智能中繼電源裝置低壓配電設(shè)計(jì)創(chuàng)新

■ 汪國(guó)燦 卜汪洋

在國(guó)家政策的引導(dǎo)下，全國(guó)各行各業(yè)都投入大量資源進(jìn)行節(jié)能研發(fā)。工藝節(jié)能、設(shè)備節(jié)能（提高效率）、管理節(jié)能、設(shè)計(jì)方案節(jié)能等齊頭并進(jìn)，節(jié)能事業(yè)取得了長(zhǎng)足發(fā)展。地鐵是城市能耗大戶，電能消耗占地鐵運(yùn)營(yíng)成本的比例較高，地鐵工程的節(jié)能研究是促進(jìn)地鐵事業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要措施之一。深圳地鐵除列車受電是DC 1 500 V之外，其他用電設(shè)備都是交流低壓（220 V/380 V）設(shè)備。低壓配電系統(tǒng)的節(jié)能研究十分重要，為不斷提升地鐵工程的能效水準(zhǔn)，創(chuàng)新低壓配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)不可或缺。

1 系統(tǒng)組成及能耗分析

1.1 系統(tǒng)組成

由變壓器和多個(gè)低壓出線回路組成的系統(tǒng)稱為低壓配電系統(tǒng)。低壓配電系統(tǒng)通常由變壓器、低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備、配電電纜、低壓用電設(shè)備組成（見(jiàn)圖1）。

1.2 能耗分析

變壓器將電網(wǎng)的高壓電轉(zhuǎn)換成低壓電，供低壓設(shè)備使用。電能一部分通過(guò)做功轉(zhuǎn)換成機(jī)械能（如驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)、水泵、電梯等）、光能（如點(diǎn)亮照明燈具）等，另一部分通過(guò)發(fā)熱損耗，因此，降低損耗是節(jié)能目標(biāo)。

圖1 典型低壓配電系統(tǒng)

2 節(jié)能設(shè)計(jì)

2.1 常規(guī)內(nèi)容

《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》[1]論述配電系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：選擇合適的電壓等級(jí)、高壓深入負(fù)荷中心建降壓變電所縮短低壓配電距離、提高功率因數(shù)、選配合適的變壓器、選配合適的電纜截面等。

對(duì)于大部分項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，采取“提高功率因數(shù)、選配合適的變壓器、選配合適的電纜截面”等措施可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能，且效果良好。但由于場(chǎng)地、工藝條件和用電設(shè)備的限制，電壓等級(jí)可選余地小，“負(fù)荷中心”也只是相對(duì)概念，長(zhǎng)距離低壓配電情況相當(dāng)普遍。長(zhǎng)距離配電線路損耗大，節(jié)能空間大，值得研究和探討。

2.2 線路損耗

線路損耗主要是線路阻抗（電阻）在電流通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的熱損耗，發(fā)熱量的大小由式（1）確定。

式中：Q為發(fā)熱量，J；I為電流，A；R為電阻，Ω；t為時(shí)間，s。

配電回路熱損耗與回路電流平方、回路電阻和通電時(shí)間成正比，回路電流的大小是回路熱損耗的關(guān)鍵。對(duì)于典型配電系統(tǒng)（見(jiàn)圖1），電動(dòng)機(jī)電流（負(fù)荷）即為回路電流。一相等效電路見(jiàn)圖2。

影響回路電流的關(guān)鍵因數(shù)是負(fù)荷（電動(dòng)機(jī)）的端電壓。

式中：U端為負(fù)載端電壓，V；U入為輸入電壓，V；△U線降為線路壓降，V。

由式（2）可知，負(fù)載端電壓與輸入電壓和線路壓降有關(guān)，輸入電壓越高，負(fù)載端電壓越高；線路壓降越小，負(fù)載端電壓越高。

圖2 一相等效電路

式中：△Ua為三相線路每1 A·km下降的電壓（與電纜截面有關(guān)，常數(shù)），V；I為回路電流，A；L為線路長(zhǎng)度，m。

由式（3）可知，在線路長(zhǎng)度不變的前提下，線路壓降與回路電流成正比。對(duì)于實(shí)際工程，負(fù)荷是由工程規(guī)模確定的，一旦工程規(guī)模確定，驅(qū)動(dòng)機(jī)械負(fù)載的電動(dòng)機(jī)功率基本不變。

式中：P為電動(dòng)機(jī)功率，kW；U為電動(dòng)機(jī)端電壓，V；I為電動(dòng)機(jī)電流，A；η為電動(dòng)機(jī)效率，%；cosφ為功率因數(shù)。

當(dāng)電動(dòng)機(jī)選配完成后，P不變，電動(dòng)機(jī)端電壓降低，則電流必然上升，而電流上升，則線路（回路）熱損耗成平方級(jí)上升。

2.3 計(jì)算實(shí)例

以圖1為例，末端（電動(dòng)機(jī)）電壓相對(duì)額定電壓下降5．88%，線路熱損耗相對(duì)額定損耗增加12%。200 m供電典型籠型低壓三相電動(dòng)機(jī)配電見(jiàn)圖3。

若配電距離為900 m，則末端電壓相對(duì)額定電壓下降29．4%，線路損耗相對(duì)額定損耗增加67．4%。900 m供電典型籠型低壓三相電動(dòng)機(jī)配電見(jiàn)圖4。

2.4 智能中繼電源裝置

由式（2）和2．3節(jié)計(jì)算實(shí)例可以看出，在負(fù)載和供電距離不變的情況下，電壓對(duì)線路損耗的影響較大。低壓配電系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案是在配電主回路中串接智能中繼電源裝置（箱），配合末端電壓信號(hào)反饋，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輸入端電壓，使末端電壓始終保持在額定電壓左右，線路損耗相對(duì)額定損耗增加0%，因此可大幅減少線路損耗。900 m中繼智能電源供電典型籠型低壓三相電動(dòng)機(jī)配電見(jiàn)圖5。

智能中繼電源裝置（箱）主要由交流遠(yuǎn)輸智能中繼電源控制系統(tǒng)、輸入輸出電壓電流采樣單元、末端電源采樣單元、電壓補(bǔ)償接收裝置、隔離驅(qū)動(dòng)電路、AC/DC模塊、DC/AC模塊、告警自動(dòng)切換旁路單元、信號(hào)反饋光纖等組成（見(jiàn)圖6）。

在智能中繼電源裝置（箱）輸入端、輸出端設(shè)信號(hào)檢測(cè)終端，將二信號(hào)進(jìn)行比較，在內(nèi)置智能中心控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)下，由功率模塊、IGBT等主要元件組成的電壓調(diào)節(jié)單元輸出△U，加載至輸出端，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的閉環(huán)控制；在末端（遠(yuǎn)端）設(shè)信號(hào)檢測(cè)終端，將檢測(cè)的信號(hào)與輸入信號(hào)比較，由電壓調(diào)節(jié)單元輸出△U，使遠(yuǎn)端電壓始終保持在額定電壓左右，線路損耗保持額定損耗。

圖3 200 m供電典型籠型低壓三相電動(dòng)機(jī)配電

圖4 900 m供電典型籠型低壓三相電動(dòng)機(jī)配電

圖5 900 m中繼智能電源供電典型籠型低壓三相電動(dòng)機(jī)配電

圖6 交流遠(yuǎn)輸智能中繼電源控制系統(tǒng)原理

3 結(jié)束語(yǔ)

低壓遠(yuǎn)距離供電不僅影響配電方案，還影響整體工程方案。理想的通風(fēng)方案是在區(qū)間隧道內(nèi)均布小功率的風(fēng)機(jī)，節(jié)能高效，但考慮到低壓供電距離的因素，目前地鐵工程大都選擇將風(fēng)機(jī)集中布設(shè)在車站兩端，由于通風(fēng)距離長(zhǎng)、風(fēng)阻大，必須選取更大輸出能力的風(fēng)機(jī)，配更大功率的電機(jī)。當(dāng)更大功率的風(fēng)機(jī)也不能滿足通風(fēng)工藝需要時(shí)，需在中間位置建區(qū)間風(fēng)井。不僅選址困難、土建工程浩大，不得不在風(fēng)井內(nèi)建高壓跟隨所，將高壓電通過(guò)變壓器降壓給風(fēng)機(jī)供電；當(dāng)建高壓跟隨所也不具備條件時(shí)，往往會(huì)采用大幅增大低壓配電電纜截面的配電方案，但這2種方案都會(huì)大幅增加投資。

采用智能中繼電源的設(shè)計(jì)方案是低壓配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一種創(chuàng)新，利用現(xiàn)代智能科技，使低壓配電不再受供電距離的強(qiáng)制約束，對(duì)優(yōu)化整體工程方案、減少工程投資具有重要意義。

[1] 中國(guó)航空規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院．工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]．4版．北京：中國(guó)電力出版社，2016．