浅论水电工程厂用及船闸用电设计优化

2018-07-03刘慧琳

水电站设计 2018年2期

刘慧琳

(中国能源建设集团广西电力设计研究院有限公司，广西南宁 530007)

0 前言

近几年，笔者参与设计建设了几个国内外大中型水电站，其中包括装机8×57 MW低水头贯流式机组的桥巩水电站，装机3×16 MW的越南占化水电站、装机2×44 MW高水头冲击式机组的老挝HLG水电站、装机2×22.5+2×18 MW的都柳江大融、从江航电枢纽。通过对上述几个不同类型水电站的厂用及船闸用电设计经验分析，总结了对厂用及船闸用电规划，厂用电电压及中性点接地、配电母线，厂用电低压电器设备及电缆导体选择部分内容的一些优化设计，供同类工程借鉴。

1 厂用及船闸用电规划设计

水电站厂用及船闸用电设计之初，收集厂用电负荷、按照设备系统及分布位置拟定厂用电接线、规划好变压器、主分屏的数量，在接线图基础上再设计招标、施工详图。主屏指400 V配电主屏；分屏包括：机组辅机控制柜、全厂公用设备控制柜、配电柜、磁力启动器(内装接触器及热继电器)、按钮箱等。电站的风机数量很多，且有与消防联动要求。若采用每台风机旁设一个磁力启动器的方案，磁力启动器由于尺寸较小，增加接点不易，配消防联动线也较困难。若采用配电及控制设备集中统一放置一个柜内，每台风机再配一个现地按钮箱进行现地操作的方案，电控箱尺寸较大，布置过多的电控箱则会影响美观。综合考虑走线简洁、布置美观、操作方便等原则，决定在每一层统一设置一个风机电控柜，在每台风机旁配一个现地按钮箱的方式。消防联动接线、PLC控制接线全在电控柜上，按钮箱尺寸也相对较小，布置起来较美观。

2 厂用及船闸用电电压及中性点接地、配电母线优化设计

低压厂用电系统的中性点接地方式，一般有两种：中性点经高电阻接地和中性点直接接地。这两种方式的区别主要为：高电阻接地方式在发生单相接地故障时不用立即跳闸，动力网络和照明、检修网络相互独立，供电可靠性较高，但是低压厂用网络较复杂，必须另设照明、检修网络，增加照明、检修和其他单相负荷的供电变压器，对二次的220 V交流电源，也需要另设控制变压器获取。中性点直接接地方式在发生单相接地故障时立即跳闸，动力网络和照明、检修网络可以共用，互相影响大，供电可靠性较低，但是这种方式在发生单相接地短路时，中性点不发生位移，防止了相电压出现不对称及超过250 V，低压厂用网络较简单，不用另设控制变压器获取二次的220 V交流电源，不用增加照明、检修和其他单相负荷的供电变压器，可为了获得足够的单相接地时的灵敏度，可能需加大电缆截面及采用四芯电缆，以增大单相接地时的短路电流。

主、分屏配电母线目前我们都是按A、B、C、N、PE五线配制，然后示意把N、PE互连后接地，变成四线制中的PEN线。配成5线是考虑A、B、C、N线布置在柜顶，可直接侧伸出与并列放置的厂变A、B、C、N线连接，而PE线则布置在柜底，便于设备及电缆等的接地。以往工程招标图中未要求厂家将N、PE线连接好，在现场就需增加柜顶N至柜底PE线的连接工作及材料。安装图如没交待这个工作及材料，往往造成遗漏。如越南占化水电站的总结中提到：“厂用电图低压屏柜N和PE共一根母线，而订货来的低压屏柜N和PE是两根独立母线，N是绝缘的，PE是接地的。设代人员带运行单位的电气班长到一个个屏柜去交底，要将N和PE母线用导线连接并从PE母线接地，但历时几个月工作都未完成。施工期是用施工用电接进400 V系统使用，零线和火线错位常有，备用电源接触器线圈、母线PT、灯泡等都是交流220 V，错接一次，交流380 V电压就会烧去上万元的元器件。若N相接地了，就可避免了。”因此，若按五线配，在招标文件中就要求厂家将N、PE线连接好；若全厂低压配电开关均为三极，且没有安装N线CT，建议就只设一根PEN线在柜底，与厂变侧连时，就由厂家在开关柜内将PEN线上引后再侧向引至厂变柜内，减少现场的连接工作。

3 厂用及船闸用电断路器整定及灵敏度、选择性校验

厂用及船闸用电关于断路器与断路器配合时间整定按进线0.6 s，联络0.4 s，主屏0.2 s，分屏瞬动0 s进行设计。在进行断路器脱扣器整定时，按躲过电动机启动电流整定。进线断路器及部分主屏断路器因使用了短路短延时，动作时间大于0.02 s，可靠系数K取1.35，使用瞬时整定的主、分屏断路器可靠系数则取1.7，确定脱扣器可整定的下限值。直接启动电动机电流一般为额定电流的5～7倍，1.7×7=11.9，厂家提供的产品瞬时脱扣最大值一般为10～12 In，由于许多电动机采取了软启动等方式，应按实际计算确定整定值。按灵敏度校验满足1.3倍，确定脱扣器可整定的上限值。

灵敏度校验用回路末端的单相接地短路电流或二相接地短路电流校验，用单相、二相短路电流的较小值对应短路短延时或短路瞬时保护整定值来校验，灵敏度系数均要求大于1.3倍。当末端单相短路的短路电流难以满足灵敏度要求时，可采用接地(零序)保护或带长延时过电流脱扣器的断路器或带短路短延时的断路器，此时可用单相接地短路电流对应单相接地短路保护整定值来校验灵敏度(可调范围一般为0.2～1 In)。如选用长延时过电流脱扣器时，其动作时间不宜大于15 s。如采用短路短延时，将短路短延时的电流尽量整定得小一些，以满足灵敏度要求。单相接地短路保护整定值可按躲过最大不平衡电流进行整定，与相邻元件的配合采用时间级差进行配合。接地保护的时间与各级断路器相间保护的时间一致。

若灵敏度校验不能满足要求，在主屏一般选用带接地保护的开关来满足要求；在分屏一般选择在分屏电缆接入处装设零序CT，再设零序保护来满足要求。要注意电流的采集方法，在TN-C配电系统中，应取三相电流的总和才是全部的单相接地短路电流。

在做保护选择性时，开关不能越级跳，也不能过载或短路时不跳。

选择性校验用回路起端的三相短路电流值来进行。在这个短路电流值下,若上级断路器的跳闸时间大于下级断路器的跳闸时间0.1 s，即认为满足选择性。但上下级均为断路器时做不到，因此上级断路器须采用带延时的断路器。

采用带延时的断路器后，瞬时脱扣器也可以打开使用，但其整定电流应躲开其保护范围末端的三相短路电流，此时的瞬时脱扣器保护是有死区的。

起重机回路供电设计中，《水电站机电设计手册》《电力工程电气设计手册》上说明的电动机为绕线式电动机或鼠笼式电动机，我们现在用的桥机、门机的电动机一般为变频式电动机，功率因数不一样，绕线式功率因数取0.65，鼠笼式取0.5，变频式一般在0.85及以上，注意按实际情况进行收集总结。

水电站起重机的暂载率按40%考虑，综合系数取0.5。两个手册上尖峰电流的计算公式均有误，尖峰电流是一个实实在在的瞬时电流，其值应为同时运行的电动机中，最大一台电动机的启动电流(绕线式电动机取2 In，变频式电动机取1.5 In)加上其余电动机的额定运行电流，应按以上概念进行计算。

给起重机供电的电缆截面按计算电流选取，塑壳断路器的过载长延时电流则按同时运行的电动机实际的额定电流选取。瞬时脱扣器电流(短路短延时扣器电流)按大于或等于1.35(1.7)倍尖峰电流整定，尽量取小值。时间不再与下一级断路器配合，均不进行延时。为了获取更宽的整定范围，塑壳断路器应选择带电子脱扣器的断路器。

4 电缆导体的选择

根据设计原则，都柳江从江航电枢纽工程低压断路器及导体选择见表1。

厂用电设计中，大容量、重要负荷回路的电力电缆宜采用铜芯交联聚乙烯绝缘电缆。消防、地下厂房通风、事故照明、自动控制、远动通信及电子计算机系统等重要负荷回路的电力电缆应采用阻燃型电缆。

三相四线制网络，对配电干线或接有单相负荷时，应采用三相四芯电力电缆；对仅接有三相平衡负荷(三相电动机)的负荷分支回路，根据单相接地保护灵敏度要求，可采用三相三芯或三相四芯电力电缆；当采用三相三芯电力电缆时，允许采用与相线分开另外单独敷设的导体作保护线。

厂内敷设的低压电力电缆的外护层宜采用塑料护套钢带内铠装电力电缆。

综上，厂用及船闸用电设计中，主屏至分屏低压电缆选择YJV22-0.6/1 kV(3+1)芯电缆，分屏至电动机可选择YJV22-0.6/1 kV三芯电缆，以节约成本，但若电缆数量较少，为了减少电缆种类，也可采用(3+1)芯电缆。阻燃电缆可采用ZRC-YJV22-0.6/1 kV电缆。油处理室电缆可采用YCW- 0.45/0.75 kV重型橡套软电缆。移动式设备及厂家配套的启闭机电缆一般为YC- 0.45/0.75 kV橡套软电缆。潜水泵电缆建议采用JHS-0.3/0.5 kV防水橡套电缆或采用YCW- 0.45/0.75 kV重型橡套软电缆，JHS型防水橡套电缆供交流电压500 V及以下的潜水电机上传输电能用。在长期浸水及较大的水压下，具有良好的电气绝缘性能；防水橡套电缆弯曲性能良好，能承受经常的移动。

通常设计手册及厂用电设计规程上给出的厂用主盘上所允许采用的电器最小规格，是根据动热稳定校验得出的，由于现在产品种类很多，应根据所采用产品实际进行校验。