冷水機(jī)組的380V與10kV供電系統(tǒng)的分析比較

1、22008奧運(yùn)會(huì)北京射擊館冷水機(jī)組高低壓供電方案比較武毅王磊（清華大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院100084）摘要本文介紹了 2008奧運(yùn)會(huì)北京射擊館集中制冷換熱機(jī)房的離心式冷水機(jī)組的高低壓供電系統(tǒng)比較方案，從電力系統(tǒng)初投資、運(yùn)行中的電能損耗費(fèi)用、零配件和維修費(fèi)用、機(jī)電系 統(tǒng)綜合投資、對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響、運(yùn)行管理等多方面進(jìn)行比較。進(jìn)而針對(duì)不同制冷量的常用 離心式冷水機(jī)組的供電方案進(jìn)行了綜合對(duì)比，得岀了較為合理的通用選擇方案。關(guān)鍵詞離心式冷水機(jī)組供電方案投資費(fèi)用1 前言目前，我國(guó)民用建筑中使用的冷水機(jī)組的工作電壓大多采用380V,這一電壓等級(jí)對(duì)于中小容量的冷水機(jī)組較為合適，在大量的實(shí)踐中也得到了證明。但是

2、隨著建筑體量的不斷增大以及集中設(shè)置冷源節(jié)約能源的需求，冷水機(jī)組的單機(jī)容量越來(lái)越大，制冷量達(dá)到了幾千 kW電動(dòng)式機(jī)組的設(shè)備電功率達(dá)到了幾百甚至上千kW，如果冷水機(jī)組再采用 380V工作電壓,那么在投資、運(yùn)行和電氣綜合性能方面是否合適，能否采用更高的電壓等級(jí)的機(jī)組？這是工程設(shè)計(jì)人員需要研究和回答的課題。本文以2008奧運(yùn)會(huì)北京射擊館的制冷換熱機(jī)房的電氣設(shè)計(jì)為例探討了這個(gè)問(wèn)題。2 工程概況2008奧運(yùn)會(huì)北京射擊館位于國(guó)家體育總局射擊射箭運(yùn)動(dòng)管理中心園區(qū)內(nèi)，園區(qū)規(guī)劃供 電電源為由杏石口變電站和大屯路變電站引來(lái)兩路10kV電源至擬建的園區(qū)變電站，園區(qū)變電站向園區(qū)內(nèi)的建筑提供 10kV或者380 V電源。

3、集中制冷換熱機(jī)房位于變電站的南側(cè)，距離擴(kuò)建變電站25米，用于向整個(gè)園區(qū)提供冷源，機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)制冷量 1406 kW（電功率269kW電動(dòng)式離心式冷水機(jī)組一臺(tái)、制冷量3165 kW（電功率556kW電動(dòng)式離心式冷水機(jī)組兩臺(tái)，水泵及其它配套設(shè)備的設(shè)備電容量為398kW3供電方案3.1 380V低壓冷水機(jī)組供電方案冷水機(jī)組采用380V低壓電動(dòng)機(jī)，設(shè)兩臺(tái)1000kVA的SCB9-1000/10型環(huán)氧樹脂絕緣的干 式變壓器向集中制冷換熱機(jī)房供電。由于集中制冷換熱機(jī)房規(guī)劃面積有限而且距變電站較近，因此將兩臺(tái)變壓器設(shè)在園區(qū)變電站內(nèi)，采用低壓電纜沿電纜溝敷設(shè)至冷水機(jī)組控制柜和其它配套設(shè)備的配電柜，配電柜至低壓冷水

4、機(jī)組的配線根據(jù)容量的不同采用電纜或密集母線。冷水機(jī)組自帶啟動(dòng)裝置。3.2 10kV高壓冷水機(jī)組供電方案冷水機(jī)組采用10kV高壓電動(dòng)機(jī)，園區(qū)變電站向集中制冷換熱機(jī)房提供一路10k V電源，冷水機(jī)組的高壓柜位于機(jī)房控制室內(nèi)；同時(shí)園區(qū)變電站內(nèi)的變壓器增容約600 kVA，向集中制冷換熱機(jī)房?jī)?nèi)的機(jī)組配套設(shè)備提供一路380V低壓電源。10kV冷水機(jī)組自帶啟動(dòng)柜。4供電方案綜合分析4.1電系統(tǒng)投資成本及運(yùn)行費(fèi)用4.1.1投資成本380V低壓冷水機(jī)組供電系統(tǒng)的投資成本構(gòu)成如下圖：31 k-.'4x區(qū).業(yè)Ml汗幵關(guān)梅II 規(guī)壓器tji i IQCOkVA H）萬(wàn)走Uik開笑柜I 囪伽】萬(wàn)走|LVl-3

5、0 it I2.4萬(wàn)元卡外惟訊電編 lLV2-aO*1出萬(wàn)元手外祐壓皚編I 旳Y0米1用萬(wàn)兀rT7ikv#3tite1辿&舟元喪斥器THHJOOCkVA1印萬(wàn)苑10一|想哥羌糧| 4 tf| ?17tI寺殲惟斤皚審LV1-30*1萬(wàn)元Q.JkV#關(guān)栃ItM/燈萬(wàn)兀-電拎筍幣壕 仃0萬(wàn)幣U. lkV#Xfr | 1R/Gjo制持機(jī)-F幸內(nèi)低脈屯笑I LVJE I芒為元 |38。¥律水刪I 1#一 kWI 恥萬(wàn)元 |I審向低壓母統(tǒng)LT0-1 *7X元Fw?-冷水機(jī)組e#-,Tn0kw1887TjtrViWE+mLT7 -1 r)K萬(wàn)元' 3#-n5CkW丄陽(yáng)萬(wàn)jfc烷愉電

6、氣系逐：2燈上萬(wàn)丸（機(jī)電系縊：£!出）.廿萬(wàn)元圖1 380V低壓冷水機(jī)組供電系統(tǒng)的主要設(shè)備材料的投資成本構(gòu)成圖10kV高壓冷水機(jī)組供電系統(tǒng)的投資成本構(gòu)成如下圖:10kV7f/I :U k"奸關(guān)相II推用赭増客300fcVA7, /r'AI 一：. IkV舟疋柜 |1 AT恥石元UJ丄一叮0.3 7SI燮杠皿豈.削LVi-O?K2. 1方云唾內(nèi)為M、.電前I LHM 1導(dǎo)岸|ickvjktjmi丄#-TF)k網(wǎng)111萬(wàn)元丨座內(nèi)聲從豈綏LH1-15*0訐萬(wàn)元HOkVH2比力元電弋睡縄：1P仏萬(wàn)無(wú)機(jī)電蕪療：豈門戶萬(wàn)兀:圖2 10kV冷水機(jī)組供電系統(tǒng)的主要設(shè)備材料投資成本構(gòu)

7、成圖9根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可以得出10kV高壓冷水機(jī)組的供電系統(tǒng)比380V低壓高壓冷水機(jī)組的供電系統(tǒng)節(jié)省投資91萬(wàn)。4.1.2 運(yùn)行中電能損耗的費(fèi)用無(wú)論是高壓電機(jī)冷水機(jī)組還是低壓電機(jī)冷水機(jī)組采用的的都是電制冷方式，機(jī)組自身的運(yùn)行費(fèi)用基本相同， 二者的差異主要體現(xiàn)在不同供電方案的電系統(tǒng)內(nèi)部的電能損耗不同。電能損耗主要包括線路損耗和變壓器損耗兩部分。380V冷水機(jī)組供電系統(tǒng)的電能損耗費(fèi)用如下表所示：表1 : 380V冷水機(jī)組方案系統(tǒng)運(yùn)行電能損耗費(fèi)用序號(hào)設(shè)備規(guī)格電纜線路變壓器設(shè)備全 年運(yùn)營(yíng) 投入小 時(shí)數(shù)th最大負(fù) 荷年損 失小時(shí)數(shù)Th年有 功電 能損 耗 W WkWh電費(fèi)單價(jià)元年電 能損 耗費(fèi) 用

8、5;萬(wàn)元15年電能 損耗 費(fèi)用¥ 15萬(wàn)元線路長(zhǎng)度Lm計(jì)算電流I jsA線路單 位長(zhǎng)度 交流阻 抗R'Q /km空載有功 損耗 P0kW負(fù)載有功 損耗 PkkW1TM11000kVA1.557.621602160145210.55 ().8015.972TM21000kVA、1.557.621602160147830.55 ().8116.263lV12-JV22-3x240+2x120305110.0912160216023100.55 0.132.544lV24-ZRYJV22-3x240+2x1203010560.0912160216049320.55 0.275.42

9、5lV34-YJV22-3x240+2x1203010560.0912160216049320.55 0.275.426lV42-YJV22-3x240+2x120305290.0912160216024750.55 0.142.727lV52-YJV-3x240+2x120155110.0912160216011550.55 0.061.278lV61500A1510560.0452160216024390.55 0.132.689lV71500A1510560.0452160216024390.55 0.132.6810總 計(jì)V499850.55 :2.7541.24注：1.冷水機(jī)組的使用

10、壽命為15年，機(jī)組運(yùn)行時(shí)間按每年運(yùn)行6個(gè)月，每月運(yùn)行30天，每天運(yùn)行12小時(shí)計(jì)算，則全年運(yùn)行的小時(shí)數(shù)為2160小時(shí)。2.計(jì)算公式：供電線路年有功電能損耗： W=A P t (kWh)(1)其中 Pl:三相線路有功電能損耗 Pl=3I js2 R x 10 3 (kW)Ijs :計(jì)算電流R:每相線路電阻.Q .R=R l x 103R :線路單位長(zhǎng)度的交流電阻及阻抗，Q /kmL:線路的長(zhǎng)度，mT :最大負(fù)荷年損失小時(shí)數(shù),h變壓器年有功電能損耗： WT=A Po t + PkkT (kWh)(1)其中 Po :空載有功損耗，kW Pk :負(fù)載有功損耗，kWt :設(shè)備全年運(yùn)營(yíng)投入小時(shí)數(shù),hk :變

11、壓器負(fù)荷率10kV冷水機(jī)組供電系統(tǒng)的電能損耗費(fèi)用如下表所示：表2: 10kV冷水機(jī)組方案系統(tǒng)運(yùn)行電能損耗費(fèi)用序號(hào)設(shè)備規(guī)格電纜線路變壓器設(shè)備全 年運(yùn)營(yíng) 投入小 時(shí)數(shù)th最大負(fù) 荷年損 失小時(shí) 數(shù)Th年有 功電 能損 耗 Wt, WlkWh電 費(fèi) 單 價(jià)（元）年電能損耗費(fèi)用Y萬(wàn)元15年電能損耗費(fèi)用Y 15萬(wàn)元線 路 長(zhǎng) 度Lm計(jì) 算 電 流IjsA線路單位長(zhǎng)度 交流阻抗R'Q /km空載有功 損耗 PokW負(fù)載 有功 損耗 PkkW1變壓器增容600kVAK1.25.443202160133090.550.73214.642LV12-YJV22-3x240+2x120305290.091N

12、2160216024750.550.1362.723LH1YJV22-3x15030800.145216021601800.550.0100.204LH2YJV-3x5015160.43521602160110.550.0010.015LH3YJV-3x5015320.43521602160430.550.0020.056LH4YJV-3x5015320.43521602160430.550.0020.057合計(jì)R160620.550.88317.67注：1.冷水機(jī)組的使用壽命為15年，機(jī)組運(yùn)行時(shí)間按每年運(yùn)行6個(gè)月，每月運(yùn)行30天，每天運(yùn)行12小時(shí)計(jì)算，則全年運(yùn)行的小時(shí)數(shù)為2160小時(shí)。2.計(jì)

13、算公式：與表1相同。采用高壓系統(tǒng)每年可以節(jié)省系統(tǒng)電能損耗費(fèi)用：Yts=Y TL- Y TH =1.87萬(wàn)元冷水機(jī)組的使用壽命按15年計(jì)，則15年節(jié)省的費(fèi)用為：Y= Y tsX 15=28.0萬(wàn)元4.1.3 零配件和維修費(fèi)用高壓機(jī)組零配件和維修費(fèi)用比低壓機(jī)組高。此外，在市場(chǎng)上，10kV高壓機(jī)組的備品備件和零部件的采購(gòu)也比低壓380V機(jī)組困難。4.1.4 在整個(gè)冷水機(jī)組運(yùn)行期間，10kV高壓機(jī)組供電系統(tǒng)的投資運(yùn)行費(fèi)用比380V低壓冷水機(jī)組節(jié)省約114.5萬(wàn)元（不含人員費(fèi)用和零配件及維修費(fèi)用）。4.2 對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量是指電壓、頻率和波形，主要指標(biāo)包括電壓偏差、電壓波動(dòng)和閃變、頻

14、率偏差、諧波和三相電壓不對(duì)稱度等。4.2.1 由市電網(wǎng)提供給射擊館市的電源為兩路10kV電纜線路，若使用的冷水機(jī)組也為10kV，當(dāng)機(jī)組的配電及控制系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，為平行電壓直接沖擊電網(wǎng)，其危害性比380V系統(tǒng)大。4.2.2 電壓波動(dòng)和閃變大容量電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流較大會(huì)引起供電系統(tǒng)電壓下降，造成電網(wǎng)的電壓波動(dòng)，會(huì)引起對(duì)電網(wǎng)造成一定損害，危害與其連接在同一供電網(wǎng)絡(luò)上的其它用戶的電工設(shè)備。特別是10kV高壓電動(dòng)機(jī)，由于直接連接在10kV電網(wǎng)上，其對(duì)電網(wǎng)的影響更大。423 諧波冷水機(jī)組的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)都會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生諧波干擾，諧波電流會(huì)使變壓器、 電動(dòng)機(jī)等損耗增加、溫度上升、絕緣加速老化。同時(shí)還會(huì)因大量

15、諧波電流的存在使電容器和系統(tǒng)產(chǎn)生并聯(lián)諧振造成諧波電流放大，從而使電容器過(guò)載故障。在低壓冷水機(jī)組供電系統(tǒng)中，由于D,ynil接線組別的三相電力變壓器的存在， 利用一次 側(cè)繞組的三角形接法為 3次及3的倍數(shù)次諧波電流提供了環(huán)流通路， 使其不注入電網(wǎng)，注入 電網(wǎng)的只有7、7、11、13等次諧波電流，大大降低了注入諧波電流對(duì)10kV電網(wǎng)的影響。4.2.4 無(wú)功功率補(bǔ)償感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、變壓器、高低壓線路均需要大量的無(wú)功功率。由于無(wú)功功率通過(guò)線路系統(tǒng)導(dǎo)致電能損失、電壓壓降變大、增加了設(shè)備容量，因此在高壓、低壓供電系統(tǒng)方案中都應(yīng)設(shè) 置靜電電容器補(bǔ)償裝置，使系統(tǒng)的功率因數(shù)達(dá)到0.95以上，滿足電網(wǎng)的要求。在低壓機(jī)

16、組供電系統(tǒng)方案中采用變電站集中設(shè)置帶靜電電容器補(bǔ)償裝置，由功率因數(shù)控制器根據(jù)負(fù)荷的情況分組投切電容器。在高壓供電系統(tǒng)方案中采用每臺(tái)冷水機(jī)組配一臺(tái)高壓電容器柜，電容器并接在電動(dòng)機(jī)的端子側(cè)與電動(dòng)機(jī)同時(shí)啟動(dòng)和停止。4.2.5 安全性10kV設(shè)備絕緣層破損、擊穿對(duì)操作人員的危害比380V設(shè)備大得多。電壓高，則線路及設(shè)備周圍的產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度就大， 吸附力強(qiáng)；同時(shí)電壓高，線路及設(shè)備周圍的電場(chǎng)強(qiáng)度就高， 會(huì)產(chǎn)生電暈放電，極易導(dǎo)致觸電。4.3 運(yùn)行管理10kV高壓的運(yùn)行對(duì)操作人員的要求較高，必須持有高壓操作證，低壓沒(méi)有這個(gè)特殊要 求。4.4 綜上所述，在電氣系統(tǒng)投資運(yùn)行費(fèi)用方面，10kV高壓機(jī)組供電系統(tǒng)比 O

17、.4kV低壓機(jī)組供電系統(tǒng)節(jié)省約114.5萬(wàn)元，但在冷水機(jī)組的壽命運(yùn)行期間的人員費(fèi)用、零配件和維修費(fèi)用比低壓機(jī)組高，而在系統(tǒng)的對(duì)電能質(zhì)量的影響、安全性以及運(yùn)行管理方面低壓機(jī)組方案都有 較大的優(yōu)勢(shì)。5綜合評(píng)價(jià)對(duì)于冷水機(jī)組高壓電機(jī)和低壓電機(jī)方案的的比較中，除了對(duì)電系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比外還應(yīng)考慮冷水機(jī)組本身采用不同電壓等級(jí)的電機(jī)帶來(lái)的差異，特別是價(jià)格方面：制冷量為3165kW的380V冷水機(jī)組（帶自耦降壓?jiǎn)?dòng)柜）的價(jià)格約為188萬(wàn)元，10kV冷水機(jī)組（帶自耦降壓?jiǎn)?dòng)柜、電容補(bǔ)償柜）的價(jià)格約為282萬(wàn)元；制冷量為1406kW的380V冷水機(jī)組（帶自耦降壓?jiǎn)?dòng)柜）的價(jià)格約為 96萬(wàn)元，10kV冷水機(jī)組（帶自耦降壓

18、啟動(dòng)柜、電容補(bǔ)償柜）的價(jià)格約 為144萬(wàn)元。10kV高壓冷水機(jī)組的設(shè)備投資比380V低壓冷水機(jī)組設(shè)備投資高 236萬(wàn)元。在整個(gè)冷水機(jī)組投資運(yùn)行期間，380V低壓電機(jī)冷水機(jī)組的機(jī)組設(shè)備及電氣部分的整體費(fèi)用比10kV高壓機(jī)組相節(jié)省121.5萬(wàn)（不含人員費(fèi)用和零配件及維修費(fèi)用）。結(jié)論不難得出，從整體投資到運(yùn)行管理以及對(duì)電網(wǎng)的影響等各個(gè)方面而言采用380V低壓電機(jī)冷水機(jī)組是最合理的選擇。6常用離心式冷水機(jī)組綜合投資費(fèi)用比較在大型、超大型民用建筑設(shè)計(jì)中，冷凍動(dòng)站是必不可少的，常用離心式冷水機(jī)組的制冷容量從100kW到5500kW間，2008奧運(yùn)會(huì)北京射擊館的制冷換熱機(jī)房的機(jī)組選型結(jié)論具有 一定的有普遍意

19、義，我們可以采用與奧運(yùn)射擊館制冷換熱機(jī)房同樣的比較方法對(duì)從下面比較 典型的機(jī)組供電方案進(jìn)行分析比較。常用冷水機(jī)組380V電機(jī)和10kV電機(jī)供電方案如下圖所示：。I rv«iotvffxfr1 ：kT肓血尾出I)1 ：kY薩關(guān)柜O.lkvf* Io.lkVHfite,if豐兒見(jiàn)如/3O*卿軸刪Ji!電 舉境住壓器T1JI3H0V跟材闞H1汀高呱邑軌丨/和箕lGkV/ 30 XIKkYOtwa1d1. |：VI掙床毗劃卷超卑圖3常用冷水機(jī)組380V電機(jī)和10kV電機(jī)供電方案常用10kV與380V冷水機(jī)組系統(tǒng)投資費(fèi)用比較如下表所示：表3常用10kV與380V冷水機(jī)組系統(tǒng)投資費(fèi)用比較表) 兀 萬(wàn)( 用 費(fèi)10009509008508007507006506005505004504003503002502001501005001iiiUOMU !Illl1406 15821758 1934 2110 2285 2461 2637 2813 3165 3516 3868 4218 45714922 5260制冷量(kW)-380V冷水機(jī)組綜合費(fèi)用7 10kV冷水機(jī)組綜合費(fèi)用從系統(tǒng)投資費(fèi)用比較表中可以看出對(duì)于全系列冷水機(jī)組而言，380V電機(jī)冷水機(jī)組的電系統(tǒng)投資費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于10kV系統(tǒng)。但是當(dāng)考慮到冷水機(jī)組本身的差異時(shí)