赵瑞萍：基于ETAP短路计算的化工项目电气系统优化设计

项目新建35 kV总开关站一座，设区域变电所（35 / 10 kV）3座，35 kV总开关站和各区域变电所主接线方式均为单母线分段。35 kV总开关站两路外部电源由距本项目2km的电网变电站提供，本项目还安装1 × 40 MW抽汽背压式汽轮发电机组，发电机出线电压10.5 kV，经一台SFZ11 - 75000 - 10 / 35 kV变压器升压后，用电缆接至35 kV总开关站35 kV母线上。区域变电所主要负荷为异步电动机拖动的风机、泵、压缩机及各车间级变电所10 kV母线和10 / 0.4 kV变压器等。

  > > > > 计算依据和数据

35 kV总开关站上级电网变电站电源侧（35 kV）最大运行方式时母线综合阻抗：0.196 + j1.326 8；最小运行方式时母线综合阻抗：0.195 + j1.491 3。

计算方法及计算公式来源于HG 20551 - 1993《化工厂电力设计常用计算规定》和GB / T 15544.1 - 2013 / IEC 60909 - 0:2001《三相交流系统短路电流计算 第1部分：电流计算》（现行版本为GB / T 15544.1 - 2023 / IEC 60909 - 0：2016）。

计算条件:基准容量为100 MVA,冲击系数K _ch = 1.8。利用ETAP电力系统分析计算软件（版本：12.6.0）进行计算。

  > > > >    最大运行方式下短路电流计算

a. 计算网络简图如图1所示（篇幅有限，除35 kV总开关站网络简图外，各变电所网络简图省略）。

b. 运行方式：35 kV总开关站QF01、QF03合闸，QF02断开，气化变电所（5110）、净化及合成装置内变配电所（5120）、循环水1 ^# 变电所（5140）、35 kV、10 kV侧开关断开，其余开关合闸，发电机开关QF - K35 - 8合闸，0.4 kV / 0.66 kV侧母联开关断开，供电系统形成35 kV总开关站一进线，其余变电所35 / 10 kV一主变带所有负荷的最大运行方式。

c. 计算结果见表1。

  > > > > 最小运行方式下短路电流计算

a. 计算网络简图如图2所示（篇幅有限，除35 kV总开关站网络简图外，各变电所网络简图省略）。

b. 运行方式：35 kV总开关站QF01、QF03断开，QF02合闸，气化变电所、循环水1#变电所、净化及合成装置内变配电所35 kV、10 kV侧开关合闸，其余开关断开，发电机开关QF - K35 - 8断开，0.4 kV / 0.66 kV侧母联开关断开，供电系统形成35 kV总开关站一进线，其余变电所35 / 10 kV一主变带一半负荷的最小运行方式。

c. 计算结果见表2。

本项目中10 kV用电设备单台容量最大的设备是循环水1 ^# 变电所供电的氮压机主电机（2 500 kW）、锅炉给水泵（2 050 kW）、电动定速给水泵（2 050 kW）、循环水泵（1 250 kW）,该电动机在所在变电所10 kV母线全压启动时，终端母线电压水平计算结果如表3所示。

根据表3计算结果确定，10k V电动机所在配电系统满足全压启动条件。

本项目中各变电所0.4 kV母线最大用电设备全压启动参数如表4所示。

根据表4计算结果确定，气化变电所（5110）、净化及合成装置内变配电所（5120）、循环水1#变电所0.4 kV电动机功率在90 kW及以上时，需要增加启动装置，0.4 kV电动机功率在75 kW及以下时满足全压启动条件。

  > > > > 35 kV开关柜

a. 变电所内35 kV开关柜采用铠装移开式交流金属封闭开关柜，开关柜内配2 500 A、2 000 A、1 600 A、1 250 A、630 A型真空断路器，真空断路器参数如下：额定电压为40.5 kV，额定短时工频耐受电压为95 kV，额定电流为1 250 A、2 000 A，额定开断电流31.5 kA / 40 kA，动稳定电流(峰值)80 kA，4 s热稳定电流31.5 kA，操作机构为DC 220 V弹簧操作机构。

按额定电压、额定电流、额定开断电流、短路动稳定和短路热稳定校验，上述规格的真空断路器满足要求。

b. 变电所内35 kV开关柜内电流互感器与开关柜成套配置，按动稳定和热稳定条件校验，电流互感器的最小变比为100 / 5。

  > > > > 10 kV开关柜

a. 厂区内10kV开关柜采用中置铠装型，开关柜内配2 500 A、2 000 A、1 600 A、1 250 A、630 A型真空断路器，真空断路器的参数如下：额定电压12 kV，额定短时工频耐受电压42 kV，额定电流1 250 A、1 600 A、2 000 A、2 500 A，额定开断电流31.5 kA，动稳定电流(峰值)80 kA，4 s热稳定电流31.5 kA / 40 kA，DC 220 V弹簧操作机构。按额定电压、额定电流、额定开断电流、短路动稳定和短路热稳定校验，上述规格的真空断路器满足要求。

b. 厂区内10 kV开关柜内电流互感器与开关柜成套配置，按动稳定和热稳定条件校验，电流互感器的最小变比为50 / 5。各段母线10 kV开关柜内元器件校验如表5所示。设备ID均为对应母线进线断路器代号。

  > > > > 35 kV电缆最小截面积选择

35 kV馈电回路采用ZR - YJV - 26 / 35型电缆，短路持续时间t = 0.2 s时,按短路热稳定进行校验：

式中：S _min 为电缆所需要的最小截面积（取35 kV铜芯电缆最小截面积为70 mm ² ），mm ² ；I _z 为短路电流周期分量有效值，kA；t为短路切除时间，s；c为热稳定系数。

  > > > >   10 kV电缆最小截面积的选择

10 kV馈电回路采用ZR - YJV - 8.7 / 10型电缆，短路持续时间t = 0.2 s时,按短路热稳定进行校验： ，取10 kV铜芯电缆最小截面积为90 mm ² 。

  > > > > 380 V电缆截面积选择计算书

根据GB 50217 - 2018《电力工程电缆设计标准》进行校验：① 电缆沿电缆桥架无间距敷设，且桥架内电缆敷设层数不超过2层，取电缆载流量校正系数K ₁ = 0.65；② 该项目地历年极端最高气温为41.4 ℃，取电缆载流量校正系数K ₂ = 0.9；③ 电缆户外明敷无遮阳，取电缆载流量校正系数K3 = 0.98；④ 载流量校正系数K = K ₁ × K ₂ × K ₃ = 0.57。

电网中的单相接地电容电流，由电力线路及电气设备（大容量同步电动机及变压器等）两部分的电容电流组成：

a. 电缆线路。35 kV电缆线路的单相接地电容电流I _C 的计算公式如下：

式中：U _e 为系统额定线电压；L为线路等效长度。

10 kV电缆线路的单相接地电容电流 I _C ′的计算公式如下：

式中：S为等效电缆缆芯截面积。

b. 电气设备。变电所额定电压35 kV，其增加的接地电容电流选择为13 ％；变电所额定电压10 kV，其增加的接地电容电流选择为16 ％。

c. 本项目电容电流计算见表6。

d. 本项目电容电流计算结论：根据GB / T 50064 - 2014《交流电气装置的过电压和绝缘配合设计规范》的规定，当35 kV系统单相接地故障电容电流大于10 A时，应装设消弧线圈；3 ~ 10 kV电缆线路构成的系统，当单相接地故障电容电流大于10 A时，应装设消弧线圈。根据以上计算结果，本项目35 kV总开关站（5100）35 kV侧、气化变电所（5110）10 kV侧、循环水1#变电所（5140）10 kV侧均经消弧线圈接地。消弧线圈的容量W计算如下：