MNS抽屜式開關柜在羅田泵站中的應用及設計

雷榮斌

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣州 510635)

1 概述

珠江三角洲水資源配置工程[1-2]羅田泵站采用110 kV兩回進線，泵站內110 kV高壓側采用單母線分段接線方式，采用SF6全封閉組合電器(GIS)設備。主變壓器采用2臺型號為SZ13-20000/110變壓器。10 kV側采用單母線分段的接線方式[3-4]，Ⅰ、Ⅱ段母線上各連接2臺電動機組。

羅田泵站裝設機組4臺，3用1備。為滿足水泵的多種運行工況要求，全部泵組都需采用變速調節方式，故羅田泵站設4臺套變頻裝置，與電動機采用一對一配置，且設置了工頻旁路，既可變頻起動、變頻運行，也可工頻定速運行。在特殊情況下，機組也可直接起動。羅田泵站電氣主接線如圖1所示。

2 低壓配電要求及MNS抽屜式開關柜特點

2.1 低壓配電要求

羅田泵站設置兩臺站用變壓器41TA、42TA，分別接在10 kV Ⅰ、Ⅱ段母線上，每臺站用變可滿足全泵站最大負荷用電需要。站用低壓側為單母線分段接線，并設有備用電源自動投入裝置。正常運行時，低壓母線分段運行，41TA、42TA分別帶Ⅰ、Ⅱ段負荷；其中1臺站用變故障或檢修時，備用電源自動投入裝置動作，另1臺站用變帶全站負荷。為保證消防水泵、滲漏排水泵、事故排水泵、UPS、直流電源的可靠供電，泵站設1臺400 kW低壓為0.4 kV柴油發電機組作為事故保安電源。當41TA、42TA失電時，自動投入柴油發電組，給消防水泵、UPS、滲漏排水泵照明等負荷供電。

圖1 羅田泵站電氣主接線示意

低壓配電開關柜柜體結構要求設計緊湊、通用性強、組裝靈活、技術性能好、運行維護方便[5-7]。由于低壓負荷種類繁多、功能各異，采用抽屜式結構不僅能將負荷分類隔開，而且替換方便，其中MNS抽屜式開關柜(也稱MNS低壓抽屜柜)具有設計緊湊、組裝靈活等優點，因此，羅田泵站低壓站用電設計選取MNS抽屜式開關柜柜體結構形式。

2.2 MNS抽屜式開關柜特點

MNS低壓抽屜開關柜采用鋼板制成封閉外殼，進出線回路的電器元件都安裝在可抽出的抽屜中，構成能完成某一類供電任務的功能單元。功能單元與母線或電纜之間，用接地的金屬板或塑料制成的功能板隔開，形成母線、功能單元和電纜3個區域。每個功能單元之間也有隔離措施。抽屜式開關柜有較高的可靠性、安全性和互換性。

MNS低壓抽屜柜為適應電力工業發展的需求，參考國外MNS系列低壓開關柜設計并加以改進開發的高級型低壓開關柜，該產品符合《低壓成套開關設備和控制設備》[8]、《低壓抽出式成套開關設備》[9]等標準，適應各種供電、配電的需要，能廣泛用于發電廠、變電站、工礦企業、大樓賓館、市政建設等各種低壓配電系統。

MNS低壓抽屜柜框架是由模數E=25 mm的“C”型材組裝而成，抽屜回路規格一般分為5種：8E/4、8E/2、8E、16E、24E[10-11]。目前，最新的MNS3.0型低壓抽屜柜還增加了4E、6E、12E、20E規格[12]。為簡化研究對象并適應以往設計習慣，本文主要選取上述前5種標準抽屜規格，同時抽屜載流量按如下條件限制：8E/4抽屜最大載流量為45A；8E/2抽屜最大載流量為63 A；8E抽屜最大載流量為250 A；16E～24E抽屜最大載流量為630 A。抽屜回路一般適用于630 A及以下的饋電出線及小電機回路，設計過程中除了配置正常工作抽屜回路外，還需要配置適當的備用回路，以便正常回路故障后備用回路能夠迅速檢修替換，保障供電。

3 設計方案的優化及實施

3.1 設計方案的優化

由于MNS抽屜回路單元組裝靈活，沒有統一的規則，在對抽屜回路單元進行組盤時需要考慮整個低壓配電盤柜負載平衡、外觀整齊有序、運行檢修方便等因素。并且在項目建設過程中設計人員常需要反復修改，一旦修改就需要重新考慮全盤布局問題。因此，需要優化設計方案并形成組盤策略，以提高設計效率、復用率，還可為計算機程序智能設計提供算法依據。

3.1.1負荷分配

若低壓母線為單母線分段接線形式，需考慮兩段負載平衡，一般先將負荷清單中名稱相同、功能相同的多數量負荷按“Z”型方式分別劃歸至Ⅰ段、Ⅱ段母線。由此分別得到2段母線的累加負載值，然后將剩余負荷按功率由大到小排序，最后，按功率由大到小的順序依次將剩余負荷劃歸至2段母線累加負載值中的較小者，同時更新該段母線累加負載值，重復此步驟直至所有負荷分配完畢。負荷按功率由大到小排序有個好處，就是先將額定功率大的負荷劃分好后，后續額定功率小的負荷將視累加負載值較小的母線填補，兩段母線負載動態平衡，最后一個負荷對母線負載平衡的影響也最小。

若低壓母線為單母線接線形式，則無上述負載平衡的考慮。

3.1.2負荷分類

配電系統設計時根據負荷類型可為電動機和饋線回路，兩者斷路器類型、保護方式、啟動電流都有所區別。若將二者劃分開來，同一區域回路配置相似，元器件差異較小，當正常回路故障時也方便查找和替換備用回路。因電動機回路啟動電流大，機端啟動電壓不能太低，一般將電動機回路更靠近盤柜進線側布局。

除了將負荷類型劃分為電動機和饋線回路外，還可以按專業功能分為主要和次要回路。主要回路與工程運行直接相關、經常操作，次要回路與工程運行不直接相關、不經常操作。若將二者劃分開來，同專業功能的負荷回路劃分在一起，便于功能分區，一般也將主要回路更靠近盤柜進線側布局。

3.1.3抽屜布局策略

負荷分配及分類結束后，將根據負荷特性配置滿足要求的抽屜，如前所述，抽屜回路規格一般分為5種：8E/4、8E/2、8E、16E、24E。抽屜排列布局一般將大規格抽屜布置在底部，小規格抽屜布置在頂部，以此降低檢修操作過程中的安全風險，并且在沒有檢修小車的情況下，底部大規格抽屜也更易于操作人員手動抽出檢修。因此，將抽屜回路按照規格由大到小排序，優先考慮并布局大抽屜回路至柜底，再將小抽屜回路排至柜頂。由于每一面MNS柜抽屜空間為9層×8E=72E，即劃分為9層空間。當所有抽屜中最大抽屜規格為24E時，可配置相同規格為24E的備用回路；當抽屜空間較為緊張時，也宜預留至少8E空間做備用回路。因此，備用抽屜容量約為11.11%～33.33%。

抽屜排列布局方向可分為橫向和縱向排列布局方向。橫向布局策略中，需要先確定好盤柜數，盤柜數按已配線的抽屜容量再結合需求的備用抽屜容量即可得盤柜數。確定好盤柜數后，將按照抽屜規格由大到小，由柜底至柜頂方向依次依層布局抽屜。

縱向布局策略中，無需先確定盤柜數，抽屜將按照規格由大到小，由柜底至柜頂方向依次布局抽屜開關柜，一邊排列一邊動態增加盤柜數。

不同負荷分類下的抽屜排列布局策略可組合出如下8種：① 不對負荷分類，僅按縱向布局的可定義為“全專業全縱排”策略；② 僅對負荷分主、次專業功能分類，且按縱向布局的可定義為“分專業全縱排”策略；③ 僅對負荷分電動機、饋線回路分類，且按縱向布局的可定義為“全專業半縱排”策略；④ 既對負荷分主、次專業功能分類，又對負荷分電動機、饋線回路分類，且按縱向布局的可定義為“分專業半縱排”策略；⑤ 不對負荷分類，僅按橫向布局的可定義為“全專業全橫排”策略；⑥ 僅對負荷分主、次專業功能分類，且按橫向布局的可定義為“分專業全橫排”策略；⑦ 僅對負荷分電動機、饋線回路分類，且按橫向布局的可定義為“全專業半橫排”策略；⑧ 既對負荷分主、次專業功能分類，又對負荷分電動機、饋線回路分類，且按橫向布局的可定義為“分專業半橫排”策略。展現效果如圖2所示。

圖2示例為Ⅰ段母線的低壓出線抽屜柜排布過程，進線回路位于盤柜左側，如有Ⅱ段母線可按此做鏡像排布。示例中主要電機回路包含2個16E、2個8E、12個8E/2抽屜回路；主要饋線回路包含1個16E、4個8E、12個8E/2抽屜回路；次要電機回路包含2個16E、2個8E、12個8E/2抽屜回路；次要饋線回路包含1個16E、4個8E、12個8E/2抽屜回路。備用抽屜容量取33.33%，先不考慮備用抽屜，組裝完畢上述抽屜回路的展現效果示意如圖3所示。該示例展現的為6×8E的抽屜空間，剩余3×8E空間用于添置備用回路。

圖2 8種低壓抽屜組盤策略展現效果1示意

圖3 8種低壓抽屜組盤策略展現效果2示意

3.1.4備用回路添加方式

設計備用回路時應優先與本柜已配置的抽屜回路相匹配，一般每種元器件配置類型的抽屜回路至少需要配置1個相同類型的備用抽屜回路，但若所有已配置的抽屜回路均不相同，備用率將達50%，這樣抽屜利用率不高同時也造成較大浪費，故備用回路應有所取舍。如對于大功率電動機負荷，一般在負荷統計時已考慮熱備用回路，因此，這類負荷可少設置或者不設置備用抽屜回路。對于Ⅰ類重要饋線負荷，一般配置了至少2個電源回路，因此，對這類負荷備用抽屜也可視情況進行取舍。而對于載流量為63A以下的8E/2抽屜，考慮其使用比例相對較高，并有較大概率的擴展需求，因此，可適當多設置此類備用抽屜回路。

3.2 設計方案的實施

羅田泵站低壓站用電設計時，根據各專業提供的負荷清單，統計出105項負荷，結合負荷數量配置出合計148個負荷回路，選型配置得6個16E、38個8E、104個8E/2抽屜回路，共占據816E空間。低壓配電盤采用單母線分段接線形式，抽屜回路按負載平衡原則分配至Ⅰ段、Ⅱ段母線，其中Ⅰ段母線分配了3個16E、19個8E、53個8E/2抽屜回路，Ⅱ段母線分配了3個16E、19個8E、51個8E/2抽屜回路。

應用上述8種組盤策略，在采用4種橫排組盤策略時考慮盡可能高的抽屜利用率，預留至少1層8E空間備用，在采用4種縱排組盤策略考慮盡可能高的備用率，預留至少2層8E空間備用。由于負荷分類中沒有劃分次要專業功能的電動機回路，所以“分專業半縱排”和“分專業半橫排”策略中的該區域移除，實際只劃分3個有效區域。8種組盤策略結果見表1。

表1 羅田泵站8種低壓抽屜組盤策略對比

設計過程中，按習慣選用了縱排方式，考慮到盤柜數量多，需盡可能多劃分區域以便運維管理，且招標階段考慮預留足夠多的備用抽屜回路，故最終采用“分專業半縱排”策略(Ⅰ、Ⅱ段組盤如圖4、圖5所示)。

圖4 低壓站用電Ⅰ段組盤示意

圖5 低壓站用電Ⅱ段組盤示意

4 結語

對比分析8種組盤策略，得出以下結論：

1) 當采用橫排策略時，需要先確定好盤柜數，每面柜的備用率較為均衡。橫排策略配置的每面柜抽屜數量、布置形式、載流量較為統一，每面柜內抽屜種類較多，配置備用抽屜時需進行較大程度比較取舍。

2) 當采用縱排策略時，抽屜按照規格由大到小，由柜底至柜頂方向依次排列布局，相同配置的抽屜回路基本都在一個柜內，配置備用抽屜時較為容易。縱排策略配置的每面柜抽屜數量、布置形式、載流量差別較大。當排列至最后一面柜的小抽屜回路時，會出現已配線的抽屜回路特別少而備用空間特別多的情況。

3) 當同時包含至少3種劃分區域，且每種區域負荷數量都足夠多時，可采用“分專業半縱排”和“分專業半橫排”策略。若采用此2種策略，當某個區域抽屜回路較少甚至沒有時，可移除該區域，將該區域內的抽屜回路并入到其他區域。

4) 當出線總盤柜數量極少，如在3面以下時，可考慮“全專業全橫排”或“全專業全縱排”策略。

5) 出線盤柜劃分區域越多，盤柜數量一般也越多。