城市隧道射流風(fēng)機配電設(shè)計探討

胡 云 武

[悉地(蘇州)勘察設(shè)計顧問有限公司, 江蘇 蘇州 215000]

0 引 言

城市隧道是一個相對密閉的環(huán)境空間,汽車在行駛過程中會排放廢氣和煙霧,通過射流風(fēng)機將隧道內(nèi)部污濁空氣排放到室外,同時將室外新鮮空氣送到隧道內(nèi)部,保持隧道內(nèi)部空氣流通,形成一個良好的空氣循環(huán)。隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時,射流風(fēng)機起到消防排煙風(fēng)機的功能,可以將著火區(qū)域的煙霧快速稀釋和排放。射流風(fēng)機安全、穩(wěn)定、可靠地運行對隧道內(nèi)的駕駛員和工作人員安全起到一個至關(guān)重要的作用[1-2]。

1 工程案例

某城市隧道雙向六車道,呈東西走向,分為北線和南線兩個單洞交通隧道。變電所內(nèi)設(shè)置2臺SCB13-1 000 kVA,10±2×2.5%/0.4 kV變壓器,Dyn11聯(lián)結(jié)組別,短路阻抗Uk=6%,短路損耗ΔPk=8.13 kW,為隧道內(nèi)動力和照明負荷供電,每臺射流風(fēng)機22 kW,額定電流44.3 A,功率因素cosφ為0.8,3臺22 kW射流風(fēng)機為一組進行配電,其中最遠處一組射流風(fēng)機距離變電所650 m,TN-S接地系統(tǒng)。變電所低壓側(cè)無功補償后功率因素cosφ為0.95。高壓電網(wǎng)短路容量S″=200 MVA,低壓銅母線TMY-3×(100×10)+1×(80×8),長度6 m。一次接線圖如圖1所示。

2 壓降校驗

隧道內(nèi)變電所低壓供電半徑比民用建筑項目要長很多,不得不重視長距離配電線路壓降。射流風(fēng)機沿著隧道行車方向縱向布置,本工程中最遠處一組射流風(fēng)機距離變電所長度為650 m,3臺22 kW射流風(fēng)機為一組進行配電,WP1配電回路額定電流Ie=3×44.3=132.9 A。依據(jù)規(guī)范JTG D70/2—2014第11.3.2條“隧道內(nèi)用電設(shè)備端子處電壓偏差允許值(以額定電壓的百分數(shù)表示)宜按±5%驗算。如按照壓降不大于5%要求,依據(jù)參考文獻[3]電壓降計算公式:Δu%=Δua%Il,Δu%=Δua%×132.9×0.65≤5%,Δua%≤0.058。需選用240 mm2電纜,Δua%=0.054,壓降Δu%=132.9×0.65×0.054=4.66%,滿足壓降小于5%的要求。本工程中采用10±2×2.5%/0.4 kV變壓器,變壓器可以選擇-5%～5%若干檔次的分接頭,變壓器分接頭、二次側(cè)空載電壓與電壓提升關(guān)系如表1所示[3]。

表1 變壓器分接頭、二次側(cè)空載電壓與電壓提升關(guān)系

該工程中K2處實際電壓還需考慮變壓器不同分接頭對電壓提升因數(shù)的影響,設(shè)備端子處電壓偏差依舊按照±5%校驗,根據(jù)電網(wǎng)高壓側(cè)電壓,選擇合適的變壓器分接頭,使變壓器二次側(cè)空載時電壓提升+5%,只要滿足變壓器100%負載率時(按照最不利的時候進行校驗,平時每臺變壓器負載率70%左右,考慮到一臺變壓器發(fā)生故障時,另外一臺變壓器也能帶所有一、二級負荷的設(shè)備),K2處實際電壓不低于額定電壓-5%的要求即可。本工程變電所低壓側(cè)無功補償后cosφ為0.95,按照參考文獻[3]表6.2-1,1 000 kVA變壓器滿負荷時變壓器的電壓降近似為2.63%,于是K2處線路最大電壓降允許值Δu%=10%-2.63%=7.37%。重新計算壓降Δu%=132.9×0.65×Δua%≤7.37%,Δua%≤0.085。選用150 mm2電纜就可以,Δua%=0.074[3],壓降Δu%=132.9×0.65×0.074=6.39%,滿足線路壓降小于7.37%的要求。

依據(jù)規(guī)范JTG D70/2—2014第11.3.2條“…電動機的端電壓可低于額定值的95%,但不得低于額定值的90%?！比绨凑誎2處實際電壓為額定電壓90%校驗,電纜截面規(guī)格還可以進一步減小,不過與暖通專業(yè)設(shè)計人員溝通,當(dāng)射流風(fēng)機處電壓低于額定電壓的5%時,風(fēng)機的推力和風(fēng)量也相應(yīng)減少,不能滿足規(guī)范要求。

從分析可知,從壓降角度考慮,選擇150～240 mm2電纜,K2處電壓偏差均在額定電壓±5%以內(nèi),可以滿足規(guī)范要求。具體采用哪種規(guī)格的電纜,還需要進一步分析,K1和K2處發(fā)生短路故障時,QF3處斷路器靈敏度是否能滿足要求,能滿足時優(yōu)先采用低造價的配電方案。

3 短路電流計算

K1和K2處單相接地故障相保阻抗等效電路如圖2所示。

3.1 K1處短路電流計算

高壓系統(tǒng)阻抗[3]:

變壓器阻抗[3]:

相保電阻Rphp.T=1.3 mΩ,相保電抗Xphp.T=9.3 mΩ。

母線阻抗[3]:低壓銅母線長度6 m,TMY-3×(100×10)+1(80×8),阻抗R′WB=0.025 mΩ/m,X′WB=0.181 mΩ/m,R′php.WB=0.056 mΩ/m,X′php.WB=0.38 mΩ/m,母線電阻RWB=R′WB×6=0.15 mΩ,母線電抗XWB=X′WB×6=1.104 mΩ。

母線相保電阻Rphp.WB=R′php.WB×6=0.336 mΩ,母線相保電抗Xphp.WB=X′php.WB×6=2.28 mΩ,變電所低壓出線K1處阻抗:

相保電阻

Rphp.∑k1=Rphp.s+Rphp.T+Rphp.WB=1.688 8 mΩ

相保電抗

Xphp.∑k1=Xphp.s+Xphp.T+Xphp.WB=12.108 mΩ

變電所低壓出線K1處三相短路電流周期分量有效值[3]:

變電所低壓出線K1處單相接地故障短路電流周期分量有效值[3]:

由分析知,K1處發(fā)生三相短路和單相接地故障時,短路電流均較大,不需要校驗QF3斷路器靈敏性,選擇額定短路分段能力不小于25 kA的斷路器即可。

3.2 K2處短路電流計算

由壓降環(huán)節(jié)分析可知,WP1配電回路電纜規(guī)格選擇150～240 mm2之間,K2處壓降均在額定電壓±5%以內(nèi),校驗K2處短路故障時,可能發(fā)生三相短路、兩相短路、兩相接地短路、單相接地短路,遠距離設(shè)備發(fā)生短路時,單相接地短路電流最小。在K1處相保阻抗匯總基礎(chǔ)上,增加WP1配電線路長度L=650 m的不同電纜截面的相保阻抗,短路電流計算公式同上述一樣。不同電纜截面K2處單相接地故障電流如表2所示。電纜相保阻抗值參考文獻[3]。

表2 不同電纜截面K2處單相接地故障電流

由表2知采用相線和保護線同截面5芯電纜時,單相接地故障電流顯著增加,但是K2處單相接地故障電流相較于K1處短路電流明顯減少。針對射流風(fēng)機控制箱選擇直接啟動還是軟啟動方式,QF3斷路器采用選擇性還是非選擇性斷路器,不同的方案靈敏度系數(shù)也不同,還需要進一步校核QF3斷路器的靈敏度系數(shù)。

4 靈敏度校驗

依據(jù)GB 50054—2011第6.2.4條[2],發(fā)生短路故障時,斷路器的靈敏度系數(shù)需滿足Krel=Id/Iset≥1.3,Id為短路電流最小值,Iset為瞬時或短延時斷路器脫扣器整定值。

4.1 采用非選擇性塑殼斷路器

QF3斷路器長延時脫扣器整定值Iset1,Iset1≥Ic=3×44.3=132.9 A,Iset1選擇160 A。

常規(guī)配電型非選擇性斷路器瞬時脫扣器整定值為長延時脫扣器整定值的10倍,QF3斷路器瞬時脫扣器整定值為1 600 A。非選擇性塑殼斷路器瞬時脫扣器靈敏度系數(shù)如表3所示。

由表3可知,即使采用5×240 mm2電纜,QF3斷路器瞬時脫扣器靈敏度系數(shù)也只有0.752,不能滿足規(guī)范要求(不小于1.3倍)。如果再增加截面積或采用雙拼電纜的方案,可以滿足靈敏度系數(shù)要求,但是從現(xiàn)實角度來說,造價增加太多,不經(jīng)濟。常規(guī)長距離用電設(shè)備采用塑殼斷路器,當(dāng)接地故障靈敏性不能滿足要求時,往往會選擇RCBO斷路器作為替代方案。射流風(fēng)機平時和消防均需要使用,即使采用RCBO斷路器也只能是僅漏電不跳閘,而且對三相短路、兩相短路、相線與N線短路時,RCBO均不能起到相應(yīng)的短路保護功能,故本例中繼續(xù)校驗當(dāng)采用選擇性塑殼斷路器方案,QF3斷路器是否能滿足靈敏度要求。

表3 非選擇性塑殼斷路器瞬時脫扣器靈敏度系數(shù)

4.2 采用選擇性塑殼斷路器

QF3斷路器短延時脫扣器整定值Iset2需躲過射流風(fēng)機啟動時的尖峰負荷電流[3],Iset2≥Kset2·[IstM1+Ic(n-1)],其中Kset2為可靠系數(shù),取1.2;IstM1為1臺22 kW射流風(fēng)機啟動電流,直接啟動時按照額定電流的7倍考慮,軟啟動時按照額定電流的3倍考慮;Ic(n-1)為剩余2臺22 kW射流風(fēng)機的計算電流。

K2處射流風(fēng)機采用軟啟動方式時,QF3處斷路器需滿足Iset2≥Kset2[IstM1+Ic(n-1)]=1.2×[3×44.3+2×44.3]=265.8 A,整定值Iset2=2×Iset1=2×160=320 A。

K2處射流風(fēng)機采用直接啟動方式時,QF3處斷路器需滿足Iset2≥Kset2[IstM1+Ic(n-1)]=1.2×[7×44.3+2×44.3]=478.44 A,整定值Iset2=3×Iset1=480 A。

選擇性塑殼斷路器瞬時脫扣器靈敏度系數(shù)如表4所示。

暖通專業(yè)對射流風(fēng)機啟動方式?jīng)]有特殊要求。軟啟動和直接啟動均作為常規(guī)射流風(fēng)機啟動方式,直接啟動具有簡單、可靠、快捷、造價低等優(yōu)點;軟啟動具有啟動電流小、對設(shè)備和電網(wǎng)沖擊小等優(yōu)點。由表4可知,按照軟啟動方案,采用4×150+1×70 mm2電纜,QF3斷路器靈敏系數(shù)1.82,可以滿足規(guī)范要求。按照直接啟動方案,采用4×185+1×95 mm2和5×150 mm2電纜,QF3斷路器靈敏系數(shù)分別為1.51和1.79,均能滿足規(guī)范要求。5×150 mm2電纜因為相線和保護線規(guī)格一致,可以顯著增加K2處單相接地故障電流,從工程造價角度考慮,選擇5×150 mm2電纜比4×185+1×95 mm2更加經(jīng)濟。其他遠距離用電設(shè)備配電也可參照這個思路考慮進行方案比選[4]。

表4 選擇性塑殼斷路器瞬時脫扣器靈敏度系數(shù)

5 多臺射流風(fēng)機同時開啟

民建項目按照面積劃分不同防火分區(qū),每個防火分區(qū)的消防風(fēng)機數(shù)量不多、功率不大,火災(zāi)時只要開啟與著火區(qū)域相關(guān)的消防設(shè)備,而每個單洞交通隧道整體作為一個防火分區(qū),火災(zāi)時可能開啟該洞內(nèi)全部射流風(fēng)機。隧道內(nèi)射流風(fēng)機常規(guī)以22 kW、30 kW、37 kW居多,這些風(fēng)機的功率都不算很大,單臺風(fēng)機全壓啟動時對設(shè)備的沖擊并不會太大,同時對電網(wǎng)電壓波動也在正常范圍之內(nèi)。但是多臺射流風(fēng)機同時啟動時情況如何?本工程中每個單洞交通隧道內(nèi)一共有17臺22 kW射流風(fēng)機,1 000 kVA變壓器額定電流Ie=1 443.4 A,供電公司為了避免客戶端用電設(shè)備長時間過載運行影響高壓電網(wǎng)的電能質(zhì)量,往往將高壓側(cè)出線開關(guān)QF1整定為變壓器額定電流的1.5倍,延時時間只有0.3～0.5 s。如按照直接啟動方案,6臺22 kW射流風(fēng)機同時啟動時,啟動電流Ist=7×44.3×6=1 860.6 A,該6臺射流風(fēng)機同時啟動時的的電流倍數(shù)已經(jīng)達到變壓器額定電流的1.29倍,再加上隧道內(nèi)照明、空調(diào)、弱電、監(jiān)控、水泵等其他負荷,很容易超過變壓器高壓側(cè)設(shè)定的開關(guān)整定值大小,就會發(fā)生低壓側(cè)總開關(guān)QF2不跳閘,而高壓側(cè)保護開關(guān)QF1越級跳閘的現(xiàn)象。如果設(shè)計人員對射流風(fēng)機同時開啟臺數(shù)沒有要求,隧道管理人員也不會意識到同時開啟大量射流風(fēng)機會導(dǎo)致高壓側(cè)跳閘的問題,尤其是火災(zāi)等突發(fā)狀況下需要開啟大量射流風(fēng)機,一旦高壓側(cè)開關(guān)QF1斷路器跳閘,將導(dǎo)致隧道內(nèi)用電設(shè)備全部斷電,容易引起隧道內(nèi)駕駛員恐慌,耽誤火災(zāi)險情的排除,嚴重的可能會造成重大的隧道交通事故,如果設(shè)計有缺陷,相關(guān)設(shè)計人員也難逃其責(zé)。針對這一問題,設(shè)計人員對射流風(fēng)機的同時開啟臺數(shù)務(wù)必滿足規(guī)范要求,按照JTG/T D70/2-02—2014[5]第12.1.5條,每臺(組)風(fēng)機應(yīng)間隔啟動,時間間隔應(yīng)大于30 s,與暖通設(shè)計師溝通,這一條文的啟動射流風(fēng)機時間間隔主要是針對非消防工況的要求,消防時還是需要盡快啟動相關(guān)區(qū)域的射流風(fēng)機,最不利時需要開啟著火洞內(nèi)所有射流風(fēng)機。本工程17臺射流風(fēng)機,如果每臺射流風(fēng)機30 s間隔啟動,從第一臺到最后一臺啟動需要510 s,對于平時工況和交通阻滯工況來說,啟動時間長一點也能接受,但火災(zāi)時延遲時間太長。為了避免火災(zāi)時大量射流風(fēng)機同時啟動,引起高壓側(cè)開關(guān)跳閘的問題。根據(jù)隧道設(shè)計項目經(jīng)驗,在每臺射流風(fēng)機二次原理圖中增加時間繼電器,每臺射流風(fēng)機延遲時間3～120 s可調(diào),通過設(shè)定延遲時間參數(shù),每臺射流風(fēng)機間隔啟動,可以避免多臺射流風(fēng)機同時啟動,引起高壓側(cè)開關(guān)跳閘的問題,同時縮短所有射流風(fēng)機同時開啟時間。

6 結(jié) 語

(1) 長距離用電設(shè)備處電壓偏差按照額定電壓±5%驗算時,還需要考慮變壓器分接頭提升因素的影響。

(2) TN-S系統(tǒng),長距離配電回路相線和保護線同截面時,單相接地故障電流顯著增加。

(3) 射流風(fēng)機選擇軟啟動方式,配電回路采用選擇性斷路器,可以增加斷路器短延時脫扣器的靈敏度系數(shù)。

(4) 射流風(fēng)機采用直接啟動方式,多臺射流風(fēng)機同時開啟時容易引起高壓側(cè)斷路器過載跳閘。