石化企业低压电动机电缆截面选择及校验
发布时间：2021-03-16
摘要：低压交流异步电动机在石油化工企业的用电负荷中占有很大的比重，电动机的点按选择是石油化工企业电气设计中的重要环节。随着工厂设计模式改革的深入和石油化工厂工艺装置处理量的不断提高以及大型联合装置的相继出现，使得装置变电所380V配电系统的供电距离越来越远，达到300~400米，甚至更长。供电距离增加后，线路阻抗增大，造成线路末端短路电流减小，导致常规配置的短路保护器无法满足短路保护灵敏度要求。文章通过具体实例就如何完成石油化工企业长距离供电的低压电动机的电缆选择及短路保护灵敏度校验做了相应分析。
关键词：石油化工;低压电动机;电缆截面选择;短路保护灵敏度
1概述
低压电动机在石化企业生产装置用电设备中占有绝大部分比例，而低压电动机的配电设计中很重要的一个环节就是低压电缆截面的设计选择。
低压电动机电缆截面选择的基本原则，主要有：(1)按允许温升(即载流量)选择截面;(2)按短路热稳定的要求选择截面(可不单独校验);(3)按回路允许压降选择截面;(4)按经济电流密度选择截面;(5)按机械强度选择电缆截面。除以上电缆截面选择需要考虑的因素外，石化企业装置多为易燃易爆危险环境，在爆炸危险性气体环境及爆炸性粉尘环境10区内，电缆截面的选择，应符合引向1000V以下鼠笼型电动机支线的长期允许载流量，不应小于电动机额定电流的1.25倍。
另外，由于供电距离较长，电缆截面初步选定后，除以上电缆截面选择需要考虑的因素外，如何校验短路保护灵敏度，并解决长距离供电的情况下，短路保护与配电电缆截面的配合问题，也是石化企业电缆截面选择需要考虑的重要因素。
石化企业生产装置低压电力电缆主要采用交联聚乙烯绝缘，交联聚氯乙烯护套，钢带铠装铜芯电缆(ZRYJV22-0.6/1KV型)，本文以此类型电缆为例，结合自己实际设计中的经验和总结，阐述一下石油化工装置低压电缆截面的选择。
2电缆截面选择
某大型石化企业新建炼油装置中，涉及一台45kW电机(Ie=84A，Iq=588A)，供电线路长度350m，在变电所内沿梯型电缆桥架敷设，装置内主要沿充砂电缆沟敷设。变电所6kV变压器高压侧系统短路容量75MVA(最小运行方式，系统阻抗RS=0.21mΩ、XS=2.12mΩ(归算到400V侧))，变压器采用S13系列，容量800kVA，短路阻抗4.5%(RT=1.88mΩ，XT=8.8mΩ(归算到400V侧))。电动机回路配置如下：塑壳断路器型号为XT2S160-MA100，单磁脱扣器(短路瞬时)，考虑躲过电动机启动电流，瞬动过电流脱扣器的整定电流应取电动机起动电流周期分量最大有效值的2倍~2.5倍，根据工程应用的实际经验，《工业与民用配电设计手册第四版》推荐在设计计算中取2.2倍，即Iset3=2.2*Iq，磁脱扣电流(短路瞬时Iset3)整定为=1300A，过载保护及单相接地保护由低压综合保护装置实现(单相接地短路时灵敏度要求可不校验)。
2.1按载流量初选电缆截面
本次项目电缆在电缆沟中时的散热条件为最差，以电缆在电缆沟中敷设的载流量来确定载流量，以《电力工程电缆设计规范》(GB50217-2018)表C.0.1-4“1~3kV交联聚乙烯绝缘电缆直埋敷设时允许载流量”中的数据为基准值，乘以各校正系数，即得到按载流量初选的电缆截面。
首先，确定电缆载流量校正系数：(1)环境温度系数，当地最热月电缆埋深处的平均地温30℃。根据《电力电缆设计规范》(GB50217-2017)表D.0.1查得ZR-YJV22-0.6/1KV型铜芯电缆在当地最热月电缆埋深处的平均地温30℃时的环境温度系数K1为0.96;(2)电缆敷设采用冲砂电缆沟敷设，热阻系数取2.0℃·m/W，而表C.0.1-4中载流量对应的土壤热阻系数为2.0℃·m/W，可不校正，即阻校正系数为K2=1;(3)多根电缆并列敷设的校正系数：该电缆与其他电缆多根并列敷设，间距100mm，查得校正系数为K3=0.75;(4)在爆炸危险性气体环境及爆炸性粉尘环境10区内，电缆截面的选择，应符合引向1000V以下鼠笼型电动机支线的长期允许载流量，不应小于电动机额定电流的1.25倍。校正系数K4=1.25。
电动机额定电流Ic=84A，则电缆的载流量Iz应满足：
Iz*K1*K2*K3≥Ic*K4
代入各校正系数得：Iz≥145A。
根据载流量，热稳定，允许压降，机械强度，经济电流密度、爆炸危险环境等因素，初步选定的电缆型号为ZRYJV22-0.6/1KV-3*50+1*25mm2。
2.2按电压损失校验截面
应使用电设备的端电压在允许范围之内，对电动机应在+5%--5%之间。对380V电动机而言，机端电压不低于360V。经计算，采用对于ZR-YJV22-0.6/1KV-3*50+1*25mm2电缆时，电缆线路上产生的电压降为△u%=5.8%。电缆线路起始端的电压为变压器低压侧电压，在生产实际中，此电压通过变压器分接头设备会有2.5%~5%的提升，综合计算后，电动机端的电压降在0.8%~3.3%之间，满足机端电压不低于360V。
2.3计算线路末端短路电流，验算电缆截面能否满足短路保护灵敏度要求
《低压配电设计规范》GB50054-2011第6.2.5条规定：“当短路保护电器为短路器时，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电流脱扣器整定电流的1.3倍。”前面提到单相接地保护由低压综合保护装置实现，则单相接地短路时灵敏度要求可不校验，仅需校验三相短路及两相短路，此处两相短路为三相短路的0.866倍，因此，只需校验两相短路是否满足灵敏度要求。根据《工业与民用配电手册第四版》查得ZR-YJV22-0.6/1KV-3*50+1*25mm2电缆单位长度电阻R'为0.371mΩ/m，单位长度电抗为X'为0.076mΩ/m，忽略低压配电母线阻抗，计算过程如下：
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此方案为以往石化企业普遍采用的方案。采用低压断路器的瞬动过电流脱扣器作为MC短路保护器件，满足载流量和正常机端电压偏差的支线电缆截面大多数能满足短路保护灵敏度要求，个别供电距离较远的电动机，则采用加大电缆截面的方法解决。此案例中若电缆长度再加长到一定距离后，电缆截面很可能需要再加大一个等级，实际设计过程中，一般针对具体项目在取得系统短路参数的情况下，计算出相应的变压器容量下，都会计算并统计出每个功率等级的电机以满足两相短路保护的相应电缆截面满足灵敏度要求达到的最大距离。
(2)供电回路设置延时速断保护
电动机起动电流非周期分量的大小和持续时间取决于电路中电抗与电阻的比值和合闸瞬间的相位。根据对电动机直接起动电流的测试结果，起动电流非周期分量主要出现在第一半波，第二、三周波即明显衰减。《通用用电设备配电设计规范GB50055-2011》第2.3.5条规定：“当交流电动机正常运行、正常起动或自起动时，短路保护器件不应误动作。短路保护器件的选择应符合下列规定：当采用短延时过电流脱扣器作保护时，短延时脱扣器整定电流宜躲过起动电流周期分量最大有效值，延时不宜小于0.1s。”根据此规定，设置延时速断保护(Iset2)，靠短延时确保电动机启动时不误动，电流整定值(Iset2)较(Iset3)低许多，对于配电距离较远的电动机配电回路，其支线电缆的截面可以减小，电缆工程投资相应降低。
延时速断保护按下式计算
Iset2=1.2*Iq，延时t2=0.1s。
延时整定0.1s(实际最大分断时间按0.14s计)对电动机的支线电缆热稳定影响甚小。经计算交联聚乙烯电力电缆的长度，只要不小于30m，都能满足热稳定要求。延时0.1s对配电系统总进线的过电流短延时时间无影响。通常情况下，配电系统电容器回路的过电流短延时时间为0.2s，配电系统总进线的过电流短延时时间为0.2s+0.2s=0.4s。该短路短延时保护的电流整定值与电动机的堵转保护相同，而延时时间整定值(0.1s)小于电动机的堵转保护的延时时间整定值(3s)。
延时速断保护的设置可采用如下两种形式：
(1)采用低压塑壳断路器的短延时过电流脱扣器
低压塑壳断路器的过电流脱扣器，有三种型式，即电磁式、热磁式、电子式。功能完善的电子式过电流脱扣器有三种或四种保护功能，即过载长延时保护、短路短延时保护、短路瞬时保护及接地故障保护。目前“短延时过电流脱扣器”，仅在电子脱扣器中以短延时过电流保护的型式出现，无单独存在的“短延时过电流脱扣器”。采用电子脱扣器的塑壳断路器价格相对贵一些(160A以下大约为电磁式脱扣器的两倍)。对于功率较大的电机回路的塑壳断路器选用的脱扣器为电子脱扣器，可采用短路瞬时保护及短路短延时保护共同作为电动机短路保护器件，对于功率较小的电动机回路，就需验算采用电子式脱扣器的必要性。
(2)采用低压综合保护器实现短路短延时保护
较早的低压综合保护器无短路短延时保护功能，近几年的新一代低压综合保护器功能不断完善，普遍具有了短路短延时保护功能，通过综合保护器短路保护整定电流和时间的设定，就能完成上述短路保护功能，这一保护需要设计人员在完成低压一次系统设计时，明确在图纸中提出。
3结束语
随着大型石化企业的规模发展，低压电缆的投资也随之增大，在保证设备供电安全可靠的前提下，恰当地配合低压电动机保护器件选择电缆截面，可以取得低压电动机的保护设备与配电电缆截面的最佳配合，获得最佳的投资方案。——论文作者：陈广书
