化工项目配电设计

化工项目配电设计

陆　崎

摘　要：针对化工项目存在爆炸性气体环境与化工腐蚀环境以及对供配电可靠性有较高要求，本文介绍了配电设计的对应解决措施，有助于电气设计人员了解防爆、防腐与静电接地设计的要点。

1．化工项目配电设计的特点

1.1　爆炸性气体环境与化工腐蚀环境

化工项目的生产和储运过程中一般有产生或散发有毒有害气体以及化学腐蚀物资的污染源，存在爆炸和火灾危险与化工腐蚀。

1.2　气候环境条件恶劣

很多化工项目的工艺装置位于户外，气温、湿度、风速、气压、降水、降雪、日照、雷暴、沙暴、海拔及污秽等级等自然条件，均会影响到配电设计。

1.3　供配电可靠性要求高

对连续运行的化工企业来说，对供配电的可靠性要求是非常高的，仅几个周波的电力系统故障就能造成大量生产装置停工，引起严重的后果。

1.4　负荷相对平稳

化工企业的负荷是相对平稳的，日负荷曲线的变化较小，生产装置运行正常后，负荷几乎数周甚至数月不变。

1.5　低压380V负荷以异步电动机为主

化工企业的低压负荷主要是以异步电动机拖动的风机、压缩机以及隔爆或增安型异步电动机拖动的机泵为主。由于具有大量异步电动机的运行，因此，应进行功率因数补偿。

1.6　中压10kV负荷以整流设备、大功率电机为主

例如在多晶硅工厂中，中压10kV负荷主要为还原炉、氢化炉、制氢装置等的电源整流设备，以及冷却循环水泵。

1.7　大型电动机启动

大型电动机的启动虽然次数很少，但启动时间却较长，是影响化工企业内供配电系统的关键问题之一。

1.8　逐步扩容

化工企业的另一特点是用电负荷的逐步扩容，增加新装置及改造扩容是化工企业司空见惯的事情，因此在设计供配电系统时一定要考虑留有足够的扩展余地。

2．爆炸和火灾危险环境中危险区域划分

2.1　划分原则

爆炸和火灾危险环境的电气设计中，危险区域等级和范围的划分是重要的基础工作，是选择防爆产品和设置保护装置的前提条件，因此在危险区域划分问题上必须与工艺、建筑等专业密切配合，慎之又慎。

三类八级危险区域

2.2　爆炸危险区域划分图

对于复杂或大型厂房，爆炸危险区域划分图除平面图之外，还需要剖面图或者局部剖面图。对于简单或小型厂房，可以采用文字说明，不出图。

3．低压配电

3.1　负荷等级

应与工艺、机械及消防等专业确定用电设备的负荷等级。一般来讲，重要工艺设备、用于保证工艺设备安全停机的重要动力设备、自动控制系统主机、IT系统主机、消防与生命安全设备为一级负荷。

3.2　配电保护

爆炸性气体环境1区内单相回路的中性线也应装设短路保护，并使用双极开关同时切断相线及中性线。

3.3　应急电源

柴油发电机组的起动时间不能满足某些特别重要的负荷对停电时间的要求，例如多晶硅还原炉的炉体循环冷却水泵、底盘循环冷却水泵以及电极冷却水泵，需要增设EPS电源。同种重要冷却水泵有多台时，宜分别由不同的电源供电。

3.4　电动机配电

容量>200kW宜采用10kV电机。

容量≤200kW宜采用380V电机。

3.5　检修电源

化工设备、管道的安装与维修均需要使用电焊机、各种电动工具以及测量设备，因此各生产装置和厂房应根据需要设置一定数量的检修电源箱，供电范围宜按30 m左右考虑。

4．配电设备选择

4.1　按使用环境条件选择

·正常环境选用一般型；

·爆炸危险环境选用防爆型；

·多尘环境选用防尘型；

·化工腐蚀环境选用防腐型；

·爆炸危险环境及化工腐蚀环境选用防爆防腐型；

·潮湿环境与室外非爆炸危险环境选用防水型。

4.2　爆炸性气体环境电气设备防爆标志

当存在两种以上易燃物质形成的爆炸性气体混合物时，应按危险程度较高的级别与组别选用防爆电气设备。

例如，多晶硅还原厂房的还原炉间属于爆炸性气体环境，主要的爆炸性气体混合物有三氯氢硅与氢气，三氯氢硅为IIBT4，氢气为IICT1，还原炉间的电气产品防爆标志应不低于Exd IICT4。

4.3　MCC柜

由于现场条件比较恶劣，所以MCC柜一般按照工艺情况分区集中设置在专门的配电室内，或在终端变电站的低压配电室内。

4.4　现场配电箱、操作柱

按照使用环境条件选择防爆型、防腐型、户外型或普通型。

现场配电箱在条件允许时宜尽量安装在爆炸性气体环境与化工腐蚀环境之外。

现场操作柱应安装在靠近电动机便于操作的地方。操作柱上设置“现场/DCS”控制模式转换开关。大型电动机的操作柱应带过载型电流表，以便现场人员了解电机的工作状况。为了避免长距离造成的准确度下降，电流表不宜采用5A规格，推荐采用1A规格。

4.5　软起动器

4.5.1　适用场合

交流电动机应优先采用直接起动方式。如果在计算后不符合直接起动条件，可采用降压起动方式。

当电动机配电线路非常长，直接起动会造成电动机端子电压太低，不能起动。而采用软起动器时，虽然输出电压降低，但由于起动电流减少，线路电压损失减少，反而电动机端子电压升高，加大了起动转矩，有利于起动。

相对于其他的降压起动方式，软起动器有电流限制、电压控制与转矩控制等多种功能，以及过载、过压、断相与过热等保护，能方便地实现电动机起动的智能化控制。软起动器一般具有现场总线接口、可编程的输入与输出触点、液晶显示操作板，可以实现人机对话、限流起动、斜坡电压起动、斜坡电压软停止，并可以对参数进行现场或后台计算机设定。在化工项目中，软起动器具有较大的优越性。

4.5.2　是否需要快速熔断器

快速熔断器是对电子元件作短路保护。有的软起动器本身具有短路快速保护功能，则不必另加快速熔断器；有的软起动器本身不带短路快速保护功能，短路保护靠断路器时只能达到1类配合，如果要达到2类配合，则需要另加快速熔断器。

4.5.3　是否需要热继电器

软起动器本身具有过载保护，但这是用于保护软起动器的。当选用的软起动器容量大于电动机时，虽然软起动器尚未过载，但电动机有可能过载，此时应装设热继电器。

如果有旁路接触器，则热继电器应装在旁路接触器回路中，以避免起动过程中因起动电流大且时间长，而使热继电器动作。

4.5.4　是否需要主回路接触器

装设主回路接触器，可以在热继电器过载时切断主回路。如果不装主回路接触器，热继电器过载时也可以通过断路器的分励脱扣器切断主回路。停机时，即使没有主回路接触器，软起动器端子带电也没有什么关系。总之，主回路接触器可装可不装。

4.5.5　是否需要旁路接触器

加装旁路接触器后，正常运行时电流不经过软起动器而经过旁路接触器，有以下优点：

（1）减少谐波对电网的污染。软起动器的晶闸管在完全开启时，仍有谐波产生。

（2）减少软起动器的工作时间，减少无效的电能损耗，减少发热量，增加电子元件寿命。

4.5.6　如何选择旁路接触器

如果旁路接触器是软起动器本体的一个组成部分，则称为内置式旁路接触器。此种结构形式体积小，安装空间少。

如果旁路接触器在软起动器外单独布置，则称为外置式旁路接触器。此种结构形式便于检修更换旁路接触器。

起动时，在软起动器起动完成后，投入旁路接触器，再停止软起动器。停机时，先投入软起动器与旁路接触器并联运行，再断开旁路接触器，由软起动器实现软停。因此，旁路接触器不会直接切断主回路，不是一般电动机起、停运行的AC-3工作制，而是AC-1工作制。同一只接触器在AC-1工作制的额定电流大大高于AC-3工作制。

4.5.7　软起动器柜的通风散热

软起动器采用了晶闸管等电子元件，其性能对温度非常敏感，环境温度从40℃起，每升高1℃，容量大约降低1%。因此，柜体必须考虑进、出风的百叶窗，以便通风散热。

4.6　变频器

变频器的输出电缆长度有限制。当长度超出厂商的规定后，应采取设置输出电抗器等措施。

5．线路选择与敷设

5.1　电缆、电线选择

5.1.1　普通型聚氯乙烯绝缘电缆的适用温度范围为+60～−15℃，敷设时的温度更要求不低于−5℃。因此，在北方严寒地区应选用耐寒型线缆，在南方高温或强烈日照地区应选用耐热型线缆。

5.1.2　爆炸性气体环境1区内应采用铜芯电缆；2区内宜采用铜芯电缆，当采用铝芯电缆时，与电气设备的连接应有可靠的铜-铝过渡接头等措施。

5.1.3　爆炸性气体环境1区、2区内电线、电缆载流量：

导体允许载流量不应小于自动开关长延时过电流脱扣器整定电流的1.25倍。1000V以下鼠笼感应电机支线长期允许载流量，不应小于电机额定电流的1.25倍。5.1.4　由MCC至工艺装置的配电线路一般较长，应按电压损失校验导线截面，并按短路电流校验低压断路器动作的灵敏性。

5.1.5　变频器的输出电缆应采用屏蔽电缆。

5.2　线路敷设方式

化工项目的室外管线数量巨大，一般宜采用电缆桥架在综合管桥上敷设。室内一般采用电缆桥架及穿镀锌焊接钢管敷设方式。

爆炸性气体环境内，保护钢管应采用低压流体输送用镀锌焊接钢管，电缆线路的中间接头必须置于符合相应区域等级规定的防爆类型的接头盒中。1区内严禁有一般没有特殊防护的中间接头，在2区内不应有一般没有特殊防护的中间接头。

1类或2类化工腐蚀环境不宜采用电线穿钢管的敷设方式，电缆线路应尽量避免中间接头。

5.3　电缆桥架

为了防止腐蚀，电缆桥架推荐采用防腐型内敷金属骨架复合环氧树脂桥架，或玻璃钢桥架。

室外电缆梯架应加盖板，以防日光照射加速电缆老化。

6．防静电接地

化工项目接地系统包括工作接地、保护系统、防雷接地与防静电接地等。防静电接地是化工项目的重点。

6.1　防静电接地支线与连接线

防静电接地支线与连接线的最小规格按下表选择：

6.2　防静电接地干线与接地体

防静电接地干线与接地体最小规格按下表选择：

6.3　其他注意事项

6.3.1　固定设备、管道的接地端子与接地支线连接，宜用螺栓连接；有振动、位移的物体，应采用挠性线连接。

6.3.2　所有金属工艺设备、管道与储罐，均应做防静电接地。

6.3.3　直径大于或等于2.5m及容积大于或等于50m³的储罐应至少有2处接地点，并沿其外围均匀布置。

6.3.4　管道在进出装置区与建筑处、分岔处应进行接地。长距离无分支管道应每隔100m接地一次。

6.3.5　平行管道净距小于100mm时，应每隔20m加跨接线。当交叉管道交叉且净距小于100mm时，应加跨接线。

6.3.6　所有不能保持可靠电气连接的管道、阀门、罐盖与罐体等连接处应跨接。当金属法兰采用金属螺栓或卡子紧固时，一般可以不另装跨接线，但应保证至少有两个螺栓或卡子间具有良好的导电接触面。

6.3.7　吊车、电梯轨道的始端、末端以及每隔50m处应进行接地。

6.3.8　防静电地面每100m²至少应有1处接地。

6.3.9　爆炸危险环境以及净化区内的空调、通风系统的风管与风口应进行接地。

6.3.10　爆炸危险环境内的接地干线应在区域内不同方向不少于两处与接地体连接。

参考文献

1．《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》 GB 50058-92

2．《石油化工静电接地设计规范》 SH 3097-2000

（陆　崎，高级工程师，副总监，工总一院常务副院长，电气处处长）