精细化工10 kV及以下变配电所供配电设计要点

袁 涛, 宋鹏飞, 龚晓璐

(湖北省缘达化工工程有限公司, 湖北 武汉 430000)

0 引 言

通过对精细化工厂10 kV及以下的供配电所多个项目图纸的分析,了解到大部分精细化工厂的供配电系统通常配置:一座10/0.4 kV的总变配电所含10 kV母线段、低压配电室和柴油发电机室;另设一座10/0.4 kV的区域变配电室,主要是低压配电室。精细化工厂区的规模不大,10 kV电动机很少,因此10 kV段不设电容器室,基本上10 kV母线段主要为变压器配电,全厂变压器数量1～4台;以低压380 V配电为主,大部分工艺用电为三级负荷,少量二级负荷[1-2]。根据以上10 kV及以下变配电所的规模和特性,结合GB 50053—2013《20 kV及以下变电所设计规范》、GB 50054—2011《低压配电设计规范》、GB 50062—2008《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》、GB 50060—2008《3 kV～110 kV高压配电装置》等[3-10]对供配电设计的要求进行分类总结。本文主要提出10 kV及以下变配电所在供配电设计中应注意的一些规范条文要点和通常作法,部分要点的条文依据内容做了简化处理。

1 10 kV开关柜保护配置要点

对于10 kV及以下变配电所的供配电设计,其重要部分就是开关柜的保护配置,涉及到供电安全性及可靠性。在设计过程中要选择合适的元器件,满足规范要求的保护设置。

1.1 电力变压器回路保护配置

电压为3～110 kV的电力变压器应装设过负荷保护、电流速断保护、油浸式变压器的油温过高、瓦斯保护,以及变压器绕组温度过高的高温报警、超温跳闸保护等[7](GB 50062—2008第4.0.1条～第4.0.3条)。在设计时,变压器回路配电的10 kV开关柜可以选择变压器保护型的综合保护装置(简称综保),利用该综保具备的变压器保护的多种功能,进行保护配置和参数整定来实现保护要求。

精细化工的10 kV变压器容量大部分在2 500 kVA以内,变比是10/0.4 kV,通过对厂家综保使用说明的学习,经过电流计算,选择电缆截面、测量、保护CT等。将电流、电压、温度、瓦斯等信号输入到综保,同时将综保的保护动作输出接到真空断路器的跳闸回路,以此来实现对变压器的保护。

1.2 10 kV电力线路回路保护配置

3～66 kV电力线路应装设过负荷、相间短路、单相接地保护。中性点非直接接地应装设接地故障保护装置,经低电阻接地单侧电源线路,应装设1段或2段零序电流保护[7](GB/T 50062—2008第5.0.1条～第5.0.7条)。设计中可通过选用10 kV线路综保(具备多种线路保护功能)进行保护配置和参数整定来实现保护要求。

精细化工10 kV线路包括总的电源进线和输出至变压器的馈线,通过电缆的动、热稳定的校验选择电缆截面,通常情况下进线电缆采用ZR-YJV-8.7/10 kV-3×120,出线电缆采用ZR-YJV-8.7/10 kV-3×95的规格就可以满足校验要求。三段式过电流保护和零序过流保护(动作于报警或跳闸)为设计中的通常配置。

1.3 10 kV电动机回路保护配置

3 kV及以上电动机应装设过负荷、相间短路、单相接地、电流速断、带时限低电压保护等[7](GB/T 50062—2008第9.0.1条～第9.0.5条)。设计中可通过选用10 kV电动机保护类型的综保(具有多种电动机保护功能)进行保护配置和参数整定来实现保护要求。

精细化工10 kV电机比较少,要注意的是10 kV电机的现场操作柱为直流DC 220 V,高压电机带有AC 220 V的空间加热器需要单独低压配电,其主要配置保护为三段式过流、过负荷、电压保护及单相接地故障保护。

1.4 高压断路器分断、关合、动/热稳定能力

1.5 10 kV开关柜其他元器件

10 kV开关柜现在比较通用的是中置式金属铠装封闭开关柜,精细化工10 kV变配电所常用10 kV单母线,一台总的电源进线柜、一台计量柜、一台PT柜和若干台出线柜。每台开关柜采用两组CT:一组测量,精度0.5级15 VA;一组保护,采用5P15或10P10的,计量CT采用0.2计量级;继电保护和自动装置用电流互感器应满足误差和保护动作特性要求,宜选用P类产品。电流互感器二次侧绕组额定电流,可根据工程实际选5 A或1 A。电流互感器的二次侧回路应只有一点接地,宜在就地端子箱接地[7],具体见国家标准GB/T 50062—2008第15.2.1条。

继电保护和自动装置用电压互感器主二次侧绕组的准确级应为3P,剩余绕组准确级应为6P。电压互感器剩余绕组额定电压,有效接地系统应为100 V;非有效接地系统应为100/3 V。电压互感器二次侧中性点或线圈引出端之一应接地。对于有效接地系统,应采用二次侧中性点接地方式;对于非有效接地系统,宜采用B相接地方式,也可采用中性点接地方式;对于V-V接线的电压互感器,宜采用B相接地方式[7](国家标准GB/T 50062—2008第15.2.2条)。

每台进线柜设氧化锌避雷器,出线柜装过电压保护器。所用电源采用30 Ah免维护铅酸直流电源屏DC 220 V,所内设有低压配电室,提供低压电源。

35 kV及以下开关柜应具备:防止误分、误合断路器;防止带负荷拉合隔离开关;防止带电挂接地线(合接地开关);防止带接地线关(合)断路器(隔离开关);防止误入带电间隔[7],具体见GB/T 50062—2008第4.3.8条。

2 低压配电柜保护配置要点

低压供配电设计中低压柜的保护配置是供配电设计的重要部分,其关系用电安全可靠性。

2.1 低压电动机保护回路配置

交流电动机应装设短路保护和接地故障的保护。交流电动机的保护除应装设上述两个保护外,尚应根据电动机的用途分别装设过载保护、断相保护、低电压保护以及同步电动机的失步保护[5],具体见GB 50055—2011第2.3.1条～第2.3.2条。

设计中常用低压断路器和电动机保护控制器(简称电保)来实现规范要求的上述保护功能。现在市场上的电保保护功能齐全,运行可靠,选择型号时可按电机功率、计算电流等选择匹配电保的CT。部分电动机有调速需要时,应将电保换成变频器,其保护功能也必须满足上述规范要求。大电机起动困难的应考虑采用软起动器,设计中可以按文献[1]近似计算校验;经常起动的电动机容量小于变压器容量的15%～30%,可以采用直接起动,否则应采用软起动器,软起动器也应具备上述规范要求的保护功能。

2.2 线路保护回路配置

配电线路应装设短路保护和过负荷保护;上下级保护电器,其动作特性应具有选择性,能协调配合;非重要负荷可无选择性或部分选择[4],具体见标准GB 50054—2011第6.1.1条～第6.1.2条)。

设计中常用低压断路器或者线路综合保护控制器,来实现规范对线路保护要求的上述功能。如果线路过长,过流保护的距离有限时,常常需要用到电子式断路器的三段保护或者增加单相接地故障保护等,部分回路还需具备漏电保护功能。

2.3 低压断路器分断能力

根据GB 50054—2011第6.2.2条,断路器应能分断其安装处的预期短路电流[4]。例如,设计中经常按变压器容量估算预期短路电流,1 600 kVA变压器的进线断路器可选额定分断能力50 kA的断路器;1 250 kVA变压器进线可选分断能力35 kA的断路器。此数值为一般经验数值,具体短路电流计算方法参考文献[1]。末端短路电流小时可选用小型断路器,其分断能力一般只有6 kA。

2.4 二次回路及电测量信号

二次回路的工作电压不宜超过250 V,最高不应超过500 V。互感器二次回路连接的负荷不应超过继电保护和自动装置动作准确等级所规定的负荷范围。根据标准GB/T 50062—2008第15.1.1条～第15.1.4条,控制电缆的绝缘水平宜选用450/750 V[7]。二次接线图如电动机控制原理图,应根据上游工艺专业等控制要求,结合厂家图纸资料进行合理设计,实现远程、就地。精细化工低压配电系统设计时,低压进线柜、母联柜、柴油发电机至应急段进线设电流测量表计;55 kW以上的电动机回路要进行电流测量,另外有工艺需要监控电流信号的电动机,应在现场操作柱上设电流表,也可将电流信号送至DCS系统后台。在低压进线柜设多功能电表,需要测量母线电流、电压、有功、无功功率等,测量CT宜选用/1的互感器,若采用/5时电缆芯截面不宜小于4 mm2,这样接线距离可以更长,电流互感器二次侧不应开路[12]。

3 配电装置布置设计要点

变配电所10 kV开关柜、低压配电柜布置应符合国家标准的通道及安全净距的要求,其设计要求有以下方面。

3.1 低压配电柜布置

低压配电柜成排通道:单排柜前1.5 m(1.8 m),柜后1.2 m(1.2 m);双排面对面柜前2 m(2.3 m),柜后1.2 m(1.2 m);双排背对背柜前1.5 m(1.8 m),柜后2 m(2 m);侧方通道1 m(注:括号内为抽屉柜,前为固定柜)[4](具体见GB 50054—2011表4.2.5)。设计中常用的低压柜有GGD3固定式柜和MNS抽屉式配电柜,固定柜柜深一般600/800 mm,MNS柜柜深1 000 mm,柜高均为2 200 mm,有不同宽度可选。

3.2 10 kV开关柜布置

高压配电装置成排通道及安全距离:单排柜后800 mm,柜前1 500 mm(单手车+1 200 mm);双排面对面柜后800 mm,柜前2 000 mm(双手车+900 mm);双排背对背柜后1 000 mm,柜前1 500 mm(单手车+1 200 mm);可靠墙布置柜后靠墙50 mm,侧面靠墙200 mm,侧方若留通道800 mm(注:括号内为移开式开关柜,前面为固定式)[4](具体见GB 50054—2011表4.2.7)。10 kV开关柜一般为标准柜,常用中置式金属铠装封闭开关柜柜1 500 mm(深)×800 mm(宽)×2 300 mm(高)左右。

3.3 干式、油浸式变压器布置

干式变压器带金属外壳防护等级不低于IP20,可与低压配电柜一起排列布置于低压配电室,满足GB 50054—2011表4.2.5中成排布置的配电屏通道最小宽度即可。

油浸式变压器通道及安全距离:变压器外轮廓的后面、侧面800 mm,正面与门1 000 mm(变压器容量<1 250 kVA时减200)[4](见国家标准GB 50054—2011表4.2.4)。户内变电所每台油量≥100 kg的油浸式三相变压器,应设在单独的变压器室内,并应有储油或挡油、排油等防火设施[3](GB 50053—2013第4.1.3条)。

变压器的容量通过需要系数法的负荷计算来确定,中低压0.4 kV的单台变压器容量不宜大于1 250 kVA。

3.4 柴油发电机室布置

依据文献[1]第137页表3.3-1,柴油发电机四周通道尺寸:200～300 kW机组操作面≥1.8 m,背面≥1.5 m,柴油机端≥2.0 m,发电机端≥1.7 m。本文主要提出设计要点,仅列出其依据部分表格数据仅供参考。柴油发电机为成套电气设备,设计时要结合厂家资料给相关专业提供柴油发电机的进/出风口尺寸。如依据15D202-2图集,400 kW输出功率的柴发进风口面积5 m2,排风口面积4 m2,则百叶窗面积应为上述数据的1倍,进风百叶窗10 m2,排风百叶窗8 m2。进风百叶窗可根据建筑布局拆分成小窗来满足总面积要求,进风和出风百叶窗宜设在柴发室两端。

柴油发电机室一般会设置储油间,其总储油量不应大于1 m3;当储油量大于1 m3时,采用室外油箱,应符合下列规定:在进入建筑物和设备间内的管道上均应设置自动和手动切断阀[10](GB 50016—2014第5.4.13条～第5.4.15条)。

3.5 接 地

电气装置的下列金属部分,均必须接地:

(1) 电气设备的金属底座、框架及外壳和传动装置。

(2) 互感器的二次侧绕组。

(3) 配电、控制、保护用的屏(柜、箱)及操作台的金属框架和底座。

(4) 电力电缆的金属护层、接头盒、终端头和金属保护管及二次电缆的屏蔽层。

(5) 电缆桥架、支架和井架。

(6) 配电装置的金属遮栏[8](GB 50169—2016第3.0.4)。变配所一般公用接地装置,综合接地电阻大于4 Ω,变压器、柴发中性点单独连接到主接地网。

4 变配电所的土建主体部分设计要点

4.1 墙体及屋顶

中低压开关柜柜顶净空宜不小于1 200 mm,电缆夹层的梁底净空高度不低于1 900 mm(SH 3038—2017第6.4.1条)。在设计中中低压配电柜高度一般为2.2 m,根据规范要求结合实际放点安全余量,配电室净高不宜小于3.6 m。

配电室、电容器室和各辅助房间的内墙表面应抹灰刷白,地面宜采用耐压、耐磨、防滑、易清洁的材料铺装。配电室、变压器室、电容器室的顶棚以及变压器室的内墙面应刷白(GB 50053—2013第6.2.5条)。

4.2 门

配电装置长度大于6 m时其柜后通道应设两个出口,当低压配电两个出口距离超过15 m时应增加出口(GB 50054—2011第4.2.6条)。

长度大于7 m的配电室应设两个安全出口,并宜布置在配电室的两端。门向外开启。当采用双层布置时,位于楼上的配电室至少设一个通向室外平台或外部通道的安全出口[3](国家标准GB 50053—2013第6.2.6条)。

配电室的门应设向外开启的防火门,并应装弹簧锁,严禁采用门闩;相邻配电室之间有门时,应能双向开启[6](GB 50060—2008第7.1.4条)。

4.3 窗 户

地上变电所宜设自然采光窗。除变电所周围设有1.8 m高的围墙或围栏外,高压配电室窗户的底边距室外地面的高度不应小于1.8 m,当高度小于1.8 m时,窗户应采用不易破碎的透光材料或加装格栅;低压配电室可设能开启的采光窗应设置防止雨、雪和蛇、鼠等小动物从采光窗、通风窗、门、电缆沟等处进入室内的设施[3](GB 50053—2013第6.2.1条～第6.2.4条)。

5 结 语

精细化工10 kV及以下变配电所供配电设计中必须考虑上述要点,使其满足国家标准规范条文的具体要求。在设计过程中可以结合本文进行图纸的检查、校核,可有效避免设计中因疏忽导致的漏项。在实际设计中还有很多细节和注意事项,本文仅对部分相对关键和重要的点做了总结和概述,未涉及的点应结合具体项目和国家标准进行完善设计。