    零序保护

按躲过电动机启动不平衡电流整定及电缆容流计算，计算公式为：

式中：Krel为可靠系数，取2.0;Ta0=40/5=8。

经查100 m 10 kV/95 mm2电缆运行电容电流=1.095 A/km，I0dz=2×0.109 5/8≈0.027 4 A。实际容流较小，因此为躲避不平衡零漂，取值I0dz=0.4 A;动作时间取T0dz=1 s。

4    设备调试及问题排除

4.1    设备调试

（1）设备安装完成后进行调试。合上总柜，各项参数指示正常。打开1号水泵阀门，合1号水泵开关，电机启动，启动电流陡升缓降，有轻微抖幅;8 s，显示一次电流34.16 A;12 s，电流趋于平稳，显示一次电流24.11 A，检测二次电流2.95 A。检查水泵出水正常，5 min显示一次电流22.5 A，二次电流2.81 A，多次测量偏差较小，水泵运行正常。

（2）15 min后，停1号水泵，约60 min，再次启泵重复检测，工作平稳，数据记录偏差较小。

（3）30 min后，停1号水泵，将1号水泵开关退出到试验位置，1号水泵关阀，2号水泵开阀就位，将2号水泵开关投入到工作位置。

（4）合2号水泵开关，电机启动，启动电流陡升陡降，电流有抖幅但幅度不大;8 s后有陡增，显示一次电流54.5 A，检测二次电流6.75 A;15 s开关跳闸动作，综合保护器显示过流故障，动作电流4.95 A。

4.2    问题分析及处理

（1）检查发现泵内水压有差距，2号泵距离上次启动时间最长，本次启动初始阶段显示水压为0，检查阀门没有堵塞现象，依此判断2号泵在经历轻载启动后接下阶段负载情况。启动过程经历15 s，动作电流接近临界值，判定为轻载转重载，一次启动时间较长，给定的启动时间偏小，电机参数规定为不大于25 s，故确定过流Ⅲ段设定的启动时间Kgl值偏小。

（2）为防止投运后备用泵再次出现轻载转负载，引发一次启动失败现象，决定将保护定值的过流Ⅲ段做调整。因水泵启动保护电流在临界点，电流整定I1dz3=4.82 A，过流值计算相对准确，故不做调整，判定将计算数据中Kgl取1.2偏小，试取1.5，计算式为T1dz3=1.5×12=18 s，确认输入。

5    结语

本文详细阐述了两台高压电机及配套配电方案设计、选型、采购、安装及调试的全过程，针对调试过程中遇到的技术问题，本文提出了有效的解决方案，排除了故障，设备各项运行参数达到了方案最初的设计要求，项目实施非常成功，这也为先尼科化工（上海）有限公司泰兴分公司二期循环水装置建设提供了宝贵的经验。

[参考文献]

[1] 周斌，谢银花.微机保护系统可靠性应用研究[J].广东电力，2010，23（4）：9-13.

[2] 崔纳新，张承慧，孙丰涛.异步电动机的效率优化快速响应控制研究[J].中国电机工程学报，2005，25（11）：118-123.

[3] 3.6 kV～40.5 kV交流金属封闭开关设备和控制设备：GB 3906—2006[S].

收稿日期：2020-06-02

作者简介：於伟（1977—），男，上海人，高级工程师，研究方向：电气和仪表自动化。