淺談節(jié)能型低壓配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳偉權(quán)

摘 要：在節(jié)能理念深入人心的今天，節(jié)能型的配電系統(tǒng)越來越受到重視。根據(jù)低壓配電的特點(diǎn)，介紹了低壓配電系統(tǒng)的節(jié)能類型和廣義節(jié)能的措施和必要性，并探討了低壓配電系統(tǒng)短路保護(hù)工程中與廣義節(jié)能相關(guān)的設(shè)計(jì)，以為相關(guān)類型的設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：低壓配電；電氣設(shè)備；節(jié)能設(shè)計(jì)；輸配電損耗

中圖分類號(hào)：TM76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.20.118

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，電氣設(shè)備越來越多，配電技術(shù)性能日趨復(fù)雜，人們對(duì)配電系統(tǒng)低耗能的用電服務(wù)有了更高的要求。如果低壓配電系統(tǒng)在設(shè)計(jì)施工中出現(xiàn)誤差，將會(huì)產(chǎn)生安全隱患。因此，設(shè)計(jì)節(jié)能型配電系統(tǒng)十分必要，而廣義節(jié)能作為節(jié)能方式類型中更為全面的一種，將逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。

1 節(jié)能型低壓配電系統(tǒng)概述

1.1 節(jié)能與全生命周期節(jié)能

節(jié)能類型分為狹義節(jié)能和廣義節(jié)能兩種。狹義節(jié)能是指直接看得見的節(jié)能，或者說是有形的節(jié)能。這里的“有形”或者“直接看得見”的含義可以直接用能源消耗量（例如多少噸煤或油）或能量消耗量（例如多少度電）來統(tǒng)計(jì)或計(jì)量。這一概念考慮的范圍較小，不全面。廣義節(jié)能是指完全的節(jié)能，它既包括直接的、看得見的節(jié)能，又包括間接的、看不見的節(jié)能。對(duì)于配電系統(tǒng)來說，這種完全的節(jié)能更加重要。這里無形的能源消耗很難簡單地用能源消耗量來統(tǒng)計(jì)或計(jì)量，尤其是在系統(tǒng)全生命周期范圍內(nèi)的節(jié)能。

1.2 配電系統(tǒng)的耗能與節(jié)能

1.2.1 輸配電損耗

輸配電損耗包括供電源與配電點(diǎn)之間輸送電力以及向消費(fèi)者配送電力過程中產(chǎn)生的損耗。

1.2.2 經(jīng)濟(jì)電流法介紹

電纜截面的選擇既要考慮經(jīng)濟(jì)性，又要考慮功能性。導(dǎo)體的截面偏小，則線路初始投資較小，但線路損耗較大；導(dǎo)體截面偏大，則線路損耗降低，但會(huì)增加線路的初始投資。

1.2.3 經(jīng)濟(jì)電流法的局限性

依據(jù)商業(yè)、辦公、住宅等類型的民用建筑的用電特點(diǎn)，其年最大負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間與工業(yè)行業(yè)相比要小得多，年最大負(fù)荷損耗小時(shí)t也小得多。由經(jīng)濟(jì)電流密度j的計(jì)算公式可知，經(jīng)濟(jì)電流截面隨著t的增加而增加，并隨用電價(jià)格的增加而加大。

1.3 推廣廣義節(jié)能概念的必要性

對(duì)于配電系統(tǒng)來說，如果經(jīng)過系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，降低了配電系統(tǒng)的電能損耗，節(jié)約了若干千瓦時(shí)電，這個(gè)數(shù)字就是狹義節(jié)能的數(shù)字。而與此同時(shí)，此種系統(tǒng)優(yōu)化采用的措施（例如加大電纜截面、采用更復(fù)雜的設(shè)備）也是在開采、冶煉、加工和運(yùn)輸?shù)鹊囊幌盗协h(huán)節(jié)中都需消耗一定的能量而獲得的，它應(yīng)當(dāng)與某個(gè)

數(shù)量的能源等價(jià)。另外，在設(shè)計(jì)中降低了材料（例如銅材）的使用量，這個(gè)部分的節(jié)能效果則體現(xiàn)在減少了開采、冶煉、加工和運(yùn)輸?shù)纫幌盗协h(huán)節(jié)中消耗的能量，因此也相當(dāng)于節(jié)能。采用不同的配電系統(tǒng)所付出的設(shè)備安裝、后期維護(hù)的勞動(dòng)力也是不同的，此部分勞動(dòng)力以勞務(wù)費(fèi)來體現(xiàn)，但是工作人員得到的勞務(wù)費(fèi)系用于衣、食、住、行，進(jìn)而與能源消耗間接掛鉤。

2 短路保護(hù)（熱穩(wěn)定）校驗(yàn)與廣義節(jié)能

下面介紹短路電流大小、切斷短路電流時(shí)間與電纜（導(dǎo)線）截面選擇的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2.1 熱穩(wěn)定校驗(yàn)的必要性

《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50054—2011）第6.2.1條要求，“配電線路的短路保護(hù)電器應(yīng)在短路電流對(duì)導(dǎo)體和連接處產(chǎn)生的熱作用和機(jī)械作用造成危害之前切斷電源”。

《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50217—2007）第3.7.7條要求，“對(duì)非熔斷器保護(hù)回路，應(yīng)按滿足短路熱穩(wěn)定條件確定電纜導(dǎo)體允許最小截面”，第3.7.8條要求，“短路點(diǎn)應(yīng)選取在通過電纜回路最大短路電流可能發(fā)生處”。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，新建項(xiàng)目規(guī)模越來越大，其配電變壓器容量普遍較大，由低壓柜配出線路的短路電流自然也較大。因此，熱穩(wěn)定校驗(yàn)是低壓配電設(shè)計(jì)中普遍面臨的問題。

2.2 短路切斷時(shí)間與電纜選擇的關(guān)系

《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50054—2011）第6.2.3條規(guī)定，“當(dāng)短路持續(xù)時(shí)間小于等于5 s時(shí)，絕緣導(dǎo)體的截面積應(yīng)符合本規(guī)范公式3.2.14中的要求……短路持續(xù)時(shí)間小于0.1 s時(shí)，校驗(yàn)絕緣導(dǎo)體截面積應(yīng)計(jì)入短路電流非周期分量的影響”。

校驗(yàn)式為：

S≥ . （1）

公式（1）中：S為導(dǎo)體截面積，mm2；I為三相短路電流有效值，A；t為短路電流持續(xù)作用時(shí)間，s；K的取值有兩種——PVC絕緣電纜，K=115；XLPE絕緣電纜，K=143.

即KxSx（導(dǎo)體熱承受能力）>Ixt（短路電流的熱效應(yīng)）。當(dāng)斷路器切斷時(shí)間較長（同樣通過斷路器的短路電流的熱效應(yīng)較大）時(shí)，相應(yīng)的導(dǎo)體截面要求也越大。

未采用快速開斷及限流斷路器時(shí)，短路電流大。當(dāng)斷路器切斷時(shí)間較長（同樣通過斷路器的短路電流的熱效應(yīng)較大）時(shí)，相應(yīng)的導(dǎo)體截面要求也越大。例如某短路點(diǎn)三相短路電流為48 kA，選擇YJV電纜，K取143，斷路器短路開斷時(shí)間取20 ms，按導(dǎo)體熱穩(wěn)定計(jì)算，則S=48×1 000× /143=47.5 mm2。

采用快速開斷和限流斷路器時(shí)，短路電流大小與導(dǎo)體截面選擇和全周期耗能的關(guān)系。當(dāng)斷路器切斷時(shí)間較短（允許通過斷路器的短路電流的熱效應(yīng)受到限制）時(shí)，相應(yīng)的導(dǎo)體截面要求就大為降低。例如應(yīng)用某具有限流作用的斷路器時(shí)，由其熱應(yīng)力限制曲線查得其Id=50 kA處It<7×105（A2s），再次計(jì)算，得出S> /143=5.4 mm2。因此，通過采用具有快速開斷并具有限流作用的斷路器，使斷路器保護(hù)下的配電導(dǎo)體尖峰電流（kA峰值）和通過能量I2dt都得到降低，并合理減小配電導(dǎo)體截面，達(dá)到節(jié)材、節(jié)能的目的。

3 短路保護(hù)校驗(yàn)與低壓配電系統(tǒng)的廣義節(jié)能

短路電流大小、斷路器脫扣特性與電纜（導(dǎo)線）截面選擇的對(duì)應(yīng)關(guān)系。按照《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50054—2011）第6.2.4條的要求，“短路電流不應(yīng)小于低壓斷路器瞬時(shí)或短延時(shí)過電流脫扣器整定電流的1.3倍”。

對(duì)于TN系統(tǒng)的低壓網(wǎng)絡(luò)，單相接地故障電流Id（1）可用下式計(jì)算：

. （2）

公式（2）中：R2php、X2php為短路電路的相保電阻、相保電抗，mΩ。

在工程設(shè)計(jì)中，采用過電流保護(hù)電器兼作接地故障保護(hù)時(shí)，需根據(jù)電纜末端接地故障電流Imin判斷過電流保護(hù)是否能可靠分?jǐn)啵瑵M足要求。對(duì)于長距離電纜配電，電纜線路末端短路電流過小，采用普通的熱磁脫扣器時(shí)，由于熱磁脫扣型斷路器瞬時(shí)分?jǐn)嘤呻姶琶摽燮魍瓿桑L延時(shí)分?jǐn)嘤蔁崦摽燮鱽硗瓿?，因此其短路?dòng)作電流倍數(shù)往往不可調(diào)或倍數(shù)較大，達(dá)不到保護(hù)靈敏度的要求。

不采用短延時(shí)技術(shù)時(shí)，配電距離與電纜（導(dǎo)線）截面選擇和廣義節(jié)能關(guān)系。常用微型斷路器脫扣曲線為B＼C＼D曲線，其中，B型脫扣曲線脫扣電流為3～5 In、C型脫扣曲線脫扣電流為5～10 In、D型脫扣曲線脫扣電流為10～14 In。表1為采用

微型斷路器時(shí)，滿足短路保護(hù)靈敏度的配電距離與導(dǎo)體截面的選擇關(guān)系。

計(jì)算不采用具有短延時(shí)功能的電子脫扣器的塑殼斷路器（其電磁脫扣器瞬動(dòng)倍數(shù)按10倍取值）配電距離與導(dǎo)體截面的選擇關(guān)系。

采用短延時(shí)技術(shù)時(shí)，短路電流大小與電纜（導(dǎo)線）截面選擇和廣義節(jié)能關(guān)系。下面討論采用具有短延時(shí)功能的電子脫扣器的塑殼斷路器（以短延時(shí)倍數(shù)5倍為例）配電距離與導(dǎo)體截面的選擇關(guān)系。

由于所采用計(jì)算公式的線性特點(diǎn)，當(dāng)配電線路電纜截面不變（即單位長度阻抗不變），而上級(jí)斷路器短路脫扣電流由I1減小為I2時(shí)，相應(yīng)的出線電纜最大供電半徑R2max按下式換算即可：

R2max=R1max×l1/l2. （3）

例如5×16電纜對(duì)應(yīng)Is=500 A斷路器，Is=10 In電磁脫扣器的最大供電半徑為102 m，則由公式（3）可簡單計(jì)算出5×16電纜對(duì)應(yīng)Is=300 A斷路器（Is=6 In電磁脫扣器）的最大供電半徑為R2max=102×500/300=170 m。即采用帶短延時(shí)脫扣器的斷路器時(shí)，能顯著增加相同截面導(dǎo)體滿足短路保護(hù)（靈敏度）的供電距離。針對(duì)配電距離較長的電纜配電回路，如果所選的電纜截面已滿足電壓偏差和熱穩(wěn)定要求，可采用此方式在滿足短路保護(hù)的條件下通過節(jié)省材料消耗有效減少總費(fèi)用，由此達(dá)到節(jié)能的目的。

4 結(jié)束語

綜上所述，電力是一種應(yīng)用面廣、使用方便的能源，在整個(gè)節(jié)能工作中具有重要的地位。在設(shè)計(jì)時(shí)，合理選擇方案、合理選用用電設(shè)備和加強(qiáng)其他節(jié)能措施對(duì)節(jié)約電能是十分重要的。對(duì)此，發(fā)展節(jié)能型低壓配電系統(tǒng)勢(shì)在必行，而廣義節(jié)能這種在系統(tǒng)全生命周期范圍內(nèi)的節(jié)能方式更應(yīng)得到大力推廣。

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〔編輯：王霞〕