制冷站供配電方案設(shè)計(jì)

吳 凡

(廣州市住宅建筑設(shè)計(jì)院有限公司北京分公司，北京 100022)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，建筑物規(guī)模體量不斷增大，大容量冷水機(jī)組使用率也因此越來越高。在大型制冷站中的眾多設(shè)備中，冷水機(jī)組容量相對(duì)較大，一套合理的供配電方案在滿足制冷站可靠運(yùn)行的前提下，做到最大程度上的投資節(jié)約是設(shè)計(jì)中需要考慮的問題。本文以一實(shí)際超高層建筑的制冷站為例，統(tǒng)計(jì)了制冷站內(nèi)各類設(shè)備的容量，對(duì)比了幾種負(fù)荷計(jì)算方法，校驗(yàn)了設(shè)備啟動(dòng)時(shí)母線的電壓降，分析了高壓繼電保護(hù)整定方法、低壓主開關(guān)的選擇依據(jù)，以及闡述了變壓器容量選擇的方案。

1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目為一超高層建筑。該建筑業(yè)態(tài)為辦公，建筑面積8.1萬m2。地下共4層，核心筒外為地下車庫范圍。地上共44層，其中，1層為大堂，2～7層核心筒外為商業(yè)裙房范圍，8～42層為辦公區(qū)域(其中9、20、31層為避難層)，43、44層僅有核心筒區(qū)域(為設(shè)備用房)。制冷站位于地下二層，采用4臺(tái)冷凍機(jī)組作為冷源。冷卻塔設(shè)置在裙樓屋面。

2 設(shè)備容量統(tǒng)計(jì)及負(fù)荷計(jì)算

本工程制冷設(shè)備容量如表1所示。其中制冷站內(nèi)設(shè)備容量為3 624kW。表1中的冷卻塔風(fēng)機(jī)、冷卻塔補(bǔ)水泵不在地下二層的制冷站中，考慮到功能的一致和完整，將其與制冷站內(nèi)設(shè)備一起配電。表1中不包含平時(shí)不使用的備用設(shè)備。

設(shè)備容量表 表1

2.1 需要系數(shù)法

依據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》(第4版)第10頁，各設(shè)備組需要系數(shù)Kd取0.8，變壓器低壓側(cè)各設(shè)備組之間同時(shí)系數(shù)K∑p取0.85。

經(jīng)計(jì)算變壓器低壓側(cè)計(jì)算功率Pjs=K∑p×∑ (Kd×Pe)=1 859.7kW。

2.2 二項(xiàng)式法

依據(jù)《鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計(jì)手冊(cè)》(上冊(cè))第99頁：式2-14：Pjs=(cPn)max+∑bPs，其中，Ps為設(shè)備組設(shè)備功率，Pn為設(shè)備組找那個(gè)功率最大的n臺(tái)設(shè)備之和。對(duì)于泵、通風(fēng)機(jī)、空氣壓縮機(jī)等設(shè)備組，c=0.25,b=0.65,n=5。當(dāng)設(shè)備組內(nèi)臺(tái)數(shù)x<2n時(shí)，取n=x/2。

故經(jīng)計(jì)算，Pjs=(0.25×2×426)+0.65× 2 734=1 991kW。

2.3 利用系數(shù)法

依據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》(第4版)第15頁，對(duì)于泵、通風(fēng)機(jī)、空氣壓縮機(jī)的利用系數(shù)Ku=0.55。平均利用系數(shù)Kut=0.55。∑Pav=1504；neq=9.4；Km=1.16。

故經(jīng)計(jì)算，Pjs=Km×∑Pav=1.16×1 504=1 745kW。

2.4 結(jié)果及對(duì)比分析

由以上計(jì)算結(jié)果可知，三種方法結(jié)果基本一致。

如選取兩臺(tái)1 250kVA的變壓器，三種計(jì)算方法下的變壓器負(fù)載率分別為：80.8%，86.6%，75.9%?；痉弦?guī)范對(duì)變壓器負(fù)載率的要求(此處假定變壓器功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)?.92)。

對(duì)比可知，需要系數(shù)法計(jì)算過程最為簡(jiǎn)便，但系數(shù)選取會(huì)有一定主觀差異，特別是在設(shè)備容量差異較大的情況下。 二項(xiàng)式法計(jì)算過程比較簡(jiǎn)便，適合于設(shè)備臺(tái)數(shù)較多、設(shè)備容量差異較大的情況。利用系數(shù)法計(jì)算過程較為繁瑣，但避免了需要系數(shù)法中系數(shù)選取的問題。

3 設(shè)備啟動(dòng)時(shí)電壓相對(duì)值校驗(yàn)

本工程制冷機(jī)組容量較大，且不屬于重載啟動(dòng)，因此對(duì)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的要求不高?？梢圆捎贸Ｓ玫男?三角啟動(dòng)方式。

3.1 關(guān)于設(shè)備端子及母線電壓相對(duì)值的規(guī)定

根據(jù)GB 50055-2011《通用用電設(shè)備配電設(shè)計(jì)規(guī)范》第2.2.1條：電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，其端子電壓應(yīng)能保證機(jī)械要求的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，且在配電系統(tǒng)中引起的電壓波動(dòng)不應(yīng)妨礙其他用電設(shè)備的工作。

(1)為保證本臺(tái)設(shè)備可靠啟動(dòng)，端子電壓相對(duì)值應(yīng)符合如下公式指標(biāo)。依據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》(第4版)第480頁。

1)設(shè)備采用直啟方式時(shí)，端子電壓相對(duì)值應(yīng)滿足:

2)設(shè)備采用星三角啟動(dòng)方式時(shí)，mstM(即啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩相對(duì)值)為直接啟動(dòng)時(shí)的0.33倍。所以，端子電壓相對(duì)值應(yīng)滿足:

(2)為保證本臺(tái)設(shè)備啟動(dòng)時(shí)，引起的電壓波動(dòng)不妨礙其他用電設(shè)備的工作，GB 50055-2011第2.2.2條規(guī)定了各類情況下的母線電壓相對(duì)值指標(biāo)。本工程配電母線上未接照明或其他隊(duì)電壓波動(dòng)較敏感的負(fù)荷，適用于第2.2.2條第2款。故要求母線電壓不低于額定電壓的80%。

3.2 校驗(yàn)(計(jì)算)示例

3.2.1 本工程已知電氣條件

(1) 廠家樣本提供數(shù)據(jù)：冷凍機(jī)組額定功率P=426kW；滿載電流I=721A；電機(jī)額定功率PrM=552kW；電機(jī)額定電流IrM=954A；電機(jī)額定容量SstM=0.629 6MVA；星型接線時(shí)啟動(dòng)電流Ist(Y)= 1 481A；啟動(dòng)容量SstM(Y)=0.977 5MVA；三角型接線時(shí)啟動(dòng)電流(直啟)Ist(Δ)=4 443A；啟動(dòng)容量SstM(Δ)=2.932 4MVA。

(2)其他已知數(shù)據(jù)條件：本工程開閉站處最小短路容量Sk(開閉站)min=81.44MVA。

根據(jù)上文容量計(jì)算，擬采用兩臺(tái)SrT=1 250kVA 變壓器。uT=6%。

3.2.2 校驗(yàn)(計(jì)算)過程

(1)查表法估算是否可以直接啟動(dòng)

依據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》(第4版)第486頁，表6.5-7。按變壓器一次側(cè)短路容量Sk指標(biāo)查表，本電機(jī)功率PrM<0.03Sk，可以全壓?jiǎn)?dòng)(直啟)。按變壓器額定容量SrT指標(biāo)查表，本電機(jī)功率PrM>0.3SrT，不可以全壓?jiǎn)?dòng)(直啟)。

因表格所列數(shù)據(jù)為估算值，要符合所有情況，相對(duì)保守，本例中的數(shù)據(jù)又接近表中的上限值，所以應(yīng)具體計(jì)算來確定結(jié)果。

(2)公式計(jì)算法

1)變壓器低壓側(cè)銅母線型號(hào)：TMY-3[2(100×10)]+2(100×10),長(zhǎng)度約5m。

r銅母線=0.011mΩ/m,x銅母線=0.116mΩ/m

z銅母線=0.11652mΩ/m，Z銅母線=

z銅母線×l=0.000583Ω

2)饋線采用1 000A母線槽，長(zhǎng)度約30m。

r母線槽=0.056mΩ/m,x母線槽=0.027mΩ/m

z母線槽=0.062mΩ/m，Z母線槽=z母線槽×l=0.00186Ω

3)變壓器(除本機(jī)組外)的其他負(fù)荷的無功功率

Qfh=Pfh×tanφ=941×0.484=0.4554MVar

4) 變壓器低壓側(cè)短路容量

星型接線啟動(dòng)時(shí)：Sst(Y)=0.9616MVA；直啟時(shí)：Sst(Δ)=2.794MVA

星型接線啟動(dòng)時(shí)：ustm(Y)=94.66% > 80%；符合母線電壓要求。

直啟時(shí)：ustm(Δ)=85.92% > 80%；符合母線電壓要求。

星型接線啟動(dòng)時(shí)：ustM(Y)=93.1% > 81.24%；符合電機(jī)啟動(dòng)要求。

直啟時(shí)：ustM(Δ)=81.86% > 41.69%；符合電機(jī)啟動(dòng)要求。

由以上計(jì)算分析可知：本工程冷凍機(jī)組的兩種啟動(dòng)方式都滿足要求。

3.3 結(jié)果分析

通過計(jì)算過程可知，影響母線及設(shè)備端子電壓相對(duì)值的因素有：(1)變壓器一次側(cè)短路容量；(2)變壓器的容量及阻抗百分?jǐn)?shù)；(3)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)容量；(4)線纜阻抗；(5)母線上其他設(shè)備的無功功率。

以上幾個(gè)因素中，第2、3、4條是可以在設(shè)計(jì)中調(diào)整的。其中，通過降低電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)容量是最常用的方法，即星三角啟動(dòng)、軟啟動(dòng)等。此外，還可以通過增加變壓器容量來改善電壓降。(在本例中，若變壓器提高一級(jí)容量為1 600kVA，直接啟動(dòng)時(shí)母線電壓相對(duì)值ustm(Δ)=88.03%；僅比原先的85.92%提高了約兩個(gè)百分點(diǎn)。可見此方法改善電壓降的效果并不明顯，且提高了變壓器規(guī)格和增加了報(bào)裝容量，一次投資有所增加。)

另外，通過增加線徑改變電纜阻抗的方法也能調(diào)整電壓降，但此方法成本很高且效果亦不明顯，在此不再討論。

4 高壓繼電保護(hù)整定

4.1 本工程已知電氣條件

中心(區(qū)域)變電站10kV側(cè)：最大短路容量Sk(電源)max=200MVA；最小短路容量Sk(電源)min=120MVA。

本工程開閉站10kV高壓進(jìn)線：YJV-8.7/10-3×240mm2，長(zhǎng)度約5km。

4.2 計(jì)算(整定)過程

本建筑開閉站10kV側(cè)：最大短路容量Sk(開閉站)max=111.8MVA；最小短路容量Sk(開閉站)min=81.44MVA。

(1)變壓器過電流保護(hù)整定：(保護(hù)動(dòng)作時(shí)限為0.5s)

通過計(jì)算，本工程在最小系統(tǒng)下變壓器低壓側(cè)的三相短路電流I22k3·min=22.69kA。

低壓側(cè)兩相短路電流I22k2·min=0.866I2k3·min=19.652kA。

因此，為滿足保護(hù)靈敏度，Iop≤499.1A；通常設(shè)置Iop為150A。

(2)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)尖峰電流對(duì)高壓保護(hù)裝置的影響

根據(jù)廠家樣本，設(shè)備星型接線時(shí)啟動(dòng)電流Ist(Y)=1 481A； 三角型接線時(shí)啟動(dòng)電流(直啟)Ist(Δ)=4 443A；

變壓器所帶設(shè)備電流(除本臺(tái)冷凍機(jī)組)IC(n-1)=1 647A。

星型接線時(shí)啟動(dòng)，變壓器低壓側(cè)尖峰電流I2jf(Y)=Ist(Y)+IC(n-1)=1 481+1 647=3 128A；

折算到高壓側(cè)尖峰電流I1jf(Y)=I2jf(Y)/nT=119.2A。

直接啟動(dòng)，變壓器低壓側(cè)尖峰電流I2jf(Δ)=Ist(Δ)+IC(n-1)=4 443+1 647=6 090A。

折算到高壓側(cè)尖峰電流I1jf(Δ)=I2jf(Δ)/nT=232A。

因電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間遠(yuǎn)大于變壓器過電流保護(hù)動(dòng)作時(shí)限，為保證電機(jī)啟動(dòng)時(shí)高壓保護(hù)裝置不誤動(dòng)作，其一次動(dòng)作電流應(yīng)大于低壓側(cè)尖峰電流折算值，即Iop≥1.2I1jf。

4.3 計(jì)算(整定)結(jié)果

綜合以上因素，變壓器高壓側(cè)過電流保護(hù)整定值如下所示。

星型接線啟動(dòng)時(shí)，Iop≥119.2A，取Iop=150A即可。

三角型接線啟動(dòng)(直啟)時(shí)，Iop≥232A，須調(diào)整繼電保護(hù)整定值Iop為300A。

此外，此繼電保護(hù)整定值的選取還應(yīng)考慮高壓線路的保護(hù)級(jí)間配合，鑒于篇幅不再贅述。因此，就本工程，制冷機(jī)組建議采用星三角啟動(dòng)方式，變壓器高壓側(cè)過電流繼電保護(hù)整定值Iop=150A。

5 低壓開關(guān)選擇

以下以直啟方式(最嚴(yán)峻情況下)為例進(jìn)行校驗(yàn)。

(1)變壓器低壓主受開關(guān)選擇：擬采用脫扣器額定電流In=2 500A的空氣斷路器，則：

長(zhǎng)延時(shí)整定電流Iset1=0.9In=2 250A

短延時(shí)整定電流Iset2=5In=12 500A >1.2×6 090A=7 308A

尖峰電流不會(huì)引起主受開關(guān)跳閘。

(2)機(jī)組回路饋線開關(guān)選擇：擬采用脫扣器額

定電流In=1 000A的空氣斷路器，則：

長(zhǎng)延時(shí)整定電流Iset1=0.9In=900A

瞬時(shí)整定電流Iset3=10In=10 000A > 2 ×4 443 A=8 886A

啟動(dòng)電流不會(huì)引起饋線開關(guān)跳閘。

6 變壓器的選型

根據(jù)JGJ 16-2008《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.3.3條，本項(xiàng)目制冷站內(nèi)及相關(guān)負(fù)荷為容量較大的季節(jié)性負(fù)荷，可設(shè)置專用變壓器。

最終變壓器容量的確定，既要滿足設(shè)備用電需求，并留有一定余量，又要避免浪費(fèi)。在本工程中，采用兩臺(tái)1 250kVA變壓器為制冷站及相關(guān)設(shè)備供電。

7 結(jié)束語