空调冷水机组10KV供电的技术经济分析

空调冷水机组10KV供电的技术经济分析

（一） 空调机组10KV电压拖动问题的提出

1-1） 根据我国国情，中压电力网络，即城镇供电及地方工业企业供电网络的额

定电压规定为10KV。

1-2） 当马达容量大于200KW时，用380V时电流过大导线截面大大增加，导

致制造工艺困难，成本上升。所以按北京建工部，建筑电气设计手册建议凡220KW及以上的马达，条件允许及经济合理时宜选用10KV电机。 1-3） 约克空调机组当冷量到达1300TR及以上时（马达为5DC，942KW）已不

供应380V电机，只供应3，6，10KV电压电机。

1-4） 如使用0.38，3或6KV电动机时要增加10KV的降压变压器、高压柜、控

制柜、配电设施，此外更有变压器的电能损耗及增容费等。这一来大大增加了投资及运行管理费用。

1-5） 由于YORK为开式机组，特别有利于使用10KV电压拖动。

（二） 10KV马达的起动方式 2-1）直接起动（D.O.L）

此法简单、经济、可靠，但只适用于功率较小之马达；因为一般鼠笼式马达直接起动时，其起动电流约5-7倍马达的额定电流值，对电网电压扰动。使网上某些重要用户设备不能正常工作。

如果用户有自己的专用降压站（110/10KV）时，则粗略估计当电机容量不大于其接电的变压器容量的1/5时，并变压器的负载率约为0.5时，一般可容许马达直接起动（D.O.L）。 2-2）降压起动

2-2-1）带电抗器（Reactors）起动 优点：* 比Auto-trans少一个断路器， 较经济。

* 起动电流波形前沿斜度较缓， 对电动机较安全。 缺点：起动力矩比Autotrans小。 起动操作程序：合B1，ΔT后再合B2 2-2-2）带自藕变（Autotrans）起动 优点：起动力矩较电抗器强。 缺点：多了一个断路器，稍贵。

起动程序：合B1，再合B2，ΔT后合B3，跳B1 B2

（三） 供电电源系统 3-1）由城市电网供电 10KV电站，供电部门 10KV城市电网（电缆或架空线） 用户10KV总受电开关站 车间电缆 空调机房10KV马达 由城市电网供电时，业主一般要向供电部门的供用电科申请10KV用电，要提供10KV马达资料，供电部门要根据10KV马达的容量，起动方式等给予审批。此种情况如供电为用专用的馈电回路时，较有利于实现使用10KV马达D.O.L起动方式，如上海远洋中心地区城市电网供电，用1000KW马达D.O.L起动。 3-2）有专用变电站供电 电力部门 110KV 系统 用户110/10KV总降压站 车间电缆 空调机房10KV马达 由专用变压器供电时，只要变压器容量有足够大，一般非常有利于采用10KV马达的D.O.L起动，同时，如果变压器为企业所有上述更为有利，因可排除了电力部门的麻烦审批，电力部门认为是企业内部也不加干预。

（四） 电力变压器的功率及能量损耗计算 4-1）功率损耗

变压器的功率损耗包括有功及无功损耗二个部份。无功功率用来建立磁场影响企业用户的功率因数，有功功率直接为热能的损失影响经济成本效益。

今暂只先讨论有功损耗ΔPB； ΔPB = ΔPO+ΔPd Sjs 2 （KW） Se ΔPO — 变压器之铁损（KW）；由变压器之铁芯涡流引起之损失。 ΔPd — 变压器之铜损（KW）；由变压器绕组中铜导线中的电阻引起之热 损失，与负荷电流之平方成正比。 Sjs — 变压器之计算负荷（KVA）。 Se — 变压器之额定负荷（KVA）。

注：ΔPO与ΔPd，通过变压器的空载及短路试验获得之参数，可直接查厂家提供的变压器参数表获得。一般粗略估算可用如下之经验公式： 估算变压器之有功与无功损耗 ΔPB ≈0.02Sjs （KW） ΔQB ≈0.08Sjs （KVAR） 4-2）变压器之能量损耗

ΔWB = ΔPOt+ΔPd Sjs 2 τ（KW.H） Se t — 为变压器实际接入电网小时数。

τ— 为最大负荷损耗小时数。其含义为线路中的计算电流Ijs流过线路，经τ小时后，其电能损耗等于线路全年流过实际的变化电流的电能损耗。 有关τ值，工程中采用前苏联的研究成果根据各类工厂、车间的性质找出Tmax及其综合功率因数cos∮值，查苏联工程师制的曲线得τ值 τ=Φ（Tmax . cos∮） 有关参数Tmax等之概念见下图

Wa =0P(kw)P=kΦ(t)PmaxPjsT(H)Tmaxτ8760∫k∮(t)dt = PmaxTmax = Pjs τ. 4-3）NPLV概念之引入

由于冷水机组大部份的运行时间都是处于在部份负荷状况下，全年只有少数时间在满负荷及最低负荷下运行，大部份在中间负荷，因此机组的耗电及其能效要按一个叫综合部份负荷值来考虑，美国空调制冷学会（ARI）通过大量统计资料得出IPLV（NPLV）之计算公式 NPLV= 1 0.12 + 0.42 + 0.45 + 0.01 A B C D

用NPLV计出之冷水机组用电负荷可以假想为一个全年不变动而又等值的计算负荷，此时τ值也就是机组全年之实际运行小时数。 4-4）计算实例

详见附件1：①佛山电力调度大楼，使用10KV及380V冷水机组方案比 较。

②某国际机场使用10KV及6KV冷水机组之方案比较。

附 件 一

题目：佛山电力调度大楼

使用10KV冷水机组与使用380V冷水机组方案比较

一）冷水机组的组合方案

冷水机组：3台，545TR螺杆机

冷水机组型号：YSFBFAS55CNE（最大冷量可达550TR，详细技术数据详见约克产品

Catalogue） 二）电气接线系统图 A）380V冷水机组

10KV，VCB变压器断路器 电源10/0.4KV，1600KVA干式变压器 380V，2500A自动空气断路器一回及1000A三回低压配电柜 380V星角起动器柜 冷水机组电机380V，366KW，COSφ=0.87

B）10KV冷水机组

三）一次投资对比 设备及辅助设施投资比较表 单位：RMB 器 10KV，电源进线断路 10KV电机方案 10KV电缆接线箱10KV，开关柜（直接起动，D.O.L） 10KV马达366KW，电源380V电机方案 COSφ=0.87 电动机费用 3×153,228.00 3×82,882.00

（兰州电机厂） 电动机启动器柜 3×159,000.00 （无锡开关厂） 1600KVA干式变压器 （上海先锋电机厂） 3×48,543.00 （无锡开关厂） 285,000.00 （许继变压器/顺德变压器） 380V低压开关柜 机房增加面积 变压器室：3×4=12m 低压室：4×5=20m 造价：1200/m 变压器及低压开关柜 安装费用 合 计

四）运行费用——变压器损耗计算 A）NPLV概念引入

222 120,000.00 38,400.00 30,000.00 936,684.000 867,675.00 由于冷水机组大部份的运行时间内都是处于在部份负荷状况，全年只有少数时间处于满负荷及最低负荷，大部份时间在中负荷情况。因此机组的耗电及其能效要按一个叫综合部份负荷值来考虑。美国空调制冷学会（ARI）通过大量资料定出如下之综合部份负荷IPLV或NPLV计算公式： 1

IPLV= ———————————————————— 0.17 + 0.39 + 0.38 + 0.11 A B C D

其中：A=100%负荷时的KW/ton B= 75%负荷时的KW/ton C= 50%负荷时的KW/ton D= 25%负荷时的KW/ton 查YSFBFAS55CNE得如下参数： 输入功率332KW

100%负荷时，耗电0.604KW/TR 综合耗电指标NPLV为：0.479KW/TR B）变压器的投耗计算

? 条件：1）三台冷水机组同时投入一台变压器之低压侧运行 2）变压器SCB-1250/10

ΔP0=2,900W ΔPK=13,700W ? 变压器之铁损

ΔW0 =ΔP0×T×10

=2900×8760×10=25,404KWH

式中T=8760小时，为变压器全年接入电网的小时数 ? 变压器的铜损

ΔWK=ΔPK Sjs . τ×10 Sr 式中：Sjs变压器计算容量 Sjs=3×545TR×NPLV =3×545×0.479 =783.20KW 综合功率因数，取0.8 ∴Sjs= 783.2 =979KVA 0.8

Sr为变压器额定容量 Sr=1250KVA

τ:综合负荷下之实际运行小时数，办公室为：全年有7个月，每月取 22天，每天14小时，即τ=14×22×7=2156小时 ΔWK= 13700 979 ×2156×10 =18,118.19KWH 1250 ? 变压器总损耗

ΔWT=ΔW0+ΔWK=25,404+18,118.2=43,522.20KWH C）变压器年电能损失费用

广州市供电局规定一般商业用电为1.0722元/KWH 故电能损失费用每年为43522×1.0722=46,664.28元 五）结论

从上述投资及运行费用计算结果，此一案例10KV拖动较380V拖动投资贵69,009.00元，然而10KV方案可节省电能每年46,664.00元，电能的节省可以在1.47年回收投资差额。

2

-3

2

-3

-3

-3

69009 = 1.47年〈 5年 46664

根据中华人民共和国建工部推荐，在电机容量大于200KW时，电力驱动设备宜考虑选用高压电机。此外在本方案比较中有二个因素是对用10KV方案有利的还尚未计入： 1） 10KV马达能损一般都低于380V马达的能损（由于能损与电流平方成正比的关系）； 2） 380V系统需要一个变压器，对电网言变压器要吃掉电网的部份无功功率，供电局收费

是按10KV侧的功率因数收费，所以用380V时将较10KV时要增加许多的功率因数补偿设备投资。

综合上述之分析推荐使用10KV拖动方案。

附 件 一

使用10KV冷水机组及6KV冷水机组方案比较

一）

前言：

根据美国PARSONS公司的设计方案为采用8台2000冷吨，10KV电压的大型水冷式离心机组，如若将上述机组电压转成6KV时，由于要增加10KV变成6KV的变电设备，致使投资及电能损耗方面都将导致加大。下面以单台机组为例作技术经济比较供参考。 二） 机场总变电站 10KV出线 车间10/6KV的变压器室 10KV VCB 2000KVA 10/6KV 6KV，ISOLATOR 电气结线图：

6KV 10KV VCB 10KV 10KV VCB 空调机组车间 三）

一次投资对比：

1470KW COSф≈0.8 6KV降压起动设备 10KV降压起动设备 1470KW COSф≈0.8 在一次投资方面可以认为6KV及10KV之降压起动设备及马达相差不大，然而在使用6KV方案时需要增加一台2000KVA 10/6KV之变压器及其辅助设施，故此，使用6KV方案时将引起如下的投资增加： 1）变压器10KV侧高压断路器，10KV，VCB，31.5MVA 约RMB170,000.00（未计进口关税）

2）2000KVA，10/6KV，环氧树脂，低损耗型干式变压器 约RMB320,000.00（未计进口关税） 3）变压器6KV侧隔离开关 约RMB30,000.00

4）变压器室之安装及材料费用 约RMB20,000.00

5）变压器室之土建费用（30m2，RMB1600/m2） 约RMB48,000.00

以上1）—5）合计为RMB588,000.00，如若以8台机组计算则一次投资总差价为RMB4,704,000.00，此外，若使用6KV方案时，由于增加了变压器，变压器本身对系统言是一个无功负荷将导致供电系统的功率因数变坏，因而需要增加10KV侧的功率因数补偿装置（10KV静电电容器及其辅助设施）费用。 四）

运行费用——变压器损耗计算

A）NPLV概念引入

由于冷水机组大部份的运行时间内都是处于在部份负荷状况，全年只有少数时间处于满负荷及最低负荷，大部份时间在中负荷情况。因此机组的耗电及其能效要按一个叫综合部份负荷值来考虑。美国空调制冷学会（ARI）通过大量资料定出如下之综合部份负荷IPLV或NPLV计算公式： 1

NPLV = ——————————————————

0.12 + 0.42 + 0.45 + 0.01

A B C D

其中：A=100%负荷时的KW/ton B= 75%负荷时的KW/ton C= 50%负荷时的KW/ton D= 25%负荷时的KW/ton

明显IPLV值之高低将直接反映了水冷机组之部份负荷特性之好坏。 按经济型之水冷离心机组，一般应有如下之能耗指标： 100%负荷时，耗电不高于0.68KW/TR NPLV值不高于0.57KW/TR B）变压器的能耗计算

? 变压器资料：德国SGB之低能耗型环氧树脂干式变压器，2000KVA，10/6KV △Po = 3500W △Pk = 16700W ? 变压器之铁损 △Wo = △Po×T×10-3 = 3500×8760×10-3 = 30.660KWH

式中T=8760小时，为变压器全年接入电网的小时数 ? 变压器之铜损

Sjs 2 △Wo = △Pk Sr ×τ×10-3 式中Sjs为变压器之计算容量 Sjs = 2000TR×NPLV = 2000×0.57 = 1140KW

综合功率因数，取0.8

1140

∴ Sjs = 0.8 = 1425KVA Sr为变压器额定容量 Sr = 2000KVA

τ：综合负荷下之实际运行小时数取全年有7个月，每月取30天每天14 小时，即τ=7×30×14=2940小时 1425 2 △Wk = 16700 2000 ×2940×10-3

= 24925KWH ? 变压器总损耗

△Wt = △Wo+△Wk=30660+24925=55585

按广州市供电局规定电价为1.0722元/KWH，故电能损失费用每年为55585×1.0722=59598元，如若按8台机组计算，则总年电能损失为8×59598=RMB476786元。 C）马达之电能损失

一般同容量之10KV马达电能损耗要比6KV马达远少（由于缺马达参数，此项从略） 五）

结论：

从上述投资及运行费用计算结果，按8台机组计，6KV方案要增加约RMB4,704,000.00的投资及增加RMB476,786.00的运行费用，故不合理。

（五） 10KV起动柜的内附设备 5-1）断路器（CB）

型式：

— 多油式，OCB — 少油式，MOCB — 气体，SF6，GCB — 真空式，VCB

VCB，因为适用于连续多次操作，开断性能好，灭弧迅速，动作时间短，故非常适用于马达之开停车控制。

参数：主要参数为额定电压、电流及断流容量，动稳定及热稳定电流等等，请参见附件二，广州体育馆10KV降压启动柜之技术要求之二）及之四）。

附 件 二

广州体育馆1760冷吨冷水机组 10KV降压启动器柜之技术要求

一）

10KV降压启动器柜一次系统图

? G1：星点连接柜 内装：630A，25KA，VCB

1台 1台

电流互感器 1套 ? G2：封装起动柜

内装：630A，25KA，VCB

1台 1台

电流互感器 1套

电压互感器 1台

? G3：运行柜 内装：1250A，31.5KA，VCB 避雷器 继电保护装置 计量装置

? G4：进线柜 内装：保护及测量电流互感器 零序电流互感器

? 电抗器柜

1台 1台 1套 全套 全套 1台 3个 1个 1台

内装：1120KW起动自耦干式变压器 1台

二）

启动器柜的基本参数

? 10KV/3P/50Hz ? 额定电压：12KV ? 工作电压：10KV

? 试验电压：AC42KV/1min/75KV peak ? 额定电流：630A（G1，G2柜） 1250A（G3柜）

? 额定开断电流：25KA（G1，G2柜） 31.5KA（G3柜）

? 热稳定电流：25KA，3秒（G1，G2柜） 31.5KA，3秒（G3柜） ? 额定接合电流：63KA ? 防护等级：1P4X

? 保护、操作电压：220V，D.C. 三）

继电保护装置

? 10KV马达热保护

? 10KV马达过流保护 ? 10KV马达速断保护 ? 10KV马达零序保护 ? 不对称保护 ? 低电压保护 ? 过电压保护 ? 电抗器过温保护 ? 电容器故障保护 ? 电容器熔丝熔断保护 ? 起动超时保护

上述所有保护均动作报警及跳闸（G2、G3同时跳开），所有继电保护装置选择及灵敏度要求应满足中华人民共和国电力部有关的继电保护规程，并应优先考虑使用可编程序数字型的机电综合保护继电器，全部继电保护装置为保证安全可靠，要求采用全进口设备。 四）

真空断路器柜要求

? 提供的真空断路器柜应满足基本参数。（详见第二项）

? 为保证质量起见，提供的真空断路器柜用的真空断路器小车必须完全进 口原装产品，并有产地证书。

? 提供的真空断路器为带220V，A.C.马达储能，及220V，D.C.跳、合闸 机构。

? 断路器柜外型尺寸（深×宽×高）不大于如下数据（单位m/m）： 宽度不大于650mm 深度不大于1750mm 高度不大于2300mm

? 进出线方式：上顶或底部10KV电缆进出线。 五）

电抗器要求

— 1120KW电机起动自耦干式变压器 基本参数如下：

? 额定电压：10KV ? 额定频率：50Hz ? 相 数：3相 ? 电压轴头：6500V±10% ? 额定电流：75A ? 最大电流：422A ? 起动时间：30S ? 防护等级：IP31 ? 接 法：YaO ? 冷却方式：自然风冷 ? 绝缘等级：F级 ? 绝缘水平：LI75AC42 ? 每小时起动次数：3次 ? 绕组材料：铜导线，环氧树脂

附件：1）详细的10KV马达（1200HP）的技术参数，见附页。

2）为保证质量起见，制造厂家应能提供其工厂产品通过突发短路型式测 试合格证书（如荷兰国际公认的KEMA，STLA证书或其他权威高压 测试实验室所发证书）。 六）

联销控制要求

1、星点柜G1，起动柜G2，运行柜G3在起动前必须处于运行位置（完全提升或是隔离位置）及试验位置，否则不能起动。

2、若G1—G3，其中一台柜处于接地位置（母线或线路）时，不能进行空调起动。

3、若自耦变压器门打开，电容器柜门打开，不能进行空调起动。

4、为安全起见，降压起动电柜与10KV总配电站的供电断路器应设有电磁锁联锁，即保证总配供电的断路器完全打开后起动电柜G1—G3的断路器小车始能抽出。

5、降压启动器柜联销起动

— 将G1，G2，G3柜断路器小车置于运行位置（完全提升）。

— 将G1，G2，G3柜“手动”/“自动”选择开关置于“自动”，同时将“就 地”/“远方”选择开关置于“远方”。

— 按下空调起动按钮（在本柜或在空调控制盘上）起动次序如下：

星点连接柜（G1）合闸 起动柜（G2）合闸 延时（电机起动时间） 星点连接柜（G1）分闸 运行柜（G3）合闸 起动柜（G2） 分闸 起动结束空调电机正常运行。 6、起动柜与空调机组微电脑的信号及联锁。

? 空调机微电脑中心发110V交流起动信号（端子号2，24）至星点柜G1 令G1合闸，当2，24信号失去为停机，信号令G3分闸。

? 运行柜G3，送合闸接点信号（常开接点）至空调机微电脑中心（端子 号3，4）令空调主机打开导叶。

? 如起动柜保护跳闸，如过流等，要提供干接点断开控制中心端子号：1， 53。 七）

安装调试

? 降压起动器柜之供货商负责派人指导安装及调试。

? 降压启动柜供货商应向用户提供全套启动器柜之图纸 份供日后运行维 护使用。

? 降压启动柜之供货商应向用户提供培训，确保用户掌握操作技术。 ? 在降压启动柜未最终交接给用户使用之前，供货商应随时配合空调机组 的调试工作向空调机组提供10KV之起动电力。 ? 降压启动柜应提供保用期为二年。

5-2）电流互感器（CT）

主要参数：

— CT之变比，50/5，75/5，150/5，150/5（CT之副边额定电流均为5A） — CT之准确级，0.5，1，3，5P，10P，其中0.5级用于计费

1.0级用于测量 3，5P，10P用于保护

5-3）电压互感器（PT）

主要参数：

— PT之变比，10/0.1KV，35/0.1KV，110/0.1KV（PT之,副边额定电压为100V）

— PT之准确级，0.5，1，3，其中0.5级用于计费 1.0级用于测量 3.0级用于保护 5-4）继电保护

目前继电保护多选用智能型成套马达保护的保护继电器，如ABB厂生产的SPAM-150C型马达保护器，又VATECH厂生产的RHO-3成套马达保护器都在我们的项目中使用过，该等马达保护器均已包括马达的全部反时限，定时限电流保护。

关于电压保护，如低电压，过电压保护则另加继电器接入PT回路组成。 详见附件二 继保装置

附件三 速断保护及过流保护

5-5）Autotrans

详见附件二，第五点，电抗器要求 5-6）避雷器

目的为防止大气过电压，操作过电压而引起的设备损坏。要注意的当电源馈线为架空线时并经过雷区，此时10KV冷水机组的10KV马达应考虑加装旋转电机用避雷器。

（六） 马达（MOTOR）

冷水机组一般使用鼠笼式马达。 主要参数：

— 额定电压（见下面附注） — 额定电流

— 额定功率因数cos∮ — 起动电流 — 起动转矩 — 起动时间

— 过载能力（Service Factor） — 绝缘等级（A.E.B.F.H五级） 一般10KV机组考虑用F级 即环境温度400C 短时温升1300C 长期温升1150C

— 防护等级（IP22，IP55）

一般开式机组配的马达为IP22，防护等级越高，因越密闭，反而不利电机散热。

附注：关于马达之额定电压，其实是用电设备额定电压，一般有0.38，0.22，3，6，10KV

而发电机的额定电压是电网的标称电压，一般有0.4，0.23，3.15，6.3，10.5KV

（七） 变压器（TRANSFORMER） 7-1）主要参数

— 额定电压：10/0.4KV — 额定容量： KVA — 铁 损： W — 铜 损： W — 短路电压：4-6%

见附件四（广东顺德变压器厂资料） 参考价：（人民币，万元） 容量（KVA） 630 800 1000 1250 1600 2000

7-2）变压器容量的选择

变压器的容量根据其在电网上不同的使用时有不同的选择。例如不同的负荷性质（例如：考虑电机的起动，不同的阻抗特性、短路电压百分值、过负荷能力等），一般变压器容量均按负荷选择，我们做方案比较时，一般大约取

* 当一台变压器带一台马达时，变压器容量≧1.25马达容量

* 当一台变压器带2-3台马达时，变压器容量≧1.3-1.35马达容量之和

本体 15.8 18.6 21.5 24.6 28.5 35.4 外壳 2 2 2.4 3 3 3.5

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/sxft.html