長距離低壓水泵配電設計探討

王 義，杜永幫

(深圳市市政設計研究院有限公司，深圳518029)

0 引言

由于某些工程項目特殊性，一些用電設備距離低壓配電中心較遠，給配電造成一定困難。 本文結合工程實際， 以綜合管廊排水用潛水泵配電設計為例，探討分析長距離低壓配電設計一些關鍵問題。

1 工程案例

某市軌道交通共建管廊工程，管廊總長度約40km，一部分采用明挖法，大部分采用暗挖法的盾構型式。 入廊管線有給水、再生水、污水、燃氣、電力、通訊等。 盾構管廊每隔1～1.6km 設置一座綜合井。 盾構管廊最大埋深達40m，綜合艙內有1.2 ～1.8m 直徑不等的給水干管。 由于給水管道在始發綜合井內突然下沉較深，水錘現象嚴重，為防止水錘產生的爆管淹沒管廊，在給水管道爆管時，關閉綜合井內管道兩端檢修閥，同時打開排泥放空閥，并按照水務部門要求，在4h 內排空管廊事故水，相應設置的潛水泵功率較大，配電距離較遠。

在兩個綜合井之間最低點設置泵坑，潛水泵功率為75kW，距離綜合井內變配電所500m。 潛水泵電動機主要參數如表1。

潛水泵主要參數表 表1

供配電系統設計為在每座綜合井內設置10/0.4kV 降壓變配電所，為綜合井內及兩端半個區間負荷配電；變電所設置一臺SCB13- 10/0.4kV，630kVA，D，yn11 (Uk＝4%)變壓器，低壓母線TMY-4 (80×8)＋1 (50×5)，母線長5m，系統短路容量Sd＝200MVA；變壓器低壓側采用單母線接線方式，接地形式為TN-S 系統。

2 電動機起動方式

電動機起動目前主要有以下幾種常用方式，各個起動方式技術經濟比較優缺點如下。

(1)直接起動:優點是不需要增加輔助起動設備，減少了投資。 缺點是75kW 電機起動電流較大，一般是額定電流的7 倍，對電網沖擊較大。 對于容量較大電機，一般不予采用。

(2)Y-Δ 降壓起動:優點是價格便宜， 缺點是起動力矩小，僅適用于無載或輕載起動。 起動電流是直接啟動電流的1/3，自動化水平低。

(3)軟啟動器起動:優點是可以設置啟動時間和起動初始力矩對設備實現軟啟動與軟停止，自動化水平較高，市政行業使用廣泛。 缺點是不具備調速功能，起動電流2 倍左右，價格稍高。

(4)變頻器起動:根據設定時間平滑啟動，起動電流倍數可低至1 倍，一般為1.2 ～1.5 倍，自動化水平高，能實現電機全程控制，市政行業使用廣泛。缺點是價格較高。

3 配電方案

配電方案的選擇除了考慮電動機起動方式外，還要考慮以下幾個主要因素:(1)線路末端電壓降；(2)開關動作靈敏度；(3)電纜載流量。

3.1 常規方式(線路上不設置任何改變電壓的裝置)

3.1.1 線路末端電壓降校驗

由于配電距離較長，要對線路末端電壓降進行校驗，按照規范要求潛水泵電機兩端電壓降應不大于5%。 線路電壓降計算公式為:

則ΔUa%≤ΔU%/IL，其中，ΔU%＝5%，回路計算電流:I＝135.3A，L ＝500m＝0.5km，帶入上式得ΔUa%≤0.074。 查參考文獻，配電電纜選擇交聯聚乙烯絕緣聚氯乙烯護套電力電纜，最小截面為185mm2，功率因數cosφ ＝0.9，ΔUa%＝0.064。 潛水泵電機兩端電壓降:ΔU%＝0.064×135.3×0.5 ＝4.33%≤(允許值)5%，滿足電壓降要求。

電纜按照環境和溫度系數綜合校正后的載流量，要大于供電電纜起始端斷路器脫扣器長延時整定電流值。 回路計算電流值為135.3A，故變電所處潛水泵回路斷路器脫扣器長延時整定電流為160A，選用交聯聚乙烯絕緣聚氯乙烯護套銅芯電力電纜YJV-0.6/1kV-3×185＋1×95mm2，校正后電纜載流量為303A，滿足載流量要求。

3.1.2 開關動作靈敏度校驗

潛水泵配電線路保護有過載保護、短路保護及接地故障保護。 短路包括三相短路、兩相短路、相中短路及單相接地短路故障。 其中單相短路接地故障電流最小，開關整定值范圍內不容易動作。 故本文只校驗單相接地故障情況下開關動作靈敏度。其他短路情況校驗方法類似。

圖1 線路末端單相接地故障等效電路簡圖

單相接地故障電流要按照“相-保回路”進行計算。 當線路最末端發生單相接地故障(如圖1 中k1) 時，該相-保回路中，主要有高壓系統、變壓器、低壓母線、低壓電纜四種阻抗元件，單相接地故障電流為:

式中，Zphp為回路總阻抗，Rphp為回路各元件相保電阻之和，即Rphp＝Rphp.s＋Rphp.t＋Rphp.m＋Rphp.l；Xphp為回路各元件相保電抗之和，即Xphp＝Xphp.s＋Xphp.t＋Xphp.m＋Xphp.l。 其中的Rphp.s、Rphp.t、Rphp.m、Rphp.l，分別為前述的高壓系統、變壓器、低壓母線、低壓電纜之相保電阻(Xphp含義類此， 不重述)。 查參考文獻，就本工程實例進行相關計算可得:

從上面壓降計算結果得知，潛水泵回路計算電流I＝135.3A，Ir1＝160A。 斷路器動作靈敏度為:

其中，Ir1為斷路器脫扣器長延時整定電流值；Ir2為斷路器短路過電流脫扣器的整定電流值；Kr為斷路器過電流脫扣器整定倍數。 代入上面公式(3)，得Kr≤934/(1.3×160)＝4.5 倍。 因此，斷路器過電流脫扣器整定值≤4.5 倍長延時整定電流，才能滿足單相接地故障情況下，斷路器靈敏動作。

3.1.3 不同起動方式下配電電纜選擇及開關整定

電機在不同起動方式下，電纜截面的選擇除滿足載流量大于回路計算電流外，還要滿足正常運行情況下末端電壓降要求。 斷路器保護整定分為過載長延時電流整定、短路短延時過流整定及短路瞬時過流整定。 過載長延時電流整定值按脫扣器電流不小于回路計算電流1.05 倍整定，且不大于電纜載流量；短延時或瞬時過流整定值應按單相接地故障靈敏度計算值確定。 其中，短延時過流整定值尚應不小于起動電流1.8 倍，瞬時過電整定值尚應不小于起動電流2.2 倍。 常規方式時，不同起動方式下電纜和開關整定見表2。

不同起動方式下電纜和開關整定 表2

3.2 線路末端設置穩壓器

穩壓器一般由調壓電路、控制電路、銅芯線圈調壓柱、穩壓補償線圈及伺服電機等組成。 當輸入電壓或負載變化時，控制電路進行取樣、比較、放大，然后驅動伺服電機轉動，使調壓器碳刷位置改變，通過自動調整線圈匝數比，從而保持輸出電壓的穩定。 容量較大的穩壓器，還采用電壓補償的原理工作；同時穩壓器還具有過壓、欠壓、過載、過流、短路、缺相、相序保護及機械故障等保護功能，配備多種智能接口，可實現遠程“遙信、遙測、遙控”。 例如某產品穩壓器(工作原理圖參見圖2)輸入電壓在304～456V 時，輸出電壓穩定在380V±2%～5%。 補償式穩壓器可廣泛使用于工礦企業或遠距離末端電壓低的配電場所，全自動補償升壓穩壓。 當電網電壓不穩或電壓波動較大時穩壓器可以全自動調節穩壓器電壓，穩定末端電壓為合理值。

穩壓器容量一般根據設備電機瞬時啟動電流選擇。 通常為設備容量的2.5 ～3 倍，并留有一定的余量。

通過常規方式計算結果得知，直接按照電壓降選擇電纜截面較大，很不經濟。 可以考慮在線路末端設置價格不高的穩壓器來提高線路末端電壓的方式，達到滿足設備末端壓降的要求，使電纜截面的選擇僅考慮載流量和開關動作靈敏度即可。 不僅減小了電纜截面、節約有色金屬，還節約投資，提高性價比。

圖2 某廠補償式穩壓器工作原理圖

3.2.1 按照電纜載流量選擇

加裝穩壓器后，末端線路電壓提升則不需考慮壓降影響，按照斷路器長延時整定電流和電纜載流量選擇電纜截面。 查參考文獻，選擇最小電纜截面，交聯聚乙烯絕緣聚氯乙烯護套銅芯電纜YJV-0.6/1kV-3×95 ＋1×50mm2，校正后電纜載流量為202A，滿足載流量要求。

3.2.2 開關動作靈敏度校驗

穩壓器的阻抗參照 SCB10 - 10/0.4kV，250kVA，D，yn11 (Uk＝4%)變壓器考慮，穩壓器Rphp.w＝6.17mΩ，Xphp.w＝24.85mΩ。 回路總相保電阻Rphp＝410.71mΩ，總相保電抗Xphp＝130.12mΩ。 Ik＝511A，Kr≤511/(1.3×160)＝2.45 倍。 因此，斷路器過電流脫扣器整定值不大于2.45 倍長延時整定電流，才能滿足單相接地故障情況下斷路器靈敏動作。

3.2.3 不同起動方式下配電電纜選擇及開關整定

通過以上計算，線路末端設置穩壓器時，不同起動方式下電纜和開關整定見表3。

表3 不同起動方式下電纜和開關整定

3.3 驗證不同電纜截面對單相接地故障電流影響

為便于比較，以配電電纜YJV-0.6/1kV-3×95＋1×50mm2為例，把上述工程實例中電纜分別換用YJV-0.6/1kV-4×95mm2、YJV-0.6/1kV-3×120 ＋1×70mm2、YJV-0.6/1kV-4×120 mm2等不同截面電纜，可求得不同情況下單相接地故障電流(增減百分比均以原YJV-0.6/1kV-3×95＋1×50mm2為比較基準)，見表4。

不同電纜截面時單相接地故障電流 表4

可以看出:(1)當配電線路較長時， 回路阻抗較大， 末端單相短路電流數值較小， 不利于線路前端短路保護電器動作。 這也是長距離配電設計中值得關注的首要問題。 (2)加大導線截面(尤其是PE線截面)， 可以顯著增大單相接地故障電流，是提高開關動作靈敏度的首選措施。

綜上所述，通過公式(1)(2)(3)得知，線路壓降和開關動作靈敏度與配電電纜截面和配電距離有直接關系。 而如果配電距離不變，則電纜截面大小是決定性因素。 從以上計算結果得知，要滿足電壓降要求，就要選擇比較大的電纜截面，但為了保證經濟性，可以考慮在末端設置穩壓器，可以滿足設備電機兩端電壓降要求，消除因滿足電壓降而導致電纜截面急劇增大的影響，還能提高綜合性價比。

4 結束語

(1)末端設備功率較大時，要采用合適的起動裝置改善設備起動電流。

(2)長距離配電線路， 必須充分重視末端電壓降及短路情況下開關動作靈敏度的校驗。 采用低壓斷路器時， 短路開關動作靈敏度與斷路器短路過電流脫扣器整定倍數及電纜截面密切相關。

(3)長距離配電線路，對于較大功率設備采用穩壓器是改善末端設備電壓降首選。

(4)采用TN 系統時，提高系統故障防護靈敏性的措施有:1)采用D，yn11 變壓器；2)合理降低斷路器脫扣器整定倍數，采用帶短延時過流脫扣器的斷路器；3)采用剩余電流保護器；4)適當加大相導體、中性線N 和PE 線截面；5)適當減小回路正常運行電流。

(5)本文所列算法同樣適用于其他類型負荷長距離低壓配電驗算。