化工配電系統的綜合設計

孟曙光，董云梅

(山東濱化集團股份有限公司，山東 濱州 256619)

隨著氯堿行業的迅速發展，企業的規模日益擴大，特別是新建企業，離子膜法燒堿由最初的企業生產能力2萬t/a發展到幾十萬t/a甚至上百萬t/a，相應的下游產品鏈亦不斷延伸，而使企業的供配電系統日益龐大,迫切要求提高供配電系統可靠穩定性。結合山東濱化集團股份有限公司(以下簡稱“山東濱化”)25萬t/a燒堿裝置及其配套產品的項目設計及建設，簡述山東濱化配電系統的設計的特點。

1 供配電系統的組成

山東濱化新上25萬t/a離子膜裝置及配套產品裝置共7套，總用電負荷為90 MW。采用110 kV/35 kV，一路為動力負荷引至山東濱化變電站，另一路為整流負荷直接引入整流配電；動力負荷經兩臺主變35 kV/10 kV 供各套裝置10 kV配電系統。10 kV系統、0.4 kV系統均采用雙回路供電，一回路失電自動切換另一回路供電；35 kV線路各引一備用線路至整流配電與變電站。這種供電方式的優點保證了各裝置的可靠供電，同時在任何一級系統出現比較大的故障時可迅速恢復生產，避免大宗原料的浪費。配電網絡如圖1所示。

2 繼電保護定值的整定

企業供電系統的特點為：負荷集中，線路短，上下級阻抗差值小，在進行短路電流計算時上下級短路電流差值較小，保護定值不宜整定。這種特點按常規的定值設定時在線路終端短路時極有可能造成越級跳閘，而導致多套裝置停車。根據繼電保護的設定要求——選擇性、速動性、靈敏性和可靠性，對于4者不可能全部做到，應根據系統的容量、設備的選型、線纜的選型及易發故障點綜合考慮決定主次之分。

2.1 采用的保護方式

(1)35 kV進線采用的保護方式為：復合電壓啟動的速斷保護、過流保護(0.3 s)；供電部門的出線斷路器的保護方式為：速斷、過流、零序保護。

(2)35 kV變壓器采用的保護方式為：差動保護、速斷保護、過流保護(0.5 s)。

(3)10 kV出線保護為：過流保護(0.3 s)。

圖1 配電系統綜合設計圖

Fig.1 Design diagram of power distribution system

(4)各裝置10 kV進線保護：復合電壓啟動的速斷保護，過流保護。

(5)10 kV變壓器(干式變壓器)：過溫報警、高溫報警(非跳閘)、過流、速斷、失流失壓保護(為避免晃電的影響，電流降到額定電流的10%、電壓降到0.7Ue時，延時2 s跳閘)。

(6)10 kV高壓電動機：過流、速斷、失流失壓保護(為避免晃電影響，當電流降到額定電流的10%、電壓降到0.7Ue時，延時2 s跳閘)。

(7)備自投開關的邏輯設定：聯絡開關判斷Ⅰ、Ⅱ段電壓及1#、2#進線開關的狀態；若Ⅰ段失壓、Ⅱ段有壓，1#、2#開關在閉合位置(由此判斷為上級跳閘，本段無故障信息無保護動作)，跳1#進線，1 s后合聯絡開關(變電站10 kV聯絡開關為1 s、各裝置區10 kV聯絡開關為2 s)。聯絡開關不設任何保護。

2.2 保護效果

(1)供電部門的出線斷路器采用零序保護，防止了由于電纜故障引發火災時對相鄰電纜的損壞。

(2)10 kV、35 kV進線保護采用了復合電壓啟動的速斷保護與過流保護。用失壓判斷柜內母排短路加短路電流的保護方式減少了下級故障引起越級跳閘的可能，用過流保護延時0.3 s作為本級及下一級的速斷后備保護。

(3)10 kV出線保護僅采用了過流保護，由于10 kV出線電纜采用的是YJLV-26/35 kV-1×300 mm2，電壓等級為35 kV，基本排除了由于電纜故障引發的線路短路，即使線路短路延時0.3 s跳閘，對于線纜的熱穩定性亦能滿足要求；該保護只是作為下一級的后備保護。

(4)10 kV變壓器保護裝置的負荷比較穩定，在設備選型時按60%變壓器的容量選型，不可能造成過負荷，也不可能由于過負荷引起溫度超高；取消了超高溫跳閘信號改為報警信號，若因變壓器故障引發的超高溫會使速斷或過負荷動作；失壓保護采用了失流失壓保護，主要是避免電網“晃電”的影響，在電網晃電期間不讓變壓器跳閘，只有當上級跳閘完全失電才導致失壓跳閘；也是抗“晃電”的設計。

(5)10 kV高壓電動機的保護：電動機線圈的溫度引入DCS進行監控，實時監測電動機繞組溫度，對于過溫的保護信號也同樣去除；在失壓保護的設置上同樣采用變壓器失流、失壓保護。主要是考慮離子膜系統透平機的運行狀態直接參與工藝連鎖，停運可導致全廠停車，影響非常大。

(6)備自投的邏輯設計主要保證上級跳閘時才斷開進線開關，閉合聯絡開關，防止電源的返送，同時上下級投入的級差為1 s。

3 設備選型及采取的措施

(1)針對35 kV電纜易發故障采取以下措施：在35 kV供電系統備用一路電纜作為冷備用，電纜發生故障時可迅速切換至備用電纜供電。

(2)整流供電電纜受過電壓的概率很高，如操作過電壓、大氣過電壓、晶閘管的換相過電壓、過長線路容易在屏蔽層形成環流產生較高的電壓(單芯電纜不允許兩段同時接地)等的應對措施：①35 kV線路及所有自變電站10 kV出線回路均選用YJLV-26/35 kV-1×300 mm2，動力線路長度為400 m，整流線路長度為900 m，載流量按1 A/mm2設計，電纜的載流量余量大，降低電纜運行溫升，同時滿足短路時的熱穩定要求。②在線路終端采用加裝電纜護層保護箱，當屏蔽層對地電壓超過3 kV保護器動作，保護電纜護層不受擊穿破損。③電纜橋架選用鍍鋅橋架，每一節橋架可靠連接并接地。④35 kV出線回路采用零序電流接地跳閘保護。⑤電纜終端采用3 M產品(應力管在電纜終端頭中起著至關重要的作用，電纜頭的著火多在應力管部位發生故障，其中有制作方面的原因也有材料方面的原因，國內的應力管多因介電常數及體積電阻率在制作時存在偏差不能使電場分布均勻而導致擊穿)，山東濱化電纜終端均有3 M廠家現場制作。⑥變電站10 kV系統采用小電流選線及消弧消湝裝置，可準確快速判斷接地故障。⑦0.4 kV低壓總盤出線開關開斷能力按1.8倍低壓側母線短路設計選型。⑧10 kV及0.4 kV柜內母排全部套10 kV熱縮套管，其中10 kV為雙層熱縮套管。

(3)電氣設備能否可靠運行主要取決于本身的絕緣性能，而造成設備絕緣降低的因素如下：①設備過負荷或線纜載流量較高造成過溫，長期過溫導致絕緣破壞或壽命達不到設計使用壽命。②設備本身的絕緣材質，通常設備制造時本身的材質不好改變，可通過加強外絕緣，如：10 kV柜內母排，在滿足相間距離的同時采用雙熱縮套管絕緣，避免過電壓造成的相間及相對地的拉弧放電。③材料的選擇上在價格相差不大的情況下采用高一電壓等級的材質，對保證供電的可靠性起到了很大積極作用。如：10 kV電源出線采用35 kV電壓等級的電纜同時載流量按1 A/mm2選型，變壓器的低壓出線(0.4 kV)絕緣子均采用10 kV電壓等級。④山東濱化的項目建設期在2008年前后，正是材料價格高峰期，經過慎重考慮在35 mm2及以上電纜(除1級防爆區)均采用鋁電纜，采取了以鋁代銅的選型，在電纜終端的密封上采取了一些措施防止接線端子的氧化。電纜的費用為該項目節省資金約6 000萬元(當時相同截面積的銅電纜約為鋁電纜價格的6倍)。

4 防晃電的設計

電力系統在運行過程中，由于雷擊、對地短路、故障重合閘、備自投、企業外部、內部的電網故障、大型設備起動等原因造成電網故障、造成電壓瞬間較大幅度波動或者短時斷電又恢復的現象稱為“晃電”，晃電時間約在0.3 s內消除。高壓的防晃電設計已在前面敘述，下面主要介紹山東濱化的低壓方面的防晃電設計。

4.1 變頻器的防晃電設計措施

山東濱化采用的變頻器大多數為流量控制，無重載啟動負荷，根據ABB變頻器(ACS550)介紹如下。

(1)對變頻器group31 自動復位功能進行如下設置:參數3101 復位次數 3次，復位時間為 3 s；參數3103 延時時間1 s；參數3106 欠壓復位 1(允許自動復位)；參數3108外部故障復位 1(允許自動復位)。

(2)對變頻器的外圍控制的設計：根據工藝要求變頻器需要在現場進行啟停，需要自保持的接觸器或控制繼電器對變頻器起停進行控制，接觸器或中間繼電器選用帶阻尼延時的輔助觸電，延時時間0.5 s。

4.2 低壓控制回路的設計

根據工藝要求對于重要設備設計防晃電功能。在設計時盡量減少外圍控制元件的數量，提高自身運行的可靠性，防止外圍元器件故障導致的停車。

該設備的特點為：

(1)啟動次數較少，在開車時進行主備切換或為單機運行。

(2)在設計時選用了NS250HSTR22ME220 3PFFC+MCHMN (75 W電動機)。

該產品的特點是：帶電動操作機構可遠程控制；帶MN延時失壓模塊，延時時間約0.2 s。該空氣開關帶電動機保護模塊，控制回路與主回路非常簡單，無須單獨設接觸器與熱保護。該產品有效消除了晃電的影響。

晃電時間雖短，但對連續生產中要求大量設備在工藝流程上不允許電動機跳閘停機的企業是災難性的，特別是化工行業，輕者幾十萬元、上千萬元經濟損失，嚴重的還會發生火災、爆炸乃至人身安全，對企業來講真是災難的幾秒鐘，在控制回路設計時必須引起足夠的重視。