MNS抽屉式开关柜在罗田泵站中的应用及设计

雷荣斌

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广州 510635)

1 概述

珠江三角洲水资源配置工程[1-2]罗田泵站采用110 kV两回进线，泵站内110 kV高压侧采用单母线分段接线方式，采用SF6全封闭组合电器(GIS)设备。主变压器采用2台型号为SZ13-20000/110变压器。10 kV侧采用单母线分段的接线方式[3-4]，Ⅰ、Ⅱ段母线上各连接2台电动机组。

罗田泵站装设机组4台，3用1备。为满足水泵的多种运行工况要求，全部泵组都需采用变速调节方式，故罗田泵站设4台套变频装置，与电动机采用一对一配置，且设置了工频旁路，既可变频起动、变频运行，也可工频定速运行。在特殊情况下，机组也可直接起动。罗田泵站电气主接线如图1所示。

2 低压配电要求及MNS抽屉式开关柜特点

2.1 低压配电要求

罗田泵站设置两台站用变压器41TA、42TA，分别接在10 kV Ⅰ、Ⅱ段母线上，每台站用变可满足全泵站最大负荷用电需要。站用低压侧为单母线分段接线，并设有备用电源自动投入装置。正常运行时，低压母线分段运行，41TA、42TA分别带Ⅰ、Ⅱ段负荷；其中1台站用变故障或检修时，备用电源自动投入装置动作，另1台站用变带全站负荷。为保证消防水泵、渗漏排水泵、事故排水泵、UPS、直流电源的可靠供电，泵站设1台400 kW低压为0.4 kV柴油发电机组作为事故保安电源。当41TA、42TA失电时，自动投入柴油发电组，给消防水泵、UPS、渗漏排水泵照明等负荷供电。

图1 罗田泵站电气主接线示意

低压配电开关柜柜体结构要求设计紧凑、通用性强、组装灵活、技术性能好、运行维护方便[5-7]。由于低压负荷种类繁多、功能各异，采用抽屉式结构不仅能将负荷分类隔开，而且替换方便，其中MNS抽屉式开关柜(也称MNS低压抽屉柜)具有设计紧凑、组装灵活等优点，因此，罗田泵站低压站用电设计选取MNS抽屉式开关柜柜体结构形式。

2.2 MNS抽屉式开关柜特点

MNS低压抽屉开关柜采用钢板制成封闭外壳，进出线回路的电器元件都安装在可抽出的抽屉中，构成能完成某一类供电任务的功能单元。功能单元与母线或电缆之间，用接地的金属板或塑料制成的功能板隔开，形成母线、功能单元和电缆3个区域。每个功能单元之间也有隔离措施。抽屉式开关柜有较高的可靠性、安全性和互换性。

MNS低压抽屉柜为适应电力工业发展的需求，参考国外MNS系列低压开关柜设计并加以改进开发的高级型低压开关柜，该产品符合《低压成套开关设备和控制设备》[8]、《低压抽出式成套开关设备》[9]等标准，适应各种供电、配电的需要，能广泛用于发电厂、变电站、工矿企业、大楼宾馆、市政建设等各种低压配电系统。

MNS低压抽屉柜框架是由模数E=25 mm的“C”型材组装而成，抽屉回路规格一般分为5种：8E/4、8E/2、8E、16E、24E[10-11]。目前，最新的MNS3.0型低压抽屉柜还增加了4E、6E、12E、20E规格[12]。为简化研究对象并适应以往设计习惯，本文主要选取上述前5种标准抽屉规格，同时抽屉载流量按如下条件限制：8E/4抽屉最大载流量为45A；8E/2抽屉最大载流量为63 A；8E抽屉最大载流量为250 A；16E～24E抽屉最大载流量为630 A。抽屉回路一般适用于630 A及以下的馈电出线及小电机回路，设计过程中除了配置正常工作抽屉回路外，还需要配置适当的备用回路，以便正常回路故障后备用回路能够迅速检修替换，保障供电。

3 设计方案的优化及实施

3.1 设计方案的优化

由于MNS抽屉回路单元组装灵活，没有统一的规则，在对抽屉回路单元进行组盘时需要考虑整个低压配电盘柜负载平衡、外观整齐有序、运行检修方便等因素。并且在项目建设过程中设计人员常需要反复修改，一旦修改就需要重新考虑全盘布局问题。因此，需要优化设计方案并形成组盘策略，以提高设计效率、复用率，还可为计算机程序智能设计提供算法依据。

3.1.1负荷分配

若低压母线为单母线分段接线形式，需考虑两段负载平衡，一般先将负荷清单中名称相同、功能相同的多数量负荷按“Z”型方式分别划归至Ⅰ段、Ⅱ段母线。由此分别得到2段母线的累加负载值，然后将剩余负荷按功率由大到小排序，最后，按功率由大到小的顺序依次将剩余负荷划归至2段母线累加负载值中的较小者，同时更新该段母线累加负载值，重复此步骤直至所有负荷分配完毕。负荷按功率由大到小排序有个好处，就是先将额定功率大的负荷划分好后，后续额定功率小的负荷将视累加负载值较小的母线填补，两段母线负载动态平衡，最后一个负荷对母线负载平衡的影响也最小。

若低压母线为单母线接线形式，则无上述负载平衡的考虑。

3.1.2负荷分类

配电系统设计时根据负荷类型可为电动机和馈线回路，两者断路器类型、保护方式、启动电流都有所区别。若将二者划分开来，同一区域回路配置相似，元器件差异较小，当正常回路故障时也方便查找和替换备用回路。因电动机回路启动电流大，机端启动电压不能太低，一般将电动机回路更靠近盘柜进线侧布局。

除了将负荷类型划分为电动机和馈线回路外，还可以按专业功能分为主要和次要回路。主要回路与工程运行直接相关、经常操作，次要回路与工程运行不直接相关、不经常操作。若将二者划分开来，同专业功能的负荷回路划分在一起，便于功能分区，一般也将主要回路更靠近盘柜进线侧布局。

3.1.3抽屉布局策略

负荷分配及分类结束后，将根据负荷特性配置满足要求的抽屉，如前所述，抽屉回路规格一般分为5种：8E/4、8E/2、8E、16E、24E。抽屉排列布局一般将大规格抽屉布置在底部，小规格抽屉布置在顶部，以此降低检修操作过程中的安全风险，并且在没有检修小车的情况下，底部大规格抽屉也更易于操作人员手动抽出检修。因此，将抽屉回路按照规格由大到小排序，优先考虑并布局大抽屉回路至柜底，再将小抽屉回路排至柜顶。由于每一面MNS柜抽屉空间为9层×8E=72E，即划分为9层空间。当所有抽屉中最大抽屉规格为24E时，可配置相同规格为24E的备用回路；当抽屉空间较为紧张时，也宜预留至少8E空间做备用回路。因此，备用抽屉容量约为11.11%～33.33%。

抽屉排列布局方向可分为横向和纵向排列布局方向。横向布局策略中，需要先确定好盘柜数，盘柜数按已配线的抽屉容量再结合需求的备用抽屉容量即可得盘柜数。确定好盘柜数后，将按照抽屉规格由大到小，由柜底至柜顶方向依次依层布局抽屉。

纵向布局策略中，无需先确定盘柜数，抽屉将按照规格由大到小，由柜底至柜顶方向依次布局抽屉开关柜，一边排列一边动态增加盘柜数。

不同负荷分类下的抽屉排列布局策略可组合出如下8种：① 不对负荷分类，仅按纵向布局的可定义为“全专业全纵排”策略；② 仅对负荷分主、次专业功能分类，且按纵向布局的可定义为“分专业全纵排”策略；③ 仅对负荷分电动机、馈线回路分类，且按纵向布局的可定义为“全专业半纵排”策略；④ 既对负荷分主、次专业功能分类，又对负荷分电动机、馈线回路分类，且按纵向布局的可定义为“分专业半纵排”策略；⑤ 不对负荷分类，仅按横向布局的可定义为“全专业全横排”策略；⑥ 仅对负荷分主、次专业功能分类，且按横向布局的可定义为“分专业全横排”策略；⑦ 仅对负荷分电动机、馈线回路分类，且按横向布局的可定义为“全专业半横排”策略；⑧ 既对负荷分主、次专业功能分类，又对负荷分电动机、馈线回路分类，且按横向布局的可定义为“分专业半横排”策略。展现效果如图2所示。

图2示例为Ⅰ段母线的低压出线抽屉柜排布过程，进线回路位于盘柜左侧，如有Ⅱ段母线可按此做镜像排布。示例中主要电机回路包含2个16E、2个8E、12个8E/2抽屉回路；主要馈线回路包含1个16E、4个8E、12个8E/2抽屉回路；次要电机回路包含2个16E、2个8E、12个8E/2抽屉回路；次要馈线回路包含1个16E、4个8E、12个8E/2抽屉回路。备用抽屉容量取33.33%，先不考虑备用抽屉，组装完毕上述抽屉回路的展现效果示意如图3所示。该示例展现的为6×8E的抽屉空间，剩余3×8E空间用于添置备用回路。

图2 8种低压抽屉组盘策略展现效果1示意

图3 8种低压抽屉组盘策略展现效果2示意

3.1.4备用回路添加方式

设计备用回路时应优先与本柜已配置的抽屉回路相匹配，一般每种元器件配置类型的抽屉回路至少需要配置1个相同类型的备用抽屉回路，但若所有已配置的抽屉回路均不相同，备用率将达50%，这样抽屉利用率不高同时也造成较大浪费，故备用回路应有所取舍。如对于大功率电动机负荷，一般在负荷统计时已考虑热备用回路，因此，这类负荷可少设置或者不设置备用抽屉回路。对于Ⅰ类重要馈线负荷，一般配置了至少2个电源回路，因此，对这类负荷备用抽屉也可视情况进行取舍。而对于载流量为63A以下的8E/2抽屉，考虑其使用比例相对较高，并有较大概率的扩展需求，因此，可适当多设置此类备用抽屉回路。

3.2 设计方案的实施

罗田泵站低压站用电设计时，根据各专业提供的负荷清单，统计出105项负荷，结合负荷数量配置出合计148个负荷回路，选型配置得6个16E、38个8E、104个8E/2抽屉回路，共占据816E空间。低压配电盘采用单母线分段接线形式，抽屉回路按负载平衡原则分配至Ⅰ段、Ⅱ段母线，其中Ⅰ段母线分配了3个16E、19个8E、53个8E/2抽屉回路，Ⅱ段母线分配了3个16E、19个8E、51个8E/2抽屉回路。

应用上述8种组盘策略，在采用4种横排组盘策略时考虑尽可能高的抽屉利用率，预留至少1层8E空间备用，在采用4种纵排组盘策略考虑尽可能高的备用率，预留至少2层8E空间备用。由于负荷分类中没有划分次要专业功能的电动机回路，所以“分专业半纵排”和“分专业半横排”策略中的该区域移除，实际只划分3个有效区域。8种组盘策略结果见表1。

表1 罗田泵站8种低压抽屉组盘策略对比

设计过程中，按习惯选用了纵排方式，考虑到盘柜数量多，需尽可能多划分区域以便运维管理，且招标阶段考虑预留足够多的备用抽屉回路，故最终采用“分专业半纵排”策略(Ⅰ、Ⅱ段组盘如图4、图5所示)。

图4 低压站用电Ⅰ段组盘示意

图5 低压站用电Ⅱ段组盘示意

4 结语

对比分析8种组盘策略，得出以下结论：

1) 当采用横排策略时，需要先确定好盘柜数，每面柜的备用率较为均衡。横排策略配置的每面柜抽屉数量、布置形式、载流量较为统一，每面柜内抽屉种类较多，配置备用抽屉时需进行较大程度比较取舍。

2) 当采用纵排策略时，抽屉按照规格由大到小，由柜底至柜顶方向依次排列布局，相同配置的抽屉回路基本都在一个柜内，配置备用抽屉时较为容易。纵排策略配置的每面柜抽屉数量、布置形式、载流量差别较大。当排列至最后一面柜的小抽屉回路时，会出现已配线的抽屉回路特别少而备用空间特别多的情况。

3) 当同时包含至少3种划分区域，且每种区域负荷数量都足够多时，可采用“分专业半纵排”和“分专业半横排”策略。若采用此2种策略，当某个区域抽屉回路较少甚至没有时，可移除该区域，将该区域内的抽屉回路并入到其他区域。

4) 当出线总盘柜数量极少，如在3面以下时，可考虑“全专业全横排”或“全专业全纵排”策略。

5) 出线盘柜划分区域越多，盘柜数量一般也越多。