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1、华晨宝马铁西工厂 低压配电系统设计简介 孙文华 目 录 引言 1. 低压正常电源供电系统构建 2. 3. 变电所布置 4. 低压配电装置 5. 10. 低压应急电源供电系统的构建 电容补偿及谐波治理 6. 7. 布线系统 引言 1 2010年汽车行业宝马公司启动了华晨宝马铁西工厂建设工程，该工程前期有一个概念设计，由业主在德 国聘请多个知名设计单位共同完成，我公司负责该工程的施工图设计。实际施工图设计中，中德两国设计人 员就概念设计的内容，在中德两国之间进行了多次交流，基本理解了德方的一些设计思路、理念及要求。 低压配电系统作为电气设计的重点，其设计方案与中国相比有重大不同，主要体现在以下几个
2、方面： 1）正常电源供电系统的构建； 2）应急电源供电源系统 的构建； 3）变电所布置； 4）低压配电装置； 5）电容补偿及滤波装置； 6）布线系统； 注：根据负荷性质及对供电要求的不同，德方把低压配电配电系统分为正常电源供电系统（General Power Supply System,简称GPS系统）和 低压应急电源供电系统（Emergency Power Supply System,简称EPS 系统），其中正常电源供电系统为供电要求低的普通负荷供电。 引言 1 欧洲国家的低压配电设计，在有多台变压器时，多采用并列运行方案，近期看到某国外专家的用 户低压供电系统的设计方案，除仅需要一变压器的
3、方案除外，其他的配电方案均为并列运行。 另外发达国家的年平均故障时间和平均停电时间远低于中国，但并列运行仍然广泛采用，这尤其 值得国人反思我国的设计理念。 施耐德公司编写的电气装置应用(设计)指南中，介绍了并列运行的元件选型和设计，依据是国 际电工委员会IEC 国际标准的规定 。 图1-1 欧洲国家典型配电系统设计方案 引言 1 欧洲的典型供电网 络结构，适用于各 类建筑。下图为以 办公楼为例的竖向 示意图。显示欧洲 采用了不同于中国 的配电体系。 图1-2 欧洲国家民用建筑典型配电系统设计方案 引言 1 黑色-正常电源系统 绿色-备用电源系统 红色-安全设施系统 图1-3 法兰西体育场供电计
4、方案 低压正常电源供电系统构建 2 2.1 系统对应急供电能力要求 该工程要求任何一台变压器故障或维护，都不能影响正常生产。该工程使用的是干式变压器，并要求在强迫风 冷时变压器的允许容量可以提高40%。 根据以上情况和德国变压器负荷率较低的特点，可得出该工程至少需要3台变压器并列运行才能满足使用要求的 结论。 2.2 并列运行的变压器容量 并列运行的变压器容量选择应根据工程用电情况，进行合理选择。该工程变压器规格及型号仅有两种：1000（ 1400）kVA和1600（2240）kVA，其中括号内的数据为强迫风冷时变压器的允许输出容量。 笔者认为上述选择是适当的，较为适合汽车厂的负荷密度，兼顾了
5、不同场所的负荷密度的差异，供电半径适 中。在负荷密度高的场所如冲压车间、涂装车间，采用1600kVA变压器，其他负荷密度一般的场所均采用1000kVA 变压器。 2.3 保护元件的短路承受能力 在并列运行的变压器台数及容量的选择中，低压侧短路电流、变压器过负荷能力都是极其重要的因素，特别是 在使用断路器作为保护元件时，应注意避免低压侧出现短路电流过大的情况。 施耐德公司出版的电气装置应用(设计)指南 2011中，不仅给出了多台变压器并列运行时低压侧总断路器和 主馈线断路器分断的最大短路电流值，还给出了建议选择的断路器，数据详见表2.1。 低压正常电源供电系统构建 2 20/0.4 kV 变压器
6、数量 和功率额定值kVA 低压侧总断路器最小短 路分断能力(Icu) (kA) 与主馈线断路器配合下的 总断路器选择建议 主馈线断路器最小短 路分断能力(Icu) (kA) 主馈线断路器选择建议 （额定电流In 250A ） 2 x 400 14 MT08N1/NS800N 27 NSX250H 3 x 400 28 MT08N1/NS800N 42 NSX250H 2 x 630 22 MT10N1/NS1000N 42 NSX250H 3 x 630 44 MT10N1/NS1000N 67 NSX250H 2 x 800 19 MT12N1/NS1250N 38 NSX250H 3 x
7、800 38 MT12N1/NS1250N 56 NSX250H 2 x 1000 23 MT16N1/NS1600N 47 NSX250H 3 x 1000 47 MT16N1/NS1600N 70 NSX250H 2 x 1250 29 MT20N2/NS2000N 59 NSX250H 3 x 1250 59 MT20N2/NS2000N 88 NSX250L 2 x 1600 38 MT25N2/NS2500N 75 NSX250L 3 x 1600 75 MT25H2/NS2500N 113 NSX250L 2 x 2000 47 MT32H1/NS3200N 94 NSX250L
8、3 x 2000 94 MT32H2/NS3200N 141 NSX250L 注1. 上述表格以下列假设为基础：变压器中压侧的三相短路功率是500MVA；变压器是标准20/0.4kV 配电型；从变压器到其低压断 路器的电缆为5m长的单芯电缆；每个总断路器和馈线断路器间为1m长的母线；开关安装于地上封闭式配电柜中，环境温度是30C。 注2. 每台低压配电柜馈线的断路器必须能切断总故障电流 (该故障电流来自于与母线相连的全部变压器)。 注3. 每个变压器的总断路器或联络断路器必须能承受最大短路电流，特别是短路点在断路器进线端时。 注4. 表中的短路电流均为三相短路电流周期分量有效值。 表2-1 多
9、台变压器并列运行时低压侧总断路器和主馈线断路器分断的最大短路电流值及选择建议 低压正常电源供电系统构建 2 2.4 低压侧并列运行方式 并列运行的方式也有多种，目前美国和 欧洲汽车企业在中国采用并列运行的项目中 ，有两种不同的方式，第一种是多个变压器 引出的配电母线槽是连通的，母线槽的功能 主要作为设备配电用，母线槽上设置插接箱 ，该方式常见于美企； 第二种是多个变压器之间设置并列运行 用母线，母线一般不作为配电目的使用，该 方式常见于德企。该工程采用的是第二种方 式，图2-1为该工程低压侧并列运行的系统 结构示意图。 第一种方式的供电可靠性较差，配电母 线的短路可能会引起所有并列运行的变压器
10、 停止供电，第二种方式的供电可靠性较好， 配电母线的短路只会使图中的CB12，CB22 ，CB32断路器断开，不影响正常供电。 图2-1 低压侧并列运行的系统结构示意图 低压正常电源供电系统构建 2 对于图2-1，需要说明以下几点： l 配电所的两路中压进线应引自同一台主变的 不同母线段，且并联运行，见图2-2。而国内 当有多台主变时，两段进线时，一般引自不 同主变的母线段，接线为单母线分段，不能 并列运行，但一路电源失电时，可以通过联 络开关自动或手动投入恢复供电，但此种做 法对供电可靠性要求较高的企业可能无法接 受。 l GPS系统变压器低压侧联络母线回路断路器 均处于合闸状态。 l 变电
11、所EPS1属于应急电源供电系统，EPS1变 压器低压侧联络母线回路断路器应处于断开 状态，当应急电源故障时，联络开关可自动 合闸，由于国内目前对安全设施的供电要求 还没有明确（等效IEC 60364556： 2009的国家规范GB16895556安全设 施供电正在编制中），一般情况下不设置 EPS系统专用变压器。 图2 -2 中压配电系统主接线图 低压正常电源供电系统构建 2 2.5 保护及选择性 对于并列运行的系统，保护的选择性极其重要，特别是变电所配电装置内保护元件的选择性，如果设计不好， 不仅不能提高供电可靠性，甚至会在发生故障时造成系统的崩溃。图2-3为该工程GPS系统单台1000kV
12、A变压器接线 示意图，进线柜、联络柜之前采用TN-C系统，之后采用TN-S系统。 图2-3 单台1000kVA变压器接线示意图 低压正常电源供电系统构建 2 2.5 保护及选择性 对于由图13组成的系统，为保证供电的可靠性，应注意以下几点： 进线柜及联络柜内的断路器（CB1112,CB2122,CB3132）及过负荷保护应按可能输出的最大容量选择。如 该工程中的1000kVA变压器应按1400kVA输出容量选择断路器和设置过负荷保护，1600kVA变压器应按2240kVA输 出容量选择断路器和设置过负荷保护。 当变压器高压侧发生短路时，由于采用了并列运行，将有短路电流从低压侧流入高压侧的短路点
13、，故此时低压 侧总断路器也应跳开。实现上述要求的方法在汽车行业也有两种，第一种方法由中压侧断路器与低压侧总断路器联 锁跳闸（德企做法），当中压侧断路器处于断开位置时，低压侧总断路器也必须处于断开位置，该工程使用的就是 这种做法；第二种是采用逆功率保护（美企做法），在低压侧总断路器处检测流向变压器的的功率大小，当超出设 定的值时，低压总断路器断开。 当发生短路时，低压侧总断路器、联络断路器、主馈线断路器应保证完全选择性，且当母线槽发生短路时（ CB12,CB22,CB32后），联络柜内断路器均应跳闸，各变压器变为独立运行。为达到上述要求，该工程断路器进行 了如下设置：NSX型主馈线断路器采用带有
14、固定延时的的短延时保护，非脱扣时间为20ms,最大分断时间为80ms， 瞬动保护根据具体回路设置；联络柜内的MT型联络断路器，设置短路短延时，整定时间为0.2s，瞬时保护关闭；低 压侧MT型总断设置短路短延时，整定时间为0.4s，瞬时保护关闭（笔者认为此处也可按断路器上端头A13处的短 路电流整定瞬时动作电流）。 低压正常电源供电系统构建 2 2.6 并列运行的优缺点 并列运行的主要优点有： a.提高了供电的可靠性； b.改善了多台变压器的负荷分配不均； c.提高了变压器效率,多台变压器并列运行时，选择变压器计算用的同时系数一般可减少10%以上，可减小变压器 的容量； d.能更合理得配置变压器
15、运行台数，改变运行成本，提高变压器的利用率，当负载较轻时,可退出多余的变压器,降 低变压器损耗； e.能增强供配电灵活性，使分配、投切灵活。因为安全原因，企业内一般要求变压器按生产线及分区进行负荷分 配及供电，而并列运行后，就无需考虑这种要求； f.检修、运行管理方便； 并列运行的主要缺点是 : a.短路电流较大，电气设备及元件要求高； b.保护整定及计算复杂； c.对运行维护人员要求较高； d.投资大。 2.7 国内建议使用并列运行的工程 a.生产规模及年产值巨大，自动化水平很高，极短时间的断电都会使连续的生产过程中断，造成重大经济损失的工 业项目。 b.大型民用公共建筑，如大型体育场、超高
16、层综合楼。 低压应急电源供电系统的构建 3 图3-1 应急电源供电系统结构示意图 3.1 应急电源供电系统主接线 图3-1为该工程设置的应急电源供电系统示意图， 从中已可看出德国专门设置的EPS系统，受正常电源电 源供电系统（即General Power Supply System ,简称 GPS系统）影响较小，独立性较强。对于图3-1，有以 下几点需要注意： l 该工程配置了两路66kV进线，不仅两路电源引自了 不同区域变电站，而且每路66kV电源均可为全厂所 有负荷供电。 l 该工程在20kV侧设有应急中压配电所，由一台主变 引入并列运行的两路进线供电，每路进线均能承担 所有的应急负荷，当一台主变故障或停电时，另一 台主变通过联络可继续保证应急中压配电所供电。 l 在市电供电时，中压应急配电系统采用低电阻接地 系统，接地电流在最小运行模式下为1000A，最大 运行模式下为2000A，国内
