摘要：冷水机组是地铁车站大功率用电设备之一，对其的配电需要格外重视。冷水机组配电开关的选择出现失误，则容易发生跳闸甚至是越级跳闸事件。地铁车站对设备安全级别要求较高，对越级跳闸的情况几乎是零容忍的。本文通过对地铁冷水机组配电开关选型过程可能出现的具体问题进行分析，提出解决措施，对今后冷水机组配电设计和冷水机组生产过程的开关选型具有参考意义。
关键词：冷水机组、配电、开关选型
一、前言
压缩机是冷水机组的核心部件。冷水机组厂家在生产冷水机组时，存在压缩机选型偏大的情况，即所选配的压缩机全功率相对于冷水机组制冷功率本身存在余量。地铁低压配电专业设计在配电开关选型设计的时候，往往只核算到冷机本身制冷功率，而忽视了冷水机组厂家选配的压缩机全功率与制冷功率可能存在的偏差。当只按冷机本身的制冷功率来对配电开关进行设计，容易存在上下级开关不匹配，出现跳闸事件。
二、地铁冷水机组既有配电方式
地铁冷水机组的配电方式大致分为两种。一种是三级开关方式，即由变电专业所辖混合降压变电所的独立开关馈出一路三相四线的400V电源，到环控电控室的开关，再到冷机的进线开关，简述成“变电开关—环控电控开关—冷机进线开关”。一种是直接从变电专业所辖混合降压变电所独立开关馈出，直接到冷水机组的进线开关，简述成“变电开关—冷机进线开关”型。从节约成本以及“简单即可靠”的原则考虑，新开通的地铁线路更倾向于第二种配电方式。
但采用第二种配电方式在后期运营管理上可能存在一些麻烦。在地铁运营管理过程中，变电开关的安全管理等级往往处于较高等级，运营调度部门和安全管理部门往往会对变电开关的异常动作倾入更大的关注。在他们看来，一个变电开关跳闸引起的电网波动可能会加大整个变电网连环跳闸的风险，而连环跳闸所带来的巨大影响和损失是他们无法接纳承受的。而如果只是是变电开关下桩的开关跳闸，这种担心就显得不那么必要。因此，在运营调度管理中，变电开关跳闸和变电开关下桩开关跳闸的应急响应级别也不一样的，前者高，后者低。当采用第二中配电方式，一旦冷水机组对应上桩变电开关跳闸，则高级别的应急响应将被启动，这对于变电专业设备维保部门和冷水机组专业设备维保部门来说，将又是一次大考验。
需要说明的是，冷机进线开关采用断路器的形式，其灵敏等级相比于上桩变电开关的灵敏等级一般较低，也加大了越级跳闸的风险。
三、目前配电开关的选型过程
低压配单专业的配电开关的选型是由设计单位完成的。设计单位内部也分专业，与冷水机组配电开关有关联的专业设计有：通风空调专业设计、低压配电专业设计。专业之间存在接口与配合的关系。
冷水机组的配电开关选型的流程大致是这样的：通风空调专业设计核算本车站冷负荷，按一定的系数选定冷水机组的制冷量，再通过制冷量和制冷COP,换算制冷输入功率。通风空调专业设计向低压配电专业设计提资，把制冷输入功率提给低压配电专业设计，由低压设计专业按一定系数选定配电开关的容量。
另一方面，通风空调专业设计把冷水机组制冷量、输入功率等资料提交业主（建设单位），业主进行招标确定冷水机组供货商。之后，由供货商生产制造冷量、输入功率等参数符合要求的冷水机组产品并供货。
冷水机组四大部件当中，蒸发器、冷凝器结构较为简单，由冷水机组生产厂家在拿到制冷量、输入功率等参数要求之后才进行设计和制造的，即使不是重新设计，冷水机组生产厂家也会有制冷量梯度完整的图纸资料，基本上都能匹配出与本次用户需求的制冷量对应的蒸发器、冷凝器并组织生产。而对于冷水机组最关键的部件——压缩机，由于其内部结构精密，设计、成型周期漫长，无法针对具体制冷量短时间内完成设计和生产，只能在有限的系列型号中选择与制冷量较接近的压缩机。更何况，有些冷水机组生产厂家自己并不具备压缩机设计生产的能力，需要从上游供货商购买。而在选配压缩机时，冷水机组生产厂家为保证冷水机组在几十年的使用寿命过程中都具备足够的制冷输出，所选的压缩机往往会有所偏大。
压缩机的运行功率随冷媒流量的变化而变化，即使是大一号的压缩机，其运行时的输入功率可以控制在与制冷量相匹配的功率水平，即运行功率可以做到与通风空调设计给出的输入功率一致。但是，压缩机启动的瞬间，启动电流与冷媒的流量无关，而是与压缩机的电机绕组磁场有关，大一号的压缩机，其启动瞬间的电流自然也大。
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假设某一个工点的冷水机组，通风设计要求的制冷量是A千瓦，COP要求达到B，则输入功率为A/B千瓦，假设运行电流在数值上等于输入功率的2倍，则满载运行电流为2A/B安培。再假设启动电流是运行电流的7倍，则启动电流为2*A/B*7=14A/B安培。冷水机组生产厂家如果选配压缩机选大了一号，假设压缩机全功率运行的输入功率是120%*A/B千瓦，则启动电流为2*120%A/B*7=16.8A/B安培。
低压配电专业设计在设定配电开关的整定值时，由于不知道冷机生产厂家选配的压缩机实际启动电流会是16.8A/B安培，仍然按14A/B安培的值来设定配电开关的整定值，自然就会出现冷水机组启动瞬间电流值超过变电专业低压开关整定值的情况。更何况，有时候，冷水机组生产厂家选配的压缩机全功率不仅仅是制冷输入功率的120%。
四、工程中存在的问题实例及影响
6月8日凌晨七号线某站冷水机组对应的变电专业两个低压开关相继出现速断保护动作，两台冷水机组停止运行。经维修人员抢修处理，把低压开关的整定值调至2800A，重新开机，两台冷机最终恢复运行。
该站设置两台制冷量均为962.2kW的冷水机组，制冷输入功率分别为162.4KW，压缩机型号均为CSW95113-280Y-38D。压缩机铭牌显示，Ｙ型启动电流为845A，△启动电流为2646A。但是，对应变电专业低压开关的整定值却只有2400A，故障当天晚上跳闸瞬间，捕捉到的冷机启动电流分别是是2533A，2497A，后分析发现，故障发生时正好是冷水机组压缩机△接触器吸合的瞬间。
而冷水机组自带的断路器规格为400A，开关本身瞬时保护电流设置成9倍，即在大电流达到3600A，断路器才会立即动作。当晚的故障，实际电流值先达到变电开关的整定值，却未达到自带断路器的瞬时保护值，故出现冷机自带的断路器未跳闸、变电专业低压开关先跳闸的越级跳闸事件。
后经进一调查，发现通风空调专业设计在给低压配电设计提资的时候，只把制冷输入功率162.4KW的信息给到了低压配电专业设计，低压配电专业设计根据运行电流的7倍设置了开关的瞬时保护整定值为2400A（162.4*2*7=2298.8A，取偶数整为2400A），而没有考虑到冷水机组制造厂家选配了大一号的启动电流为2646A的压缩机，比2400A多了10.25%。
由于通风空调专业设计、低压配电专业设计、冷水机组生产厂家之间没有进行有效沟通，该问题未能尽早发现，问题在设备交付运营之后出现，给运营部门的设备管理工作带来极大的被动。
五、原因分析及解决方式
综上分析，问题原因及解决方式如下。
（一） 通风空调专业设计向低压配电设计的提资不准确。通风空调专业设计缺乏对冷水机组生产过程的必要了解，提资前没能预见冷水机组选配压缩机时可能存在制冷功率与压缩机全功率之间的差异。
通风空调专业设计、低压配电专业设计、冷水机组生产厂家之间应进行及时有效的沟通。通风空调专业设计在向低压配电专业设计提资前，应当先与冷水机组生产厂家进行压缩机选型情况的确认，确保提资的准确性。当然，存在一种情况是，在提资的时候，业主还没有确定由哪家冷水机组生产厂家供货，此时，通风空调专业设计应当明确告知低压配电专业设计，要求尽可能留足所选用配电开关的预量。通风空调专业设计作为供货商与低压配电专业设计的沟通桥梁，做好此类问题的预想。
（二） 冷水机组生产厂家没有及时将制冷功率与压缩机全功率之间的差异告知通风空调设计。
冷水机组生产厂家在压缩机选型时，应尽可能的与通风空调专业设计给定的输入功率一致。实际上，随着制造技术的革新加速，压缩机的设计和制造的水平已经发展到一定的水平。对于冷水机组生产厂家自身生产压缩机的，则建议对所生产的压缩机的型号序列进行填充，减小两个相邻型号压缩机之间的制冷梯度，丰富产品系列，以便能在为冷水机组选配与制冷量匹配程度更高的压缩机。而对于外购压缩机的冷水机组生产厂家，应考虑选择产品系列更加丰富的上游供货商。另一方面，冷水机组厂家应尽早向通风空调专业设计反馈所选压缩机容量与制冷量的差异，促进问题的发现和今早解决。
（三）业主在采购合同中没有对冷水机组选用的进线开关提出明确要求，冷水机组供货商为降低成本选用了无容量选择功能的进线开关，且开关没有做到比上桩供电专业低压开关的整定值小。
业主在用户需求书中，应当明确要求冷水机组所选用的进线开关必须小于上桩变电专业低压开关的整定值，或者应具备容量选择功能，确保能通过选择功能调整开关容量至小于上桩变电专业低压开关的整定值。在工程上，确保一个供货商绝对服从另一个供货商的设备实施起来可能存在困难。因此，选择具备容量选择功能的断路器是较好的方法，而具备容量选择功能的断路器往往比普通断路器贵。由于涉及到供货商的成本问题，业主应在用户需求书中明确要求，并考虑费用问题。
六、小结
本文通过对地铁冷水机组配电方式的说明，指出目前的配电方式给运营部门带来的管理困难和风险，通过实例，指出在设计阶段冷水机组配电开关选型问题上存在的错误，分析原因和提出了具体解决措施，对今后的设计选型工作提供了具体的指导意见。通风空调专业设计、低压配电专业设计、冷水机组供货商、业主等单位，应当关注到所述问题所在，并避免问题不能及时发现而导致风险和压力转嫁给到运营单位。运营单位在新线开通前的验收工作中，也应对此类问题进行专项排查，提高验收质量。
论文作者:马启棣
论文发表刊物:《防护工程》2019年第5期
论文发表时间:2019/6/18
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