變電站低壓配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案淺析

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摘要：本文以我公司變電站低壓配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為例，分別從站內(nèi)具體空間布置低壓柜、低壓柜型分析及選擇、柜內(nèi)單元空間的合理設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行分析論證。并對(duì)低壓配電系統(tǒng)中，主要設(shè)備元件的參數(shù)如何計(jì)算整定進(jìn)行分析，為變電站低壓配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：低壓配電系統(tǒng)；空間布局；柜型；單元設(shè)計(jì)；參數(shù)計(jì)算整定

4號(hào)變電站承擔(dān)著公司鍛鑄車間4號(hào)廠房、39號(hào)廠房等區(qū)域的用電負(fù)荷。該站現(xiàn)有一臺(tái)1250KVA油浸式變壓器。近年來(lái)，4號(hào)廠房?jī)?nèi)增加許多200kW以上大功率用電設(shè)備，39號(hào)廠房也進(jìn)行了設(shè)備更新增容，均未對(duì)變電站低壓系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)容改造，造成變電站的低壓配電系統(tǒng)饋線數(shù)量和開關(guān)容量都無(wú)法滿足科研生產(chǎn)的需要。另外，該變電站低壓柜為1956年BSL柜型，該柜型是國(guó)家明令淘汰產(chǎn)品，內(nèi)部回路配置仍插保險(xiǎn)或淘汰的老式刀開關(guān)，無(wú)法起到對(duì)用電線路及設(shè)備的保護(hù)功能，雖然后期根據(jù)負(fù)荷變化對(duì)原有柜體內(nèi)部進(jìn)行了局部改造，但柜體內(nèi)及低壓室位置緊張?jiān)斐呻姎獍踩嚯x不夠，給安全運(yùn)行帶來(lái)了新的隱患。所以，需根據(jù)廠房新設(shè)備的用電工藝要求對(duì)4號(hào)變電站低壓配電系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)改造，來(lái)保證該變電站的安全運(yùn)行。

1低壓配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體思路

變電所是電力系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，由電器設(shè)備，配電網(wǎng)絡(luò)按一定的接線方式所構(gòu)成，它是從電力系統(tǒng)取得電能，通過(guò)其變換、分配、輸送與保護(hù)等功能，然后將電能安全可靠經(jīng)濟(jì)的輸送到每個(gè)用電設(shè)備的轉(zhuǎn)換場(chǎng)所。4號(hào)變電站低壓配電系統(tǒng)改造包括變壓器二次母線、低壓進(jìn)線、無(wú)功補(bǔ)償及低壓開關(guān)柜等部分的設(shè)計(jì)。具體設(shè)計(jì)時(shí)，必須進(jìn)行以下工作：（1）先分析用戶需求確定饋線的數(shù)量規(guī)格；（2）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際選擇低壓柜柜型確定安裝尺寸；（3）對(duì)低壓室根據(jù)柜體功能進(jìn)行重新平面布置等；（4）根據(jù)柜內(nèi)開關(guān)的品牌及規(guī)格型號(hào)確定柜體、繪制系統(tǒng)圖，進(jìn)行饋線單元的設(shè)計(jì)；（5）根據(jù)變壓器的實(shí)際容量確定密集母線、無(wú)功補(bǔ)償?shù)娜萘恳?guī)格，最后，再對(duì)其主要的保護(hù)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算整定。

2低壓配電室布局及功能設(shè)計(jì)

2.1低壓配電室布局設(shè)計(jì)

低壓配電設(shè)備的布置應(yīng)便于安裝操作搬運(yùn)檢修試驗(yàn)和監(jiān)測(cè)；低壓配電室內(nèi)各種通道的最小寬度要求：固定屏單列布置時(shí)，屏前操作通道不小于1500mm屏后操作通道不小于1200mm，屏后維護(hù)通道不小于1000mm。根據(jù)4號(hào)變電站低壓室尺寸：長(zhǎng)度5400mm，寬度4350mm，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)位置，將柜體尺寸定為厚度1000mm，柜后凈距1350mm，柜前凈距2000mm。在滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求的前提下，為了低壓柜搬運(yùn)安裝方便，在低壓室西墻設(shè)置寬1500mm、高2350mm的外開門，詳見圖1。

2.2低壓柜站內(nèi)位置及功能設(shè)計(jì)

對(duì)于低壓進(jìn)線柜的設(shè)置原則要求:要便于與變壓器二次側(cè)的連接，盡量減少密集母線的拐彎個(gè)數(shù)、長(zhǎng)度，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，變壓器二次側(cè)中心距低壓室西墻距離約1800mm，故將D3柜作為進(jìn)線柜。根據(jù)廠房主鋁母線的出線方向，為了便于安裝連接母排，將D1柜設(shè)置為廠房母線出線柜，并在柜頂上方裝設(shè)柜頂母線轉(zhuǎn)接箱。D2柜設(shè)為廠房電纜出線柜。因廠房?jī)?nèi)無(wú)功電容補(bǔ)償多采用變壓器低壓側(cè)集中補(bǔ)償方式，故將D3柜旁邊D4柜設(shè)置為電容補(bǔ)償柜。4號(hào)站還肩負(fù)著東側(cè)39號(hào)廠房的兩路4根電纜出線，為了便于連接節(jié)省電纜長(zhǎng)度，故將D5、D6柜設(shè)為外圍廠房大容量出線柜，詳見圖1。為了便于運(yùn)行監(jiān)控，對(duì)每個(gè)柜體每個(gè)饋線都設(shè)置了數(shù)字式多功能儀表，具有三相電流、三相電壓、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)的測(cè)量顯示功能，并帶有遠(yuǎn)傳通信接口。每回路另配指針式電流表一塊，便于運(yùn)行人員現(xiàn)場(chǎng)巡視一目了然。對(duì)于電容補(bǔ)償柜，考慮到廠房?jī)?nèi)大功率設(shè)備的用電，采用動(dòng)態(tài)自動(dòng)補(bǔ)償裝置，配合施耐德的高品質(zhì)電容器組，以達(dá)到精確補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

3低壓柜柜型選擇及單元設(shè)計(jì)

3.1低壓柜柜型分析及選擇

國(guó)產(chǎn)的低壓柜有GGD、GCS、GCK、MZS；外資品牌柜型有ABB的MNS2.0、ArTu；施耐德電氣的BIokest、Prisma、OKKen；西門子的SIVAVCON8PT。按饋線的形式可分為：固定柜抽屜柜固定間隔拔柜三種。固定柜的優(yōu)點(diǎn)連接牢靠，組裝接線較為簡(jiǎn)便、價(jià)格低廉；缺點(diǎn)故障范圍大，防護(hù)等級(jí)低，相對(duì)出線回路少，占空間多。抽屜柜優(yōu)點(diǎn)故障范圍小，更換故障回路快，防護(hù)等級(jí)高，出線回路多，占空間少，缺點(diǎn)插件多，散熱差、故障率高，價(jià)格高。經(jīng)廠區(qū)變電站對(duì)這兩種柜型的多年使用，發(fā)現(xiàn)它們維修率、故障率都很高。經(jīng)對(duì)市場(chǎng)上出現(xiàn)的固定間隔柜進(jìn)行考察，發(fā)現(xiàn)它既綜合了抽屜柜的優(yōu)點(diǎn)，又在抽屜柜的缺點(diǎn)上進(jìn)行了大幅度改進(jìn)，是值得推薦的柜型，且國(guó)產(chǎn)MZS、ABB的MNS、施耐德電氣的BIokest、OKKen和西門子的SIVAVCON8PT等柜型都可以靈活采用此形式。經(jīng)對(duì)固定間隔柜的分析發(fā)現(xiàn)它具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）該柜型將配電回路設(shè)計(jì)成縱橫分隔的結(jié)構(gòu)，將設(shè)備分別置于單獨(dú)的小室內(nèi)，使主母線系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、功能單元、電纜連接空間相互隔離，保證了低壓柜在檢修、維護(hù)時(shí)的獨(dú)立性和安全性，能防止故障的擴(kuò)大并避免觸電的危險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的安全供電。（2）該柜型連鎖方便，在開關(guān)柜正面布置各個(gè)功能單元小室的門上裝有開關(guān)的門外延伸操作手柄，手柄和門帶有機(jī)械聯(lián)鎖，各功能單元斷路器在帶電狀態(tài)下小室門是不能打開的，手柄可加裝掛鎖保證安全。各小室門上可根據(jù)需要安裝各種測(cè)量?jī)x表、燈、開關(guān)等，靈活方便。由于所有可移動(dòng)部件均在斷路器本身，減少了插接件的接觸不良。（3）該柜型配置的插拔式塑殼斷路器，由于自身采用固定式底座和移動(dòng)式本體的自配插接形式及底座板后的接線方式，確保解決了抽屜柜的插接問(wèn)題，保證了功能小室門打開后無(wú)帶電部件外露，實(shí)現(xiàn)了良好的分隔。斷路器本身連接端頭通過(guò)螺栓與配電母線連接，螺栓連接可通過(guò)緊固力矩控制達(dá)到的連接效果，避免了抽屜柜插件觸頭點(diǎn)對(duì)插接產(chǎn)生發(fā)熱溫升情況。采用電操方案時(shí)，可通過(guò)斷路器自身聯(lián)鎖防止帶負(fù)荷移動(dòng)斷路器本體。綜上所述，固定間隔插拔柜克服了抽屜柜的種種缺陷，又最大限度地發(fā)揚(yáng)了抽屜柜的優(yōu)點(diǎn)，并考慮公司對(duì)4號(hào)站的投資，在滿足功能的前提下，該次設(shè)計(jì)選擇國(guó)產(chǎn)MZS柜的固定間隔插拔柜。

3.2固定間隔插拔柜單元組成設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)選用MZS柜型，柜內(nèi)塑殼斷路器和框架斷路器均選用西門子產(chǎn)品。該柜體總高度2200mm，有效高度1800mm，每單元標(biāo)準(zhǔn)間隔高度200mm，對(duì)一面標(biāo)準(zhǔn)柜體通常最多可布置9路標(biāo)準(zhǔn)間隔單元。但是，根據(jù)柜內(nèi)塑殼開關(guān)或者框架開關(guān)的實(shí)際容量大小和電流等級(jí)不同，每面柜的配置也不盡相同。對(duì)于各種開關(guān)安裝于各間隔內(nèi)要求上下左右必須留有一定的空間以便開關(guān)的操作維修。經(jīng)查閱2012年西門子《SENTRON3VL塑殼斷路器產(chǎn)品樣本》和西門子《SENTRON3WL框架斷路器產(chǎn)品樣本》，要求塑殼開關(guān)的外圍間距不小于50mm，框架開關(guān)的外圍間距不小于100mm。經(jīng)查閱固定間隔插拔式低壓柜的資料，通常1/4單元可安裝≤63A的開關(guān)，1/2單元可安裝≤100A的開關(guān)，1單元200mm高度可安裝≤250A的開關(guān)，1.5單元300mm高度可安裝≤400A的開關(guān)，2～3單元400～600mm高度可安裝≤630A的開關(guān)，對(duì)于框架1600～3200A斷路器通常至少占用4單元約800mm高度。所以在設(shè)計(jì)每個(gè)柜子的單元間隔時(shí)，應(yīng)充分考慮以上因素，使柜體功能和空間盡量最大化。根據(jù)以上原則，柜內(nèi)單元尺寸設(shè)計(jì)見圖2。

4變電站低壓主要參數(shù)計(jì)算及設(shè)備選型整定

4.1變壓器的無(wú)功補(bǔ)償量計(jì)算

對(duì)于變壓器的無(wú)功補(bǔ)償通常有兩部分：一部分是變壓器所帶負(fù)荷的無(wú)功功率，它是由于負(fù)荷自然功率因數(shù)比較低，無(wú)法達(dá)到供電部門的要求，需要加裝電容器來(lái)提高功率因數(shù)；二是變壓器自身的無(wú)功功率，由于變壓器本身是由線圈組成的，變壓器自身的無(wú)功也不少，需要進(jìn)行電容器補(bǔ)償，補(bǔ)償量的大小與變壓器的大小有關(guān)。在用戶用電設(shè)備具體參數(shù)不詳?shù)那闆r下，根據(jù)變壓器的容量大小可估算出電容器補(bǔ)償量，通常補(bǔ)償量數(shù)值取變壓器容量的15%～30%，4號(hào)站變壓器為1250KVA的油變，無(wú)功補(bǔ)償系數(shù)取中間值19.2%時(shí)，計(jì)算出電容補(bǔ)償量為240KVar。電容補(bǔ)償柜設(shè)計(jì)及配置詳見圖3。

4.2變壓器二次母線的計(jì)算與選擇

4號(hào)站變壓器為1250KVA的油變，低壓側(cè)電壓為380V，高壓側(cè)電壓為10KV。根據(jù)公式Ie=S/(1.732×Ue)可計(jì)算出該變壓器低壓側(cè)二次額定電流Ie=1250/(1.732×0.38)=1899.23A，通?？紤]到變壓器允許短時(shí)間過(guò)負(fù)荷運(yùn)行，故計(jì)算母線實(shí)際的電流時(shí)，要乘以過(guò)負(fù)荷系數(shù)(1.2～1.45)。當(dāng)該系數(shù)取1.2時(shí)，母線的計(jì)算電流Im=1.2×1899.23=2279.08A，所以密集母線應(yīng)選擇2500A等級(jí)的母線，這也與估算手冊(cè)中母線容量約為2倍的變壓器容量相一致。變壓器及柜頂主母線容量設(shè)計(jì)，詳見圖4。

4.3二次側(cè)低壓總開關(guān)容量的計(jì)算與整定

變壓器低壓總開關(guān)的框架開關(guān)電流的計(jì)算，通常以變壓器二次側(cè)的額定電流為基準(zhǔn)，取1.5倍的二次側(cè)額定電流1899.23A，故計(jì)算出斷路器的框架額定電流為2848.85A，所以框架斷路器選用3200A等級(jí)的開關(guān)。對(duì)于框架斷路器額定脫扣電流的整定通常以密集母線的計(jì)算電流Im=2279.08A來(lái)進(jìn)行整定,取整后整定為2500A。對(duì)于斷路器長(zhǎng)延時(shí)通常取額定電流，對(duì)于短延時(shí)電流取4～5倍的額定電流，取4倍時(shí)為10000A。瞬時(shí)脫扣電流通常取10倍的額定電流，但為了防止下端用電負(fù)荷短路時(shí)造成總開關(guān)誤動(dòng)作，停電范圍大，我公司將其設(shè)定為閉鎖狀態(tài)。低壓總開關(guān)選型及參數(shù)整定詳見圖4。

5結(jié)語(yǔ)

4號(hào)變電站低壓配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，經(jīng)過(guò)設(shè)備招標(biāo)采購(gòu)、安裝、調(diào)試，并經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)1年的試運(yùn)行，效果良好，解決了原有變電站低壓配電系統(tǒng)饋線少，容量缺失，線路及設(shè)備無(wú)保護(hù)的現(xiàn)象，同時(shí)排除了長(zhǎng)期以來(lái)困擾變電站運(yùn)行的電氣安全隱患，也使站內(nèi)面貌發(fā)生了根本的變化。

參考文獻(xiàn)：

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作者:劉小麗 單位:中國(guó)航發(fā)西安動(dòng)力控制科技有限公司運(yùn)行保障中心