天然氣工藝裝置區(qū)內(nèi)用電設(shè)備的供電設(shè)計(jì)

摘 要

摘要:介紹天然氣工藝裝置區(qū)內(nèi)用電設(shè)備的供電方式及供電設(shè)計(jì)的方法，包括用電設(shè)備的電氣負(fù)荷特性、塑殼斷路器的分析及過(guò)電流脫扣器的整定。JIAO Jinghui, XI Yan Abstract: Th
摘要:介紹天然氣工藝裝置區(qū)內(nèi)用電設(shè)備的供電方式及供電設(shè)計(jì)的方法，包括用電設(shè)備的電氣負(fù)荷特性、塑殼斷路器的分析及過(guò)電流脫扣器的整定。
JIAO Jinghui, XI Yan
Abstract: The power supply mode of electrical equipment in natural gas process unit area and the power supply design methods including load character­ istics of electrical equipment, analysis of molded case-circuit breaker (MCCB) and overcurrent release set­ting are introduced.
Key words: natural gas station； process unit area；circuit breaker； overcurrent release
關(guān)鍵詞:天然氣廠站；工藝裝置區(qū)；斷路器；過(guò)電流脫扣器
1天然氣工藝裝置區(qū)的供電方式
1.1天然氣工藝裝置區(qū)內(nèi)的用電設(shè)備
天然氣工藝裝置區(qū)內(nèi)的用電設(shè)備一般包括:電動(dòng)閥(包括電動(dòng)球閥、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、電液聯(lián)動(dòng)閥等）、電伴熱帶、電加熱器和分析小屋等。分析小屋是設(shè)置于天然氣工藝裝置區(qū)內(nèi)一種構(gòu)筑物，屋內(nèi)放置水露點(diǎn)分析儀、氣相色譜法分析儀、H2s分析儀等分析儀器和防爆配電箱、防爆照明、防爆空調(diào)、防爆電加熱器等輔助設(shè)備。根據(jù)工藝要求不同，分析小屋內(nèi)的設(shè)備配置也不同。
1.2天然氣工藝裝置區(qū)內(nèi)用電設(shè)備的供電方式
天然氣工藝裝置區(qū)內(nèi)用電設(shè)備的供電方式可分為:低壓配電柜供電和工藝裝置區(qū)現(xiàn)場(chǎng)配電箱供電。
低壓配電柜供電:當(dāng)廠站內(nèi)設(shè)置變電站時(shí),變壓器0.4kV側(cè)接入的低壓配電柜為第一級(jí)低壓配電。當(dāng)廠站內(nèi)未設(shè)置變電站，由廠站外直接引來(lái)0.4kV電源時(shí)，0.4kV電源接入的低壓配電柜為第一級(jí)低壓配電。本文中提到的“低壓配電柜供電”均屬于第一級(jí)低壓配電的供電方式。
工藝裝置區(qū)現(xiàn)場(chǎng)配電箱供電:廠站內(nèi)低壓配電柜(第一級(jí)低壓配電）為工藝裝置區(qū)現(xiàn)場(chǎng)配電箱供電，故工藝裝置區(qū)現(xiàn)場(chǎng)配電箱為第二級(jí)低壓配電。本文中提到的“工藝裝置區(qū)現(xiàn)場(chǎng)配電箱供電”均屬于第二級(jí)低壓配電的供電方式。
以上兩種供電方式須根據(jù)用電設(shè)備的重要性、功率、回路數(shù)量、低壓配電柜與天然氣工藝裝置區(qū)的供電距離等因素確定。若天然氣工藝裝置區(qū)內(nèi)用電設(shè)備重要性高（例如:用于緊急切斷的電動(dòng)閥）、功率較大(例如:電加熱器、分析小屋等，功率一般為3kW以上，工作電壓為380V)且回路數(shù)量少,則采用低壓配電柜供電。若天然氣工藝裝置區(qū)內(nèi)用電設(shè)備重要性一般、功率較小（例如:電動(dòng)閥、電伴熱帶等，功率一般為0.1～1.5kW,工作電壓為380V或220V)且回路數(shù)量多，則采用工藝裝置區(qū)現(xiàn)場(chǎng)配電箱供電。當(dāng)天然氣工藝裝置區(qū)內(nèi)存在多種用電設(shè)備時(shí)，可根據(jù)用電設(shè)備的重要性、功率、回路數(shù)量等采用低壓配電柜供電和工藝裝置區(qū)現(xiàn)場(chǎng)配電箱供電的混合供電方式。
1.3兩種供電方式的優(yōu)缺點(diǎn)
低壓配電柜供電方式的優(yōu)點(diǎn)為:供電回路可靠性高，所有回路均可獨(dú)立保護(hù)，當(dāng)某一回路出現(xiàn)故障時(shí)，其他回路供電不受影響。缺點(diǎn)為:低壓配電柜出線回路多,材料費(fèi)與施工費(fèi)高。
工藝裝置區(qū)現(xiàn)場(chǎng)配電箱供電方式的優(yōu)點(diǎn)為:低壓配電柜(第一級(jí)低壓配電）出線回路少，材料費(fèi)與施工費(fèi)低。缺點(diǎn)為:供電回路可靠性低，若工藝裝置區(qū)現(xiàn)場(chǎng)配電箱進(jìn)線電纜或進(jìn)線斷路器出現(xiàn)故障，將造成工藝裝置區(qū)現(xiàn)場(chǎng)配電箱內(nèi)所有出線回路停電。
2天然氣工藝裝置區(qū)的供電設(shè)計(jì)
2.1天然氣工藝裝置區(qū)的電氣負(fù)荷特性
電機(jī)負(fù)荷:電動(dòng)閥（包括電動(dòng)球閥、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、電液聯(lián)動(dòng)閥等）。此類負(fù)荷的特點(diǎn)為:電機(jī)極數(shù)多、轉(zhuǎn)速慢、工作電流大、功率因數(shù)低、工作時(shí)間短。
電動(dòng)閥一般自帶電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由電動(dòng)閥廠家配套提供），電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可完成閥門的監(jiān)視、控制和保護(hù)。
阻性負(fù)荷:電伴熱帶、電加熱器等電熱設(shè)備。這些設(shè)備自帶溫控裝置，可根據(jù)設(shè)定溫度自行啟停。此類負(fù)荷的特點(diǎn)為:采用電阻發(fā)熱產(chǎn)生熱量，功率因數(shù)為1。
儀表負(fù)荷:分析小屋。分析小屋一般需兩路電源，一路市電為分析小屋內(nèi)防爆照明、防爆空調(diào)、防爆電加熱器等輔助設(shè)備供電；另一路為不間斷電源，一般由儀表間內(nèi)UPS供電，為分析小屋內(nèi)各種儀表、分析儀器等設(shè)備供電。分析小屋內(nèi)由UPS供電的設(shè)備需要長(zhǎng)期連續(xù)工作。
2.2斷路器的選擇
在工程設(shè)計(jì)中，斷路器的型號(hào)須根據(jù)用電設(shè)備的電壓、極數(shù)、電氣特性、保護(hù)要求、控制要求及上級(jí)供電系統(tǒng)的參數(shù)等確定。在斷路器的參數(shù)中需重點(diǎn)關(guān)注兩個(gè),即短路分?jǐn)嗄芰兔摽燮餍褪健?/div>
2.2.1斷路器的短路分?jǐn)嗄芰?/div>
斷路器的短路分?jǐn)嗄芰Ψ譃轭~定極限短路分?jǐn)嗄芰皖~定運(yùn)行短路分?jǐn)嗄芰?。額定運(yùn)行短路分?jǐn)嗄芰π∮诘扔陬~定極限短路分?jǐn)嗄芰Α?/div>
當(dāng)斷路器保護(hù)的線路發(fā)生短路時(shí)，斷路器的額定極限短路分?jǐn)嗄芰?yīng)大于被保護(hù)線路上發(fā)生的最大短路電流。例如，斷路器保護(hù)的線路發(fā)生短路，最大短路電流為20kA，若斷路器的額定極限短路分?jǐn)嗄芰?5kA，則斷路器可斷開(kāi)電路，保護(hù)線路，滿足保護(hù)要求。若斷路器的額定極限短路分?jǐn)嗄芰?5kA，則斷路器不能斷開(kāi)電路,致使斷路器損壞和線路損壞，不滿足保護(hù)要求。
在工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)上級(jí)供電系統(tǒng)的參數(shù)、配電變壓器參數(shù)等,計(jì)算斷路器安裝處的最大短路電流，選擇具有相應(yīng)短路分?jǐn)嗄芰Φ臄嗦菲?。一般采用額定運(yùn)行短路分?jǐn)嗄芰?，這樣可以保證斷路器更可靠地工作。
最大短路電流的計(jì)算可參照以下方法:若低壓配電柜與配電變壓器距離近，則安裝在低壓配電柜內(nèi)的斷路器，可取配電變壓器0.4kV側(cè)最大短路電流做為斷路器安裝處的最大短路電流。此法忽略了配電變壓器0.4kV側(cè)出線電纜（或母線）的阻抗，忽略了低壓配電柜內(nèi)母線和進(jìn)線斷路器等元件的阻抗。故斷路器安裝處的最大短路電流比配電變壓器0.4kV側(cè)最大短路電流略小。
根據(jù)筆者經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)配電變壓器額定容量小于等于500kVA時(shí)可不校驗(yàn)塑殼斷路器的短路分?jǐn)嗄芰?。由于框架斷路器比塑殼斷路器分?jǐn)嗄芰Ω?/span>(高分?jǐn)嗄芰λ軞嗦菲鞒?/span>），因此框架斷路器不需要校驗(yàn)短路分?jǐn)嗄芰?。微型斷路器須根?jù)安裝處的最大短路電流來(lái)校驗(yàn)，本文不做討論。
以某品牌配電變壓器為例，型號(hào)為SCB10-500/10配電變壓器，額定容量:500kVA；額定高壓:10kV；額定低壓:0.4kV；聯(lián)結(jié)組別:Dynll；短路電壓Uk:4%(變壓器的短路電壓是變壓器的一個(gè)重要參數(shù)，它表明變壓器內(nèi)阻抗的大小。它對(duì)于變壓器在二次側(cè)發(fā)生突然短路時(shí)，會(huì)產(chǎn)生多大的短路電流有決定性的意義，對(duì)變壓器制造價(jià)格和變壓器并列運(yùn)行也有重要意義）。此配電變壓器0.4kV低壓側(cè)最大短路電流約為18kA(計(jì)算方法參照《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》[1]162-163)。塑殼斷路器的額定運(yùn)行短路分?jǐn)嗄芰笥?0kA(個(gè)別產(chǎn)品除外）。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，塑殼斷路器安裝處的最大短路電流(最大短路電流約為18kA)<斷路器的額定運(yùn)行短路分?jǐn)嗄芰Γㄋ軞嗦菲鞯念~定運(yùn)行短路分?jǐn)嗄芰Υ笥?0kA)因此，塑殼斷路器可滿足選型要求。
2.2.2斷路器的脫扣器型式
斷路器脫扣器型式可分為欠壓脫扣器、過(guò)電流脫扣器、分勵(lì)脫扣器等。脫扣器型式須根據(jù)用電設(shè)備的電氣負(fù)荷特性、保護(hù)要求及控制要求等確定。本文僅針對(duì)過(guò)電流脫扣器進(jìn)行討論。
過(guò)電流脫扣器包括長(zhǎng)延時(shí)過(guò)電流脫扣器、短延時(shí)過(guò)電流脫扣器、瞬時(shí)過(guò)電流脫扣器。
下面結(jié)合天然氣工藝裝置區(qū)用電設(shè)備的電氣負(fù)荷特性，討論過(guò)電流脫扣器的整定。整定也叫設(shè)定，是在自動(dòng)控制系統(tǒng)里，當(dāng)某一物理量達(dá)到某一值時(shí)，將發(fā)生某一動(dòng)作。本文中過(guò)電流脫扣器的整定的物理量均為電流值，整定電流即為動(dòng)作電流。
①長(zhǎng)延時(shí)過(guò)電流脫扣器的整定長(zhǎng)延時(shí)過(guò)電流脫扣器主要用于用電設(shè)備過(guò)負(fù)荷保護(hù)。
長(zhǎng)延時(shí)過(guò)電流脫扣器的整定應(yīng)遵守規(guī)范GB 50054—2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.3.3條:過(guò)負(fù)荷保護(hù)電器的動(dòng)作特性，應(yīng)符合下列公式的要求:
當(dāng)保護(hù)電器為斷路器時(shí),I2為約定時(shí)間內(nèi)的約定動(dòng)作電流；當(dāng)為熔斷器時(shí),I2為約定時(shí)間內(nèi)的約定熔斷電流。
根據(jù)以上規(guī)范要求，斷路器長(zhǎng)延時(shí)過(guò)電流脫扣器的整定電流(In）應(yīng)大于等于用電設(shè)備防爆控制箱(盒)進(jìn)線斷路器（或熔斷器）的額定電流（IB)。用電設(shè)備在啟動(dòng)與正常運(yùn)行期間斷路器長(zhǎng)延時(shí)過(guò)電流脫扣器不動(dòng)作，即用電設(shè)備的啟動(dòng)電流、尖峰電流、堵轉(zhuǎn)電流及電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)允許的堵轉(zhuǎn)持續(xù)時(shí)間內(nèi)，斷路器長(zhǎng)延時(shí)過(guò)電流脫扣器不動(dòng)作。當(dāng)用電設(shè)備在故障狀態(tài)下出現(xiàn)過(guò)負(fù)荷時(shí)，過(guò)負(fù)荷電流大于斷路器長(zhǎng)延時(shí)過(guò)電流脫扣器的整定電流，斷路器長(zhǎng)延時(shí)過(guò)電流脫扣器將按斷路器的時(shí)間-電流特性曲線動(dòng)作，完成保護(hù)。
②短延時(shí)過(guò)電流脫扣器的整定
短延時(shí)過(guò)電流脫扣器主要用于保證過(guò)電流脫扣器動(dòng)作的選擇性（低壓配電線路發(fā)生短路、過(guò)負(fù)荷或接地故障時(shí)，既要保證可靠地分?jǐn)喙收想娐罚忠M可能地縮小斷電范圍,減少不必要的停電，即有選擇性地分?jǐn)啵┖徒拥毓收媳Ｗo(hù)。
斷路器短延時(shí)過(guò)電流脫扣器的整定應(yīng)遵守規(guī)范GB 50054—2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.2.4條:“當(dāng)短路保護(hù)電器為斷路器時(shí),被保護(hù)線路末端的短路電流不應(yīng)小于斷路器瞬時(shí)或短延時(shí)過(guò)電流脫扣器整定電流的1.3倍。”
根據(jù)以上規(guī)范要求,應(yīng)計(jì)算出被保護(hù)線路末端的短路電流，才可以確定斷路器短延時(shí)過(guò)電流脫扣器的整定值。天然氣工藝裝置區(qū)內(nèi)被保護(hù)線路末端的短路電流為接地故障電流。
斷路器短延時(shí)過(guò)電流脫扣器的整定電流應(yīng)大于用電設(shè)備防爆控制箱（盒）進(jìn)線斷路器（或熔斷器）的瞬時(shí)過(guò)電流脫扣器整定電流（或約定熔斷電流）。當(dāng)用電設(shè)備發(fā)生故障,故障電流大于斷路器短延時(shí)過(guò)電流脫扣器的整定電流時(shí)，斷路器短延時(shí)過(guò)電流脫扣器經(jīng)過(guò)一定的延時(shí)，等待用電設(shè)備防爆控制箱(盒)進(jìn)線斷路器（或熔斷器）先動(dòng)作，切斷故障電流。若經(jīng)過(guò)延時(shí)后,故障電流仍未切斷，則斷路器短延時(shí)過(guò)電流脫扣器將動(dòng)作，切斷故障電流，完成保護(hù)。斷路器短延時(shí)過(guò)電流脫扣器的延時(shí)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了選擇性地分?jǐn)唷?/div>
斷路器短延時(shí)過(guò)電流脫扣器的整定電流應(yīng)小于被保護(hù)線路末端的短路電流（接地故障電流）。當(dāng)用電設(shè)備或供電電纜發(fā)生接地故障時(shí)，故障電流大于斷路器短延時(shí)過(guò)電流脫扣器的整定電流，斷路器短延時(shí)過(guò)電流脫扣器將按斷路器的時(shí)間-電流特性曲線動(dòng)作,完成保護(hù)。
③瞬時(shí)過(guò)電流脫扣器的整定
瞬時(shí)過(guò)電流脫扣器主要用于短路保護(hù)和接地故障保護(hù)（斷路器未配置短延時(shí)過(guò)電流脫扣器，則接地故障保護(hù)由瞬時(shí)過(guò)電流脫扣器完成）。
斷路器瞬時(shí)過(guò)電流脫扣器的整定應(yīng)遵守規(guī)范GB 50054—2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.2.2條:“短路保護(hù)電器，應(yīng)能分?jǐn)嗥浒惭b處的預(yù)期短路電流。預(yù)期短路電流，應(yīng)通過(guò)計(jì)算或測(cè)量確定。當(dāng)短路保護(hù)電器分?jǐn)嗄芰π∮谄浒惭b處預(yù)期短路電流時(shí)，在該段線路的上一級(jí)應(yīng)裝設(shè)具有所需分?jǐn)嗄芰Φ亩搪繁Ｗo(hù)電器；其上下兩級(jí)的短路保護(hù)電器的動(dòng)作特性應(yīng)配合,使該段線路及其短路保護(hù)電器能承受通過(guò)的短路能量。”第6.2.4條:“當(dāng)短路保護(hù)電器為斷路器時(shí)，被保護(hù)線路末端的短路電流不應(yīng)小于斷路器瞬時(shí)或短延時(shí)過(guò)電流脫扣器整定電流的1.3倍。”
根據(jù)以上規(guī)范要求，應(yīng)計(jì)算出斷路器安裝處的預(yù)期短路電流（即最大短路電流）和被保護(hù)線路線路末端的短路電流（即接地故障電流）。
斷路器瞬時(shí)過(guò)電流脫扣器的整定電流應(yīng)大于用電設(shè)備防爆控制箱（盒）進(jìn)線斷路器（或熔斷器）的瞬時(shí)過(guò)電流脫扣器整定電流（或約定熔斷電流）。當(dāng)用電設(shè)備或供電電纜發(fā)生短路故障,故障電流大 于斷路器瞬時(shí)過(guò)電流脫扣器的整定電流時(shí)，斷路器瞬時(shí)過(guò)電流脫扣器將按斷路器的時(shí)間-電流特性曲線動(dòng)作，完成保護(hù)。
斷路器瞬時(shí)過(guò)電流脫扣器的整定電流應(yīng)小于被保護(hù)線路末端的短路電流（接地故障電流）。當(dāng)用電設(shè)備或供電電纜發(fā)生接地故障,故障電流大于斷路器瞬時(shí)過(guò)電流脫扣器的整定電流時(shí),斷路器瞬時(shí)過(guò)電流脫扣器將按斷路器的時(shí)間-電流特性曲線動(dòng)作,完成保護(hù)。
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焦敬輝 西巖 中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院