20 低压大容量冷水机组启动方式选择与保护_宋海军

Ma y2 0 1 7 V o l. 3 6 N o . 5 http: / www. jzdq. net. cn 誖 BUILDING ELECTRICITY2017年 第 期5 图1机组一次接线电路图 Fig. 1Primary wiring diagram of the unit Abstract：IncombinationwiththeLVlarge- capacity water chilling unit design，the unit voltage selection，starting mode and protection，transformer overload capacity，etc. are discussed. Keywords：LVmotorstarting；transformer； settingcalculation；kickstart；HVovercurrent protection；overload；full-voltagestarting；reduction voltage starting 摘要： 结合低压大容量冷水机组设计实例， 探 讨机组电压选择、 启动方式及保护、 变压器过载能力 等问题。 关键词： 低压电动机启动； 变压器； 整定计算； 突 跳启动； 高压过电流保护； 过载； 全压启动； 降压启动 中图分类号：TU96 + 2文献标识码：A doi：10. 3969 / j. issn. 1003 - 8493. 2017. 05. 020 在建筑电气设计中， 变配电系统无疑是核心之 一， 包括供配电系统、 变压器容量选择、 变电所设置 等， 均应结合项目的业态需求、 建筑功能、 负荷情况 综合考虑， 不存在一成不变的方案， 一些 “特殊” 负 荷、“边缘” 设备， 还需要经过经济分析与计算确 定， 不可根据 “经验” 轻言结论。 在建筑工程中， 暖通空调的用电设备往往容量 大、 主机形式和控制要求多样， 对电气系统的选择影 响大。 当空调主机采用冷水机组时， 负荷较为集中， 常规做法是设置能源中心变电所， 而对于大容量低压 冷水机组， 尚需要核算电动机启动时的母线压降及校 核变压器容量， 如选择不当， 后果严重。 某工程中， 空调冷水机组配置了大容量低压电动 机， 因保护计算匹配不当， 造成电动机启动时保护跳 闸， 虽事后证明与设计无关， 借此机会把计算与分析 过程提供出来以供参考， 限于水平有限， 不足之处还 请同行指正。 1工程案例 1. 1工程概况 某科技孵化园工程， 用地面积15. 6万m2， 建筑 面积31. 2万m2， 由5个区、25个单体组成， 包括服 务办公、 研发孵化楼、 研发生产厂房、 公寓等， 非居 变压器装机2 3200 kVA。 1. 2空调系统 （设计选型） 暖通专业在研发孵化楼设置能源中心， 选用电动 压缩式冷水机组， 单台电动机功率最大为583 kW， 电压0.38kV， 满载额定电流998A， 启动电流2105A， 配套星 三角闭式启动控制柜， 仅需外部提供低压 主电源。 1. 3配电系统及设备选型 设置能源中心变电所， 变压器供电范围还包括部分 非重要电力、 照明负荷， 负荷率约75%（见图1）。 变压器选用SCB10 - 1250型，Uk= 6 %， 联接组 别D，yn - 11， 高压侧额定电流72. 2 A， 低压 侧 额定电流1 804 A。 高压侧互感器变 比为150 / 5， 采用微 机综保装置， 设反时 限过电流保护、 速断 保护、 低压侧单相接 地保护等。 机组供电电源采 用变电所低压母线放 射式供电， 选用断路 器作为保护元件， 考 虑设备电控装置自带 过载等保护， 断路器 Starting Mode Selection and Protection of LV Large-capacity Water Chilling Unit SONG Haijun（Tongji Architectural Design（Group）Co.，Ltd.，Shanghai200092，China） 宋海军 （同济大学建筑设计研究院 （集团） 有限公司， 上海市200092） 低压大容量冷水机组启动方式选择与保护 作者信息 宋海军， 男， 同济大学建筑设计研究院 （集团） 有限公司，高级工程师， 副总工程师。 352 88 http: / www. jzdq. net. cn 低压大容量冷水机组启动方式选择与保护 （宋海军） 参数按照长延时 （0. 4 1. 0倍） 作为后备保护、 瞬 动10 20倍可调选择， 根据 工业与民用供配电设 计手册 （第4版） 第十二章， 过电流脱扣器整定值： 瞬动脱扣器整定电流应为电动机启动 （堵转） 电流的 2 2. 5倍， 设计取2. 2倍； 长延时脱扣用作后备保 护， 整定值按照满足相应的瞬动脱扣整定电流的条件 确定： Iset 2. 2 Ist Kins 式中：Ist电动机启动 （堵转） 电流，A； Kins断路器的瞬动电流倍数。 1. 4订货条件 中标设备参数与设计选型略有不同， 满载额定电 流 （FLA）936 A， 启 动 电 流3 012 A， 堵 转 电 流 （LRA）6 694 A， 配套固态软启动装置。 分析设备厂商提供的电动机启动电流 时间曲 线 （如图2所示）， 固态软启动装置的启动电流倍数 为3倍左右， 星 三角为2. 3倍左右 （红色的是变 频控制曲线）， 软启动特性除了启动电流稍大， 均优 于星 三角启动。 1. 5“事故” 的发生和解决 应该来说， 这是个比较 “常规” 的系统配置， 而 且变电所部分由当地供电部门深化， 更是省去了高压 整定计算校验的麻烦。 但在设备安装调试阶段， 机组 不能正常启动， 故障现象是高压断路器过电流跳闸、 低压断路器不动作， 检查设备安装、 电缆质量， 均满 足验收要求， 为了测试设备， 甚至 “零” 负载启动， 但情况依旧。 经多方排查， 最后制造厂商给出了 “答案”， 先 前提供的软启动控制柜启动曲线有误， 而实际是按照 重载、 高静载转矩负荷， 软启动装置采用 “突跳启 动”， 启动电流接近堵转电流， 整个启动时间约20 s。 结合实际参数， 调整高压保护整定值后， 电动机启功 一切正常，“事故” 解决。 1. 6高压过电流保护分析 根据GB / T 50062 - 2008电力装置的继电保护 和自动装置设计规范， 变压器设置过电流、 速断等 保护， 保护装置计算参照 工业与民用供配电设计手 册 第4版。 1. 6. 1高压侧保护计算 计算参数： 变压器1250kVA， 高压侧电流72. 2A， 过负荷系数Kgh取1. 3 1. 5（电动机自启动取2 3）， 接线系数Kjx取1， 可靠系数Krel取1. 2， 返回系数 Kr取0. 9， 互感器变比nTA为150 / 5。 过电流保护值：IopK= KrelKjx KghI1rT KrnTA ， 取5 A。 保护装置一次动作电流 ：Iop= IopK nTA Kjx ， 为 150 A， 保护装置的动作时限取0. 5 s。 低压侧负荷电流换算到高压侧电流： Iop= I2rm nT 式中：I2rm低压侧负荷电流，A； nT变压器变比。 利用高压侧三相式过电流保护兼作单相接地保 护， 保护装置的动作电流和动作时限与过电流保护相 同； 速断保护及校验略。 1. 6. 2结论分析 机组软启动装置 “突跳启动” 时， 启动电流接 近堵转电流， 流过高压侧电流远远超过保护装置一 次动作电流， 造成过电流跳闸， 是 “事故” 的原因 所在。 1. 7技术质疑 “事故” 原因， 虽是设备厂商提供的技术参数有 误， 但过程中设计单位被提出的技术质疑， 需要思考 与分析： a.冷水机组电动机为什么不选用高压 （10 kV） 设备？ b.1 250 kVA变压器容量选择是否不满足电动 机启动要求？ c.如按照 “突跳启动” 电流， 变压器过载倍数 接近4倍， 过载能力是否能够承受？ 图2电动机启动电流时间曲线 Fig. 2Motor starting current - time curve 353 89 Ma y2 0 1 7 V o l. 3 6 N o . 5 http: / www. jzdq. net. cn 誖 BUILDING ELECTRICITY2017年 第 期5 Uav 2 d.低压电动机启动方式有哪些？ 2技术分析和答疑 2. 1冷水机组的电压选择 从规范技术要求、 设备加工要求入手， 并结合实 际情况分析。 2. 1. 1规范依据 在以往的概念中， 大于500 kW的冷水机组需要 采用高压设备， 在GB 50736 - 2012民用建筑供暖 通风与空气调节设计规范 中： “电动压缩式冷水机 组电动机的供电方式应符合下列规定： 当单台电动机 的额定输入功率大于1 200 kW时， 应采用高压供电 方式； 当单台电动机的额定输入功率大于900 kW而 小于或等于1 200 kW时， 宜采用高压供电方式； 当 单台电动机的额定输入功率大于650 kW而小于或等 于900 kW时， 可采用高压供电方式。” 2. 1. 2技术比较 在实际工程中， 冷水机组配套电动机的电压等 级， 还需要结合如下方面选择和比较： a.高压机组优点是运行电流小， 减少了电缆和 母排的损耗， 减少了低压变压器的装机容量， 因此也 减少了低压变压器的损耗和投资； 缺点是高压电缆和 母排的安全等级较高， 相应投资的增加， 整体价格相 对低压机组高出约20 %。 b.高压冷水机组控制系统复杂， 并且电机的防 护等级提高， 要求空调工操作管理高压电器设备， 因 此运行管理水平要求较高。 c.目前国内高压冷水机组的电机型号少且存在多 种压缩机型号配一个高压电机型号的现象， 使得客观上 出现了最佳性价比的机组少、 高能效机组少的情况。 d.低压机组优点是技术成熟、 价格低、 运行管 理方便、 维修成本低； 缺点是电动机额定输入功率较 大， 故运行电流较大， 电缆或母排截面较大不利于其 接头安装， 对电网有冲击。 e.对于10 kV用户， 如设置高压机组， 还需要 征询当地供电部门对电网保护要求。 2. 1. 3结论 大型项目需要大型或特大型冷水机组， 应采用高 压电机； 中、 小型项目中的运行电流较小， 采用低压 机组； 本工程最大单机设备容量583 kW， 数量少， 采用低压机组是合理的。 2. 2变压器容量校验 变压器容量校验应从满足电动机启动要求以及启 动时造成的母线压降进行校验。 2. 2. 1电动机启动时供电变压器校验 根据 工业与民用供配电设计手册 第4版： “若每昼夜启动不超过6次， 每次持续t不超过15 s， 变压器的负荷率小于0. 9（或t不超过30 s， 而 小于0. 7） 时， 启动时的最大电流允许为变压器额 定电流的4倍； 若每昼夜启动10 20次， 则允许最 大启动电流相应地减为3 2倍。” 2. 2. 2电动机启动时母线压降计算 根据GB 50055 - 2011通用用电设备配电设计 规范 的相关条文， 当变压器供电范围包括电力及照 明负荷时， 电动机的启动符合下列要求： “电动机启 动时， 其端子电压应能保证机械要求的启动转矩， 且 在配电系统中引起的电压波动不妨碍其他用电设备工 作。” 配电母线上的电压： “电动机频繁启动时， 不宜 低于额定电压的90 %； 电动机不频繁启动时， 不宜 低于额定电压的85 %。” 根据 工业与民用供配电设计手册 第4版第六 章， 电动机采用星 三角接线进行降压启动， 可以 按照电动机星接线全压启动进行计算。 订货参数：SrT= 1. 25 MVA，IrM= 0. 936 kA， Ist= 3. 012 kA； 电动机启动时变电所母线电压降相对 值：ustB= us SscB SscB+ QL+ Sst ； 电动机启动时端子电压 降相对值：ustM= ustBSst/ SstM； 变压器低压侧母线 处短路容量：Ss cB= SrT rT+ SrT/ Ssc ； 电动机额定视 在功率：SrM=3 姨UrM IrM=3姨 0. 38 kV IrM； 电动机额定启动容量：SstM= kst SrM= Ist IrM SrM； 电动 机启动时回路的输入容量：Sst= 1 1 / SstM+ Xl/ Uav 2 。 经计算 （过程略）， 母线压降ustB 0. 9。 2. 2. 3结论 电动机启动时间约20 s， 变压器负荷率为0. 75， 电动机启动电流小于变压器额定值的2倍； 电动机启 动时， 母线电压降满足要求。 因此， 变压器满足电动 机启动容量要求。 2. 3变压器过载能力探讨 启动电流接近变压器额定值的4倍， 要分析持续 时间及变压器本身结构要求。 根据GB 1094. 12 - 2013电力变压器第11部 Uav 2 354 90 http: / www. jzdq. net. cn 表3笼型电动机启动方式及特点 Tab. 3Starting modes and characteristics of cage motor 启动 方式 全压启动 自耦变压 器启动 软启动 星 三角 降压启动 启动 电压 UnkUn （0. 4 0. 9）Un （电压斜坡） （1 /3 姨 ）Un = 0. 58 Un 启动 电流 Istk2Ist （25）In （额定电流） （1 /3 姨 ）2Ist = 0. 33 Ist 启动 转矩 Mstk2Mst （0. 15 0. 8） Mst （1/3 姨 ）2Mst = 0. 33 Mst 突跳 启动 可选0. 9 Un 或0. 8 Mst 启动 特点 方法简单， 启 动电流转矩大 启动电流小， 启动转矩大 启动电流小， 启动转矩可调 启动电流小， 启动转矩小 分： 干式电力变压器负载导则： 对于超过变压器铭 牌额定值负载的运行， 使绕组、 端子、 引线、 分接开 关和绝缘的温度升高， 超过能够承受的水平等； 而对 于超过规定限值的短期负载， 可能由于温升而产生巨 大机械应力， 引起环氧浇注变压器绝缘开裂， 过载电 流导致绕组受到机械损伤等。 2. 3. 1电流幅值、 温升要求 电流的幅值要限定在1. 5倍额定电流 （特别当负 载周期短， 且为重复性负载时）， 以避免在绕组上产生 机械损伤； 当电流超过1. 5倍额定电流时， 在询价阶 段就应该指出， 并由供需双方协商一致。 对于所有其 他类型的负载周期， 电流值要限定到1. 5倍额定值。 F级、H级变压器温升要求如表1所示。 2. 3. 2变压器寿命损失 变压器的正常寿命不低于180 000 h， 寿命损失 直接与热点温升及持续时间有关， 而对于大多数运行 中的变压器来说， 很难准确知道绕组内部的热点温 度， 可以通过计算来估算。 热老化率是在恒定热点温度T（K） 下， 运行每 小时损失的寿命小时数k： k = 180 000 a-1 exp（- b / T） 在恒定热点温度T（K） 下， 一段时间t（h） 内 的寿命损失Lc： Lc= t 180 000 exp（- b / T） 式中：t时间，h； a、b寿命计算常数。 2. 3. 3结论 温升 （电流） 与持续时间是影响变压器寿命的主 要原因， 经了解， 软启动装置 “突跳启动” 的电流接 近堵转电流的90 %， 持续时间0. 3 s， 变压器在过载 3. 5倍情况下， 允许持续时间不大于0. 5 s， 即变压器 过载能力满足启动要求。 2. 4笼型电动机启动方式 2. 4. 1基本要求 电动机启动时， 端子电压应能保证所拖动的机械 要求的启动转矩， 且在配电系统中引起的电压波动不 应妨碍其它用电设备工作。 2. 4. 2全压启动 全压启动是最简单、 最可靠、 最经济的启动方 式， 应优先采用， 但启动电流大， 在配电母线上引起 的电压降也大， 按电源容量允许全压启动的笼型电动 机功率简化如下。 对于10 / 0. 4 kV变压器 （假定变压器高压侧短 路容量不小于变压器容量的50倍）， 笼型电动机经常 启动时， 不大于变压器额定容量的20 %； 不经常启 动时， 不大于变压器额定容量的30 %； 允许全压启 动的笼型电动机最大功率值， 如表2所示。 这些数据用于估算容量相差较大时， 基本可行， 但对于处于边缘情况时， 必须经过详细计算确定， 否 则本案例类似事故在所难免。 2. 4. 3降压启动 启动电流小， 但启动转矩也小， 启动时间长， 绕 组温升高， 启动电器复杂， 只在启动条件不满足全压 启动条件时， 才采用降压启动。 低压电机常规启动方 式有自耦变压器降压启动、 软启动器启动、 星 三 角启动等。 笼型电动机启动方式及特点如表3所示。 自耦变压器高压边接电网， 低压边接电动机， 可 绝缘系统温度/ 绕组额定热点温度/ 绕组最高热点温度/ 155（F）145180 180（H）170205 表1F级、H级变压器温升要求 Tab. 1F - class and H - class transformer temperature rise requirements 表2允许全压启动的笼型电动机最大功率 Tab. 2Maximum power of cage motor for permitting full-voltage starting 启动时的 电压降 U 供电变压器容量/ kVA 8001000125016002000 启动笼型电动机最大功率/ kW 10 %150190235300400 15 %240300375480600 低压大容量冷水机组启动方式选择与保护 （宋海军） 355 91 Ma y2 0 1 7 V o l. 3 6 N o . 5 http: / www. jzdq. net. cn 誖 BUILDING ELECTRICITY2017年 第 期5 图3星三角启动时间 电流曲线 Fig. 3Time-current curve of star-delta starting 选择不同的电压比； 启动电压可以选择如0.65Un、 0.8Un或0.9Un， 以适应不同负载的要求， 缺点是设备 体积大、 质量大。 星 三角启动适用于定子绕组为三角形接线的 6个引出线端子的中小型电动机， 启动电流小、 启动 转矩较小， 但绕组切换过程即产生的二次冲击电流较 大 （如图3所示）。 软启动装置配套晶闸管主回路， 通过控制系统， 实现电机的软启动、 软停机及运行过程中功率因数自 动调节， 并能适用于任何负载场合的电动机的控制。 与变频调速器相比， 它具有造价低， 操作简单， 容易 维修等优点， 尤其适用于大功率的电动机启动控制。 根据电机不同负载的要求， 软启动器一般都具备3种 启动方式 （如图4所示）。 限流启动： 优点是启动电流小， 且可按需要调 整， 对电网影响小； 缺点是在启动时难以知道启动压 降， 不能充分利用压降空间； 损失启动力矩， 启动时 间相对较长， 对电机不利。 电压启动方式： 主要用在重载启动 （如风机类和 水泵类等大惯性负载）， 它的缺点是初始转矩小， 转 矩特性抛物线型上升对拖动系统不利， 且启动时间 长， 对电动机不利。 突跳控制启动： 用在重载启动， 在启动的瞬间用 突跳转矩克服电机高静转矩， 然后转矩平滑上升， 缩 短启动时间， 但突跳会给电网发送尖脉冲， 干扰其他 负载。 3结语 电气设计系统方案的选择务必全方位、 全过程考 虑， 掌握配电设备技术性能， 了解用电设备技术要 求， 并考虑运行、 维护的合理性。 1中国联合工程公司.GB 50052 - 2009供配电 系统设