淺析變壓器及低壓側出線開關選型、保護設定值

雷平

摘要：根據實際工程需要選用變壓器及低壓開關柜，同時考慮經濟性，合規性。因此在項目設計過程中要考慮變壓器選型，變壓器低壓側出線開關電流的計算、配置，按照長延時、短延時和瞬時保護來選擇進線開關，同時考慮上下極差配合問題。

關鍵詞：變壓器出線開關;框架電路器;長延時、短延時、瞬時保護

1.引言

在不同等級電壓的變電所中，會使用各種與電壓等級相適應的電氣設備，如110kV開關站，110/35kV變壓器，35kV開關柜，35/10kV變壓器，10kV中壓開關柜，10/0.4kV變壓器，低壓開關柜等，這些電氣設備的任務是保證整體電力系統安全、可靠的運行，我們在選擇電氣設備時，必須考慮電力系統在正常運行和故障狀態下的工作情況，根據電氣設備在整個電力系統中所處的地位和任務來確定他們的電氣參數。電氣設備選擇的總體原則是保證安全、可靠工作的前提下，適當的留有裕度，力求在滿足規范的基礎上，盡量在經濟上進行節約，本文將結合工程實例，闡述變壓器及低壓側開關選型與配置合理性。

1.1變壓器的選型

以西里西亞年產3000噸食用液體香精項目設計過程中變壓器選型進行淺談，由于本項目工藝提供的用電設備的負荷等級為三級負荷，并且當地供電部分只提供了一路10kV供電電源。因此為了滿足一級負荷應由雙重電源供電的要求，本項目采用市電作為主要供電電源，柴油機組作為備用電源，當市電失壓或者故障后，要求30秒內自啟動柴油發電機組，為項目內主要用電負荷提供電源，下面著重闡述10/0.4kV變壓器選型，項目內用電負荷見表1.

本項目采用高壓計量低壓補償方式，要求功率因數cosφ≥0.9，無功補償480kvar，故補償后的無功功率Qjs2=560.83kvar，有功功率同時系數=0.92，無功功率同時系數=0.93。

故視在功率Sjs1== 1312.52kVA

根據《工業與民用供配電設計手冊》（第四版）要求變壓器容量應根據計算負荷選擇，變壓器的長期負荷率不宜大于85%，按照75%～85%選擇變壓器是經濟地，安全可靠地，因此本項目變壓器選用干式變壓器，與低壓進線柜并排布置，變壓器容量選用1600kVA 10/0.4kV雙繞組變壓器，聯接組別：dyn11 短路阻抗電壓 6%，變壓器滿負荷負載率為82%。

1.2變壓器低壓側出線端框架斷路器選型

西里西亞年產3000噸食用液體香精項目一期用電負荷經過計算得知視在功率Sjs1=1312.52kVA，因此選用額定容量為1600kVA的干式變壓器，與低壓進線柜并排布置。

1.2.1框架斷路器長延時過負荷保護設定

依據《低壓配電設計規范》（GB50054-2011）第6.3.3條規定：過負荷保護電器的動作特性，應滿足下列公式的要求：

式中In-熔斷器熔體額定電流或斷路器額定電流或整定電流（A）;

Iz-導體允許持續載流量（A）;

I2-保證保護電器可靠動作的電流（A）。當保護電器為斷路器時，I2為約定時間內的約定動作電流，當為熔斷器時，I2為約定時間內的約定熔斷電流，I2由產品標準規定或由制造廠給出。

IB-回路計算電流（A）

Iset1-長延時過電流脫扣器整定電流（A）

當如果按照廠區一期項目正常工作時負荷回路計算電流：

本項目一期工作時低壓開關柜總進線開關選用框架斷路器，額定電流選取In=2500A，長延時電子脫扣器整定電流Iset1 =0.8xIn =2000A設定，滿足IB≤Iset1，電子脫扣器約定動作時間tset1=15秒動作。

1.2.2框架斷路器短延時脫扣器保護設定

在設計時，考慮第二級低壓母線短路時，即電機端母線短路時，電機端上級斷路器脫扣器選用瞬時脫口器保護，瞬時脫口器電流?I set3=1600A，瞬時動作保護時間tset3=0秒，能快速地切斷短路故障點，防止事故發生;總進線開關采用短延時脫扣器保護設定，如果電機上端口斷路器出現故障情況下不能有效地快速地為切斷短路故障點，這是總進線開關應采用定時限短延時保護動作時間tset2=0.3秒來切斷短路故障點，有時時間非常短，同樣能防止事故發生，因此總進線開關設置定時限短延時保護非常有必要性的。

總斷路器采用定時限短延時保護，斷路器電子脫扣器的整定電流應能躲過短時間出現的負荷尖峰電流，即

式中Iset2-定時限過電流脫扣器的整定電流，A;

Kset2-低壓斷路器定時限過電流脫扣器的可靠系數，可取1.2;

IstM1-線路中最大一臺電動機的啟動電流，A;

IC（n-1）-除啟動電流最大的一臺電動機以外的線路計算電流，A。

甲類生產車間內裝機容量624.30kW，其中循環水泵額定功率Pe =70kW，直接啟動方式，計算循環水泵額定計算電流 Ij：

式中Ijs-環水泵額定計算電流，A;

Pe-循環水泵額定功率，kW;

Ue –循環水泵額定工作時線電壓，380V;

cosφ-功率因數，一般取0.8。

由于循環水泵（P-101）采用直接啟動方式，設計按照額定電流7倍率選取啟動電流。所以循環水泵啟動電流IstM1=7.0*132.6=928.2A根據上述公式可以計算短延時保護電流值Iset2：

在設計時也可根據長延時過電流脫扣器整定電流Iset1來確定定時限短延時保護電流值Iset2，根據設計經驗值可以取值：Iset2=Ks* Iset1，其中Ks取值范圍1.5-10之間，Iset1=2000A，因此按照這個公式計算來看：3840A

上兩式中Km（2），Km（1）–分別為兩相短路和單相短路時的靈敏度，一般取1.5;

Id（2），Id（1）– 電動機端部或車間母線上的兩相和單相短路電流（A），根據ETAP計算Id（3）=32.05kA，得

Iset1 –定時限過電流脫扣器的整定電流（A）。

根據斷路器脫扣器整定電流的靈敏度計算結果可知，定時

限短延時保護電流值Iset2=6000A是可行的，因此設計時，定時限短延

時保護動作時間tset2=0.3秒。

1.2.3框架斷路器瞬時脫扣器設定

在設計時，考慮第一級低壓母線短路時，總進線開關采取反時限瞬時保護，瞬時切斷短路故障點，有效地嚴防二次事故發生。

總進線開關電子脫扣器的瞬時過流脫扣器的整定電流，應能躲過配電線路的尖峰電流，即Iset3≥Kset3 *[IstM2+ IC（n-1）]

式中Iset3-總進線開關瞬時脫扣電流整定值，A;

Kset3-低壓斷路器瞬時脫扣的可靠系數，考慮電動機啟動電流誤差、負荷計算誤差和開關瞬時動作電流誤差，可取1.2;

IstM2-線路中啟動電流最大一臺電動機的全啟動電流，A。它包括周期分量和非周期分量，其值為電動機啟動電流IstM1的1.7倍，其中1.7是計入了非周期分量因素。

IC（n-1）-除啟動電流最大的一臺電動機以外的線路計算電流，A。

選擇型自動開關瞬時脫扣電流整定值Iset3，不僅要躲過被保護線路正常的尖峰電流，而且要滿足被保護線路各級極差配合靈動性要求，即大于或等于下一級開關瞬時動作電流整定值的1.2倍，還需要躲過下一級開關所需要保護線路故障時短路電流。

如果非選擇型自動開關瞬時脫扣電流整定值，只要躲過回路的尖峰電流即可，而且應盡可能整定的小一些，本項目設計過程中選用的是選擇型開關瞬時脫扣電流，因此可以得出：

在設計時需要驗證一下取值是否合理，下級斷路器最大選用框架式斷路器630A，其瞬時脫扣器電流選型Iset3B=6300A，那么總進線開關電子脫扣器瞬時脫扣電流：

結合上兩式計算，可以選取Iset3=9600A比較合適，瞬時脫扣器動作時間設定為tset3=0秒，設定完參數后需要校驗一下電子脫扣器瞬時脫扣電流選值是否合理，需要通過主母線發生單相接地、兩相短路及三相短路情況下驗證。

（1）當主母線發生單相接地時，Id（1）=16.03kA，斷路器瞬時脫扣電流Iset3=9600A≤Id（1）可以瞬時脫扣，防止事故發生;

（2）當主母線發生兩相短路時，Id（2）=27.76kA，斷路器瞬時脫扣電流Iset3=9600A≤Id（2）可以瞬時脫扣，防止事故發生;

（3）當主母線發生最嚴重三相短路時，Id（3）=32.05kA，斷路器瞬時脫扣電流Iset3=9600A≤Id（3）可以瞬時脫扣，防止最嚴重事故發生。

1.3總結篇

在石油化工企業工廠設計過程中，作為設計者應該合理選擇變壓器容量，既能滿足設計負荷需求，還要考慮預期負荷需求;同時考慮節約初期投入成本，運行時經濟效益等。

合理選定滿足使用要求的變壓器后，首先根據設計用電負荷，以及預期負荷，合理選擇進線總開關，即框架斷路器框架（ACB）斷路器殼體電流;然后選擇電子脫扣器，已經負荷計算設定長延時參數、短延時、和瞬時脫扣電流的設定;接下來校驗靈敏度來檢驗設定參數合理性，最后根據ETAP軟件校驗一下上下極差配合協調性是否滿足要求。

參考文獻：

[1]《鋼鐵企業電力設計手冊》 冶金工業出版社

[2]《工業與民用供配電設計手冊》 第四版 中國電力出版社

[3]《低壓配電設計規范》 GB50054-2011 中國計劃出版社

[4]《中小型變電所實用設計手冊》中國水利水電出版社

[5]《電力工程電氣設計手冊》中國電力出版社