天然气工艺装置区内用电设备的供电设计

摘 要

摘要:介绍天然气工艺装置区内用电设备的供电方式及供电设计的方法，包括用电设备的电气负荷特性、塑壳断路器的分析及过电流脱扣器的整定。JIAO Jinghui, XI Yan Abstract: Th
摘要:介绍天然气工艺装置区内用电设备的供电方式及供电设计的方法，包括用电设备的电气负荷特性、塑壳断路器的分析及过电流脱扣器的整定。
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
关键词:天然气厂站；工艺装置区；断路器；过电流脱扣器
1天然气工艺装置区的供电方式
1.1天然气工艺装置区内的用电设备
天然气工艺装置区内的用电设备一般包括:电动阀(包括电动球阀、电动调节阀、电液联动阀等）、电伴热带、电加热器和分析小屋等。分析小屋是设置于天然气工艺装置区内一种构筑物，屋内放置水露点分析仪、气相色谱法分析仪、H2s分析仪等分析仪器和防爆配电箱、防爆照明、防爆空调、防爆电加热器等辅助设备。根据工艺要求不同，分析小屋内的设备配置也不同。
1.2天然气工艺装置区内用电设备的供电方式
天然气工艺装置区内用电设备的供电方式可分为:低压配电柜供电和工艺装置区现场配电箱供电。
低压配电柜供电:当厂站内设置变电站时,变压器0.4kV侧接入的低压配电柜为第一级低压配电。当厂站内未设置变电站，由厂站外直接引来0.4kV电源时，0.4kV电源接入的低压配电柜为第一级低压配电。本文中提到的“低压配电柜供电”均属于第一级低压配电的供电方式。
工艺装置区现场配电箱供电:厂站内低压配电柜(第一级低压配电）为工艺装置区现场配电箱供电，故工艺装置区现场配电箱为第二级低压配电。本文中提到的“工艺装置区现场配电箱供电”均属于第二级低压配电的供电方式。
以上两种供电方式须根据用电设备的重要性、功率、回路数量、低压配电柜与天然气工艺装置区的供电距离等因素确定。若天然气工艺装置区内用电设备重要性高（例如:用于紧急切断的电动阀）、功率较大(例如:电加热器、分析小屋等，功率一般为3kW以上，工作电压为380V)且回路数量少,则采用低压配电柜供电。若天然气工艺装置区内用电设备重要性一般、功率较小（例如:电动阀、电伴热带等，功率一般为0.1～1.5kW,工作电压为380V或220V)且回路数量多，则采用工艺装置区现场配电箱供电。当天然气工艺装置区内存在多种用电设备时，可根据用电设备的重要性、功率、回路数量等采用低压配电柜供电和工艺装置区现场配电箱供电的混合供电方式。
1.3两种供电方式的优缺点
低压配电柜供电方式的优点为:供电回路可靠性高，所有回路均可独立保护，当某一回路出现故障时，其他回路供电不受影响。缺点为:低压配电柜出线回路多,材料费与施工费高。
工艺装置区现场配电箱供电方式的优点为:低压配电柜(第一级低压配电）出线回路少，材料费与施工费低。缺点为:供电回路可靠性低，若工艺装置区现场配电箱进线电缆或进线断路器出现故障，将造成工艺装置区现场配电箱内所有出线回路停电。
2天然气工艺装置区的供电设计
2.1天然气工艺装置区的电气负荷特性
电机负荷:电动阀（包括电动球阀、电动调节阀、电液联动阀等）。此类负荷的特点为:电机极数多、转速慢、工作电流大、功率因数低、工作时间短。
电动阀一般自带电动执行机构（电动执行机构由电动阀厂家配套提供），电动执行机构可完成阀门的监视、控制和保护。
阻性负荷:电伴热带、电加热器等电热设备。这些设备自带温控装置，可根据设定温度自行启停。此类负荷的特点为:采用电阻发热产生热量，功率因数为1。
仪表负荷:分析小屋。分析小屋一般需两路电源，一路市电为分析小屋内防爆照明、防爆空调、防爆电加热器等辅助设备供电；另一路为不间断电源，一般由仪表间内UPS供电，为分析小屋内各种仪表、分析仪器等设备供电。分析小屋内由UPS供电的设备需要长期连续工作。
2.2断路器的选择
在工程设计中，断路器的型号须根据用电设备的电压、极数、电气特性、保护要求、控制要求及上级供电系统的参数等确定。在断路器的参数中需重点关注两个,即短路分断能力和脱扣器型式。
2.2.1断路器的短路分断能力
断路器的短路分断能力分为额定极限短路分断能力和额定运行短路分断能力。额定运行短路分断能力小于等于额定极限短路分断能力。
当断路器保护的线路发生短路时，断路器的额定极限短路分断能力应大于被保护线路上发生的最大短路电流。例如，断路器保护的线路发生短路，最大短路电流为20kA，若断路器的额定极限短路分断能力为25kA，则断路器可断开电路，保护线路，满足保护要求。若断路器的额定极限短路分断能力为15kA，则断路器不能断开电路,致使断路器损坏和线路损坏，不满足保护要求。
在工程设计中，应根据上级供电系统的参数、配电变压器参数等,计算断路器安装处的最大短路电流，选择具有相应短路分断能力的断路器。一般采用额定运行短路分断能力，这样可以保证断路器更可靠地工作。
最大短路电流的计算可参照以下方法:若低压配电柜与配电变压器距离近，则安装在低压配电柜内的断路器，可取配电变压器0.4kV侧最大短路电流做为断路器安装处的最大短路电流。此法忽略了配电变压器0.4kV侧出线电缆（或母线）的阻抗，忽略了低压配电柜内母线和进线断路器等元件的阻抗。故断路器安装处的最大短路电流比配电变压器0.4kV侧最大短路电流略小。
根据笔者经验，当配电变压器额定容量小于等于500kVA时可不校验塑壳断路器的短路分断能力。由于框架断路器比塑壳断路器分断能力更高(高分断能力塑壳断路器除外），因此框架断路器不需要校验短路分断能力。微型断路器须根据安装处的最大短路电流来校验，本文不做讨论。
以某品牌配电变压器为例，型号为SCB10-500/10配电变压器，额定容量:500kVA；额定高压:10kV；额定低压:0.4kV；联结组别:Dynll；短路电压Uk:4%(变压器的短路电压是变压器的一个重要参数，它表明变压器内阻抗的大小。它对于变压器在二次侧发生突然短路时，会产生多大的短路电流有决定性的意义，对变压器制造价格和变压器并列运行也有重要意义）。此配电变压器0.4kV低压侧最大短路电流约为18kA(计算方法参照《工业与民用配电设计手册》[1]162-163)。塑壳断路器的额定运行短路分断能力均大于20kA(个别产品除外）。根据以上数据，塑壳断路器安装处的最大短路电流(最大短路电流约为18kA)<断路器的额定运行短路分断能力（塑壳断路器的额定运行短路分断能力大于20kA)因此，塑壳断路器可满足选型要求。
2.2.2断路器的脱扣器型式
断路器脱扣器型式可分为欠压脱扣器、过电流脱扣器、分励脱扣器等。脱扣器型式须根据用电设备的电气负荷特性、保护要求及控制要求等确定。本文仅针对过电流脱扣器进行讨论。
过电流脱扣器包括长延时过电流脱扣器、短延时过电流脱扣器、瞬时过电流脱扣器。
下面结合天然气工艺装置区用电设备的电气负荷特性，讨论过电流脱扣器的整定。整定也叫设定，是在自动控制系统里，当某一物理量达到某一值时，将发生某一动作。本文中过电流脱扣器的整定的物理量均为电流值，整定电流即为动作电流。
①长延时过电流脱扣器的整定长延时过电流脱扣器主要用于用电设备过负荷保护。
长延时过电流脱扣器的整定应遵守规范GB 50054—2011《低压配电设计规范》第6.3.3条:过负荷保护电器的动作特性，应符合下列公式的要求:
当保护电器为断路器时,I2为约定时间内的约定动作电流；当为熔断器时,I2为约定时间内的约定熔断电流。
根据以上规范要求，断路器长延时过电流脱扣器的整定电流(In）应大于等于用电设备防爆控制箱(盒)进线断路器（或熔断器）的额定电流（IB)。用电设备在启动与正常运行期间断路器长延时过电流脱扣器不动作，即用电设备的启动电流、尖峰电流、堵转电流及电动执行机构允许的堵转持续时间内，断路器长延时过电流脱扣器不动作。当用电设备在故障状态下出现过负荷时，过负荷电流大于断路器长延时过电流脱扣器的整定电流，断路器长延时过电流脱扣器将按断路器的时间-电流特性曲线动作，完成保护。
②短延时过电流脱扣器的整定
短延时过电流脱扣器主要用于保证过电流脱扣器动作的选择性（低压配电线路发生短路、过负荷或接地故障时，既要保证可靠地分断故障电路，又要尽可能地缩小断电范围,减少不必要的停电，即有选择性地分断）和接地故障保护。
断路器短延时过电流脱扣器的整定应遵守规范GB 50054—2011《低压配电设计规范》第6.2.4条:“当短路保护电器为断路器时,被保护线路末端的短路电流不应小于断路器瞬时或短延时过电流脱扣器整定电流的1.3倍。”
根据以上规范要求,应计算出被保护线路末端的短路电流，才可以确定断路器短延时过电流脱扣器的整定值。天然气工艺装置区内被保护线路末端的短路电流为接地故障电流。
断路器短延时过电流脱扣器的整定电流应大于用电设备防爆控制箱（盒）进线断路器（或熔断器）的瞬时过电流脱扣器整定电流（或约定熔断电流）。当用电设备发生故障,故障电流大于断路器短延时过电流脱扣器的整定电流时，断路器短延时过电流脱扣器经过一定的延时，等待用电设备防爆控制箱(盒)进线断路器（或熔断器）先动作，切断故障电流。若经过延时后,故障电流仍未切断，则断路器短延时过电流脱扣器将动作，切断故障电流，完成保护。断路器短延时过电流脱扣器的延时过程实现了选择性地分断。
断路器短延时过电流脱扣器的整定电流应小于被保护线路末端的短路电流（接地故障电流）。当用电设备或供电电缆发生接地故障时，故障电流大于断路器短延时过电流脱扣器的整定电流，断路器短延时过电流脱扣器将按断路器的时间-电流特性曲线动作,完成保护。
③瞬时过电流脱扣器的整定
瞬时过电流脱扣器主要用于短路保护和接地故障保护（断路器未配置短延时过电流脱扣器，则接地故障保护由瞬时过电流脱扣器完成）。
断路器瞬时过电流脱扣器的整定应遵守规范GB 50054—2011《低压配电设计规范》第6.2.2条:“短路保护电器，应能分断其安装处的预期短路电流。预期短路电流，应通过计算或测量确定。当短路保护电器分断能力小于其安装处预期短路电流时，在该段线路的上一级应装设具有所需分断能力的短路保护电器；其上下两级的短路保护电器的动作特性应配合,使该段线路及其短路保护电器能承受通过的短路能量。”第6.2.4条:“当短路保护电器为断路器时，被保护线路末端的短路电流不应小于断路器瞬时或短延时过电流脱扣器整定电流的1.3倍。”
根据以上规范要求，应计算出断路器安装处的预期短路电流（即最大短路电流）和被保护线路线路末端的短路电流（即接地故障电流）。
断路器瞬时过电流脱扣器的整定电流应大于用电设备防爆控制箱（盒）进线断路器（或熔断器）的瞬时过电流脱扣器整定电流（或约定熔断电流）。当用电设备或供电电缆发生短路故障,故障电流大 于断路器瞬时过电流脱扣器的整定电流时，断路器瞬时过电流脱扣器将按断路器的时间-电流特性曲线动作，完成保护。
断路器瞬时过电流脱扣器的整定电流应小于被保护线路末端的短路电流（接地故障电流）。当用电设备或供电电缆发生接地故障,故障电流大于断路器瞬时过电流脱扣器的整定电流时,断路器瞬时过电流脱扣器将按断路器的时间-电流特性曲线动作,完成保护。
参考文献:
[1] 任元会，卞铠生,姚家祎，等.工业与民用配电设计手册[M].第3版.北京:中国电力出版社，2005
焦敬辉 西岩 中国市政工程华北设计研究总院