10kV循環水泵配電方案設計及保護定值解析

摘要：主要介紹了先尼科化工（上海）有限公司循環水系統改造項目涉及10 kV高壓電機控制柜的配電方案設計、電流保護定值計算、設備安裝及調試的全過程。該項目安裝了兩臺10 kV循環水泵，功率都為355 kW，在設備開機及交接調試過程中遇到了一些技術方面的問題，通過認真解析并調整電流保護整定值，解決了高壓電機啟動失敗故障。

關鍵詞：10 kV電機;10 kV開關柜;保護測控裝置

0? ? 引言

本次工程在先尼科化工（上海）有限公司泰興分公司（以下簡稱“我司”）循環水系統上安裝兩臺10 kV循環水泵，功率都為355 kW，目的是解決當前在循環水系統中有多臺大功率低壓循環水泵在啟泵過程中產生大電流，對我司現有供電網絡產生很大影響的問題。另外，現有的大功率低壓電機達不到三級能效，通過此次改造，更換為二級能效的高壓電機，節約能耗。

1? ? 工程背景概況及任務目標

2019年8月，工廠對422循環水系統的水泵進行改造，增加兩臺10 kV循環水泵，分別為M1/M2，一用一備，額定工作電壓Ue=10 kV，額定功率P=355 kW，用于工廠車間裝置冷卻循環水。為滿足供電需求，在生產區外圍新增設一座配電室，設10 kV配電柜一組，10 kV電源從410高壓配電室新上間隔引來。主要工作任務：（1）供電一次方案設計、配電設備選型、主要技術參數核定。（2）配電設備保護定值的計算。（3）配電設備調試。

2? ? 方案解析

本方案主要配電設備為開關柜，依據國內10 kV主流配電產品KYN28A-12型開關柜典型方案組合設計方案，產品執行標準《3.6 kV～40.5 kV交流金屬封閉開關設備和控制設備》（GB 3906—2006），完成主體方案和關鍵元器件的主要參數確定，詳細參數交由供貨廠家依據標準確定。

2.1? ? 總體配電設備配置方案

設1臺10 kV總柜與中心配電室出線柜，采用電纜連接引入10 kV用電。3臺高壓電機的出線柜，其中2臺與新增水泵采用電纜連接，2臺電機出線柜二合一，采用電氣和機械聯鎖，1臺為備用出線柜，為后期擴容準備;一臺PT柜提供10 kV測量電壓和保護電壓;1臺DC220 V/40 Ah直流屏，用于操作電源，共新增5臺配電柜和1臺直流屏。由于中心配電室設有備用電容器柜，設計為自動補償，補償容量為0～400 kvar，若啟用此補償柜，依據運行條件可滿足新增電機補償需求容量，本次設計不做考慮。

2.2? ? 主要參數和元器件額定參數選擇

2.2.1? ? 電流計算

本次新增實際總負荷P=355 kW，為后期擴容再預留1臺355 kW電機容量，按總功率P=710 kW，取運行最低功率因數cos φ=0.81。額定電流Ie=（P/U）/cos φ=50.60 A，考慮可靠系數Krel=1.3?？偣竦脑O計額定運行最大電流Iemax1=1.3Ie=65.78 A。出線柜的設計額定運行最大電流Iemax2=1.3Ie/2=32.89 A。額定短時最大運行電流為兩臺電機同啟狀態，啟動倍率取n=10，Imax=n×Ie=506 A。

2.2.2? ? 主要元器件選型依據

（1）電流互感器：電流互感器總柜倍比為75/5，出線柜倍比為40/5，考慮計量、測量、保護三功能，繞組選擇0.2/0.5/10P10。

（2）進線真空斷路器：選擇施耐德HVX-12型，額定電流630 A，可充分滿足進線電流要求，分斷能力依據上級供電線路選擇25 kA。

（3）出線開關選擇：循環水泵開啟后一個工作周期無特別狀況不停機，無頻繁操作，故排除FC回路的選擇，選擇配置真空斷路器。

（4）進線柜設線路保護測控裝置。

（5）電壓互感器配置Y/△（開口）形式，選擇JDZ9-10 10/

0.1/3，數量3只，容量設計為30 VA/50 VA。

3? ? 配電設備保護定值的計算

3.1? ? 進線柜保護定值

3.1.1? ? 速斷值

按躲過同啟電機的最大啟動電流總和計算，計算公式為：

式中：Krel為可靠系數，取值為1.5;Km為電動機啟動最大電流倍數（取值范圍為8～10之間）;In為二次額定電流;Ie為額定電流;nTA為電流互感器變比。

45.6 A;速斷動作時間：T1dz1=0 s。

3.1.2? ? 過流Ⅱ段

定時限過流保護動作電流整定值計算公式為：

式中：Krel為可靠系數，取值為1.3;Kast為電機自啟動系數，取值為6。

定時限電流保護動作時間：T1dz2=0.4 s。

3.1.3? ? 過流Ⅲ段

按躲過所有負荷額定運行電流總和計算，計算公式為：

3.2? ? 出線柜保護定值

3.2.1? ? 速斷保護

3.2.1.1? ? 速斷值

按躲過電動機最大起動電流計算，計算公式為：

3.2.1.2? ? 過流Ⅱ段（堵轉、定時限電流保護）

定時限過流保護動作電流整定值計算公式為：

式中：Krel為可靠系數，取值為1.3;Kast為電機自啟動系數，取值為6。

定時限電流保護動作時間：T1dz2=0.4 s。

3.2.1.3? ? 過流Ⅲ段（啟動時間過長保護）

堵轉保護是按照躲過電機額定電流進行計算的，動作時間大于啟動時間設置，其計算公式為：

堵轉保護整定時間推薦為：

式中：Tstmax為電機實測最長啟動時間，取12 s。

3.2.2? ? 負序過電流保護

3.2.2.1? ? 負序Ⅰ段過電流保護

負序Ⅰ段動作電流計算公式為：

動作時間取T2dz1=（0.5～3）s，一般整定為1 s（根據現場情況定）。

3.2.2.2? ? 負序Ⅱ段過電流保護

負序Ⅱ段動作電流計算公式為：

通常取I2dz2=0.35In=0.35×3.44≈1.20 A。

動作時間取T2dz2=（10～25）s。

3.2.3? ? 過負荷保護（本段一般動作于告警）

按照躲過電動機額定電流整定，計算公式為：

式中：Kk為可靠系數，取1.05～1.1;Kf為返回系數，取0.9。

動作時間取Tgfh=15 s。

3.2.4? ? 零序保護

按躲過電動機啟動不平衡電流整定及電纜容流計算，計算公式為：

式中：Krel為可靠系數，取2.0;Ta0=40/5=8。

經查100 m 10 kV/95 mm2電纜運行電容電流=1.095 A/km，I0dz=2×0.109 5/8≈0.027 4 A。實際容流較小，因此為躲避不平衡零漂，取值I0dz=0.4 A;動作時間取T0dz=1 s。

4? ? 設備調試及問題排除

4.1? ? 設備調試

（1）設備安裝完成后進行調試。合上總柜，各項參數指示正常。打開1號水泵閥門，合1號水泵開關，電機啟動，啟動電流陡升緩降，有輕微抖幅;8 s，顯示一次電流34.16 A;12 s，電流趨于平穩，顯示一次電流24.11 A，檢測二次電流2.95 A。檢查水泵出水正常，5 min顯示一次電流22.5 A，二次電流2.81 A，多次測量偏差較小，水泵運行正常。

（2）15 min后，停1號水泵，約60 min，再次啟泵重復檢測，工作平穩，數據記錄偏差較小。

（3）30 min后，停1號水泵，將1號水泵開關退出到試驗位置，1號水泵關閥，2號水泵開閥就位，將2號水泵開關投入到工作位置。

（4）合2號水泵開關，電機啟動，啟動電流陡升陡降，電流有抖幅但幅度不大;8 s后有陡增，顯示一次電流54.5 A，檢測二次電流6.75 A;15 s開關跳閘動作，綜合保護器顯示過流故障，動作電流4.95 A。

4.2? ? 問題分析及處理

（1）檢查發現泵內水壓有差距，2號泵距離上次啟動時間最長，本次啟動初始階段顯示水壓為0，檢查閥門沒有堵塞現象，依此判斷2號泵在經歷輕載啟動后接下階段負載情況。啟動過程經歷15 s，動作電流接近臨界值，判定為輕載轉重載，一次啟動時間較長，給定的啟動時間偏小，電機參數規定為不大于25 s，故確定過流Ⅲ段設定的啟動時間Kgl值偏小。

（2）為防止投運后備用泵再次出現輕載轉負載，引發一次啟動失敗現象，決定將保護定值的過流Ⅲ段做調整。因水泵啟動保護電流在臨界點，電流整定I1dz3=4.82 A，過流值計算相對準確，故不做調整，判定將計算數據中Kgl取1.2偏小，試取1.5，計算式為T1dz3=1.5×12=18 s，確認輸入。

5? ? 結語

本文詳細闡述了兩臺高壓電機及配套配電方案設計、選型、采購、安裝及調試的全過程，針對調試過程中遇到的技術問題，本文提出了有效的解決方案，排除了故障，設備各項運行參數達到了方案最初的設計要求，項目實施非常成功，這也為先尼科化工（上海）有限公司泰興分公司二期循環水裝置建設提供了寶貴的經驗。

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[3] 3.6 kV～40.5 kV交流金屬封閉開關設備和控制設備：GB 3906—2006[S].

收稿日期：2020-06-02

作者簡介：於偉（1977—），男，上海人，高級工程師，研究方向：電氣和儀表自動化。