變電站低壓配電系統(tǒng)設(shè)計方案淺析
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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)計等方面進行分析論證。并對低壓配電系統(tǒng)中，主要設(shè)備元件的參數(shù)如何計算整定進行分析，為變電站低壓配電系統(tǒng)設(shè)計提供參考和借鑒。
關(guān)鍵詞：低壓配電系統(tǒng)；空間布局；柜型；單元設(shè)計；參數(shù)計算整定
4號變電站承擔著公司鍛鑄車間4號廠房、39號廠房等區(qū)域的用電負荷。該站現(xiàn)有一臺1250KVA油浸式變壓器。近年來，4號廠房內(nèi)增加許多200kW以上大功率用電設(shè)備，39號廠房也進行了設(shè)備更新增容，均未對變電站低壓系統(tǒng)進行擴容改造，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，該柜型是國家明令淘汰產(chǎn)品，內(nèi)部回路配置仍插保險或淘汰的老式刀開關(guān)，無法起到對用電線路及設(shè)備的保護功能，雖然后期根據(jù)負荷變化對原有柜體內(nèi)部進行了局部改造，但柜體內(nèi)及低壓室位置緊張造成電氣安全距離不夠，給安全運行帶來了新的隱患。所以，需根據(jù)廠房新設(shè)備的用電工藝要求對4號變電站低壓配電系統(tǒng)進行重新設(shè)計改造，來保證該變電站的安全運行。
1低壓配電系統(tǒng)設(shè)計的總體思路
變電所是電力系統(tǒng)的一個重要組成部分，由電器設(shè)備，配電網(wǎng)絡按一定的接線方式所構(gòu)成，它是從電力系統(tǒng)取得電能，通過其變換、分配、輸送與保護等功能，然后將電能安全可靠經(jīng)濟的輸送到每個用電設(shè)備的轉(zhuǎn)換場所。4號變電站低壓配電系統(tǒng)改造包括變壓器二次母線、低壓進線、無功補償及低壓開關(guān)柜等部分的設(shè)計。具體設(shè)計時，必須進行以下工作：（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)場的實際選擇低壓柜柜型確定安裝尺寸；（3）對低壓室根據(jù)柜體功能進行重新平面布置等；（4）根據(jù)柜內(nèi)開關(guān)的品牌及規(guī)格型號確定柜體、繪制系統(tǒng)圖，進行饋線單元的設(shè)計；（5）根據(jù)變壓器的實際容量確定密集母線、無功補償?shù)娜萘恳?guī)格，最后，再對其主要的保護參數(shù)進行計算整定。
2低壓配電室布局及功能設(shè)計
2.1低壓配電室布局設(shè)計
低壓配電設(shè)備的布置應便于安裝操作搬運檢修試驗和監(jiān)測；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，屏前操作通道不小于1500mm屏后操作通道不小于1200mm，屏后維護通道不小于1000mm。根據(jù)4號變電站低壓室尺寸：長度5400mm，寬度4350mm，結(jié)合現(xiàn)場位置，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)計規(guī)范要求的前提下，為了低壓柜搬運安裝方便，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
對于低壓進線柜的設(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數(shù)、長度，經(jīng)現(xiàn)場測量，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。因廠房內(nèi)無功電容補償多采用變壓器低壓側(cè)集中補償方式，故將D3柜旁邊D4柜設(shè)置為電容補償柜。4號站還肩負著東側(cè)39號廠房的兩路4根電纜出線，為了便于連接節(jié)省電纜長度，故將D5、D6柜設(shè)為外圍廠房大容量出線柜，詳見圖1。為了便于運行監(jiān)控，對每個柜體每個饋線都設(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、無功功率、功率因數(shù)的測量顯示功能，并帶有遠傳通信接口。每回路另配指針式電流表一塊，便于運行人員現(xiàn)場巡視一目了然。對于電容補償柜，考慮到廠房內(nèi)大功率設(shè)備的用電，采用動態(tài)自動補償裝置，配合施耐德的高品質(zhì)電容器組，以達到精確補償?shù)哪康摹?/p>
3低壓柜柜型選擇及單元設(shè)計
3.1低壓柜柜型分析及選擇
國產(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)點連接牢靠，組裝接線較為簡便、價格低廉；缺點故障范圍大，防護等級低，相對出線回路少，占空間多。抽屜柜優(yōu)點故障范圍小，更換故障回路快，防護等級高，出線回路多，占空間少，缺點插件多，散熱差、故障率高，價格高。經(jīng)廠區(qū)變電站對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)對市場上出現(xiàn)的固定間隔柜進行考察，發(fā)現(xiàn)它既綜合了抽屜柜的優(yōu)點，又在抽屜柜的缺點上進行了大幅度改進，是值得推薦的柜型，且國產(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)對固定間隔柜的分析發(fā)現(xiàn)它具有以下優(yōu)點：（1）該柜型將配電回路設(shè)計成縱橫分隔的結(jié)構(gòu)，將設(shè)備分別置于單獨的小室內(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、維護時的獨立性和安全性，能防止故障的擴大并避免觸電的危險，實現(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)需要安裝各種測量儀表、燈、開關(guān)等，靈活方便。由于所有可移動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題，保證了功能小室門打開后無帶電部件外露，實現(xiàn)了良好的分隔。斷路器本身連接端頭通過螺栓與配電母線連接，螺栓連接可通過緊固力矩控制達到的連接效果，避免了抽屜柜插件觸頭點對插接產(chǎn)生發(fā)熱溫升情況。采用電操方案時，可通過斷路器自身聯(lián)鎖防止帶負荷移動斷路器本體。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)揚了抽屜柜的優(yōu)點，并考慮公司對4號站的投資，在滿足功能的前提下，該次設(shè)計選擇國產(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
該設(shè)計選用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，每單元標準間隔高度200mm，對一面標準柜體通常最多可布置9路標準間隔單元。但是，根據(jù)柜內(nèi)塑殼開關(guān)或者框架開關(guān)的實際容量大小和電流等級不同，每面柜的配置也不盡相同。對于各種開關(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)計每個柜子的單元間隔時，應充分考慮以上因素，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)計見圖2。
4變電站低壓主要參數(shù)計算及設(shè)備選型整定
4.1變壓器的無功補償量計算
對于變壓器的無功補償通常有兩部分：一部分是變壓器所帶負荷的無功功率，它是由于負荷自然功率因數(shù)比較低，無法達到供電部門的要求，需要加裝電容器來提高功率因數(shù)；二是變壓器自身的無功功率，由于變壓器本身是由線圈組成的，變壓器自身的無功也不少，需要進行電容器補償，補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償量，通常補償量數(shù)值取變壓器容量的15%～30%，4號站變壓器為1250KVA的油變，無功補償系數(shù)取中間值19.2%時，計算出電容補償量為240KVar。電容補償柜設(shè)計及配置詳見圖3。
4.2變壓器二次母線的計算與選擇
4號站變壓器為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]到變壓器允許短時間過負荷運行，故計算母線實際的電流時，要乘以過負荷系數(shù)(1.2～1.45)。當該系數(shù)取1.2時，母線的計算電流Im=1.2×1899.23=2279.08A，所以密集母線應選擇2500A等級的母線，這也與估算手冊中母線容量約為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，詳見圖4。
4.3二次側(cè)低壓總開關(guān)容量的計算與整定
變壓器低壓總開關(guān)的框架開關(guān)電流的計算，通常以變壓器二次側(cè)的額定電流為基準，取1.5倍的二次側(cè)額定電流1899.23A，故計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等級的開關(guān)。對于框架斷路器額定脫扣電流的整定通常以密集母線的計算電流Im=2279.08A來進行整定,取整后整定為2500A。對于斷路器長延時通常取額定電流，對于短延時電流取4～5倍的額定電流，取4倍時為10000A。瞬時脫扣電流通常取10倍的額定電流，但為了防止下端用電負荷短路時造成總開關(guān)誤動作，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
4號變電站低壓配電系統(tǒng)設(shè)計完成后，經(jīng)過設(shè)備招標采購、安裝、調(diào)試，并經(jīng)過長達1年的試運行，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)備無保護的現(xiàn)象，同時排除了長期以來困擾變電站運行的電氣安全隱患，也使站內(nèi)面貌發(fā)生了根本的變化。
參考文獻：
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作者:劉小麗 單位:中國航發(fā)西安動力控制科技有限公司運行保障中心