電氣供配電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

中冶焦耐(大連)工程技術(shù)有限公司 陳 靜

電能設(shè)備由低壓配電系統(tǒng)和高壓輸送系統(tǒng)組成，二者協(xié)作完成電力運(yùn)輸。當(dāng)前我國(guó)大部分城市在運(yùn)輸電力中運(yùn)用遠(yuǎn)程輸配電形式，其中10kV是電力傳送中對(duì)電壓的最大限制，需運(yùn)用電氣供配電系統(tǒng)將高壓配電轉(zhuǎn)至10kV電壓后再為各個(gè)用電終端系統(tǒng)傳輸電力，同時(shí)結(jié)合實(shí)際用電需求分配具體工作。經(jīng)合理分配后的電力從低壓變電系統(tǒng)將高壓電流有效轉(zhuǎn)換為工廠與家用電壓、再經(jīng)輸電線為用戶傳輸電能，供其使用。電氣供配系統(tǒng)并非簡(jiǎn)單地保障電能準(zhǔn)確合理分配，還關(guān)系到是否能滿足用戶生活生產(chǎn)需求。在供配電系統(tǒng)中應(yīng)用先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，能有效提升供配電系統(tǒng)智能化與自動(dòng)化水平的同時(shí)保障輸配電質(zhì)量，最大限度滿足現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展安全高效用電[1]。

1 電氣供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在問(wèn)題

配電設(shè)備設(shè)計(jì)缺乏合理：部分工程項(xiàng)目在設(shè)計(jì)供配電系統(tǒng)時(shí)為獲取利益最大化，在工程中投入的機(jī)電設(shè)備性能相對(duì)落后，以致于存在較為嚴(yán)重的線損問(wèn)題。與此同時(shí)，供電設(shè)備因電容量不足在后期投入使用后加大安全隱患，尤其無(wú)法保障部分遠(yuǎn)距離地區(qū)正常供電。此外，部分供電區(qū)域未在設(shè)計(jì)中添加性能完好的智能開關(guān)，不僅大幅降低電量使用率，更無(wú)法保障電氣供配電系統(tǒng)安全性。

供配電能不符要求標(biāo)準(zhǔn)：蓬勃發(fā)展的經(jīng)濟(jì)社會(huì)不斷加大用電負(fù)荷，正因如此要求斷路器、供配電線路等設(shè)施與用電負(fù)荷增長(zhǎng)相一致，目的在于使供電趨于安全穩(wěn)定。然而很多設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)供配電系統(tǒng)時(shí)因未科學(xué)準(zhǔn)確預(yù)估用電負(fù)荷增長(zhǎng)速度，造成供配電相關(guān)線路和設(shè)備脫離用電負(fù)荷增大速度，從而降低供配電整體電能，更無(wú)法有效保障電能安全、穩(wěn)定、高質(zhì)供應(yīng)[2]。

變壓器長(zhǎng)期負(fù)載率過(guò)低：通常工廠變壓器對(duì)長(zhǎng)期負(fù)載率的要求較高。國(guó)家相關(guān)要求指出，在設(shè)計(jì)工廠變壓器時(shí)其負(fù)載率不能超過(guò)85%。若長(zhǎng)時(shí)間負(fù)載率設(shè)計(jì)偏低則會(huì)加大變壓器容量，進(jìn)而提升用戶基本電費(fèi)以及加大用電經(jīng)濟(jì)成本。很多工廠以多期建設(shè)為主，適合在廠房?jī)?nèi)設(shè)計(jì)獨(dú)立變電所，如變電所內(nèi)存有大量工藝設(shè)備，在具體設(shè)計(jì)中可對(duì)變壓器位置進(jìn)行預(yù)留，當(dāng)預(yù)留工藝設(shè)備進(jìn)入生產(chǎn)階段后再適當(dāng)添加變壓器，最大限度保證供配電設(shè)備合理、經(jīng)濟(jì)與安全。

電纜導(dǎo)體截面選擇有誤：對(duì)于供配電設(shè)計(jì)而言，最為重要的環(huán)節(jié)之一即導(dǎo)體截面和電纜。結(jié)合實(shí)際情況科學(xué)選取導(dǎo)體與電纜截面能最大限度保障供配電系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中承受大負(fù)荷用電。然而在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，雖然按照負(fù)荷計(jì)算電流要求并基于此選取導(dǎo)體界面和電纜，卻未充分考慮供電距離與部分通電設(shè)備末端電壓，以致于供配電缺乏科學(xué)合理。

2 優(yōu)化電氣供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式

2.1 準(zhǔn)確計(jì)算負(fù)荷

通常在配電設(shè)計(jì)過(guò)程中選取電器和導(dǎo)體時(shí)參考30min內(nèi)最大平均負(fù)荷發(fā)熱條件，所謂平均負(fù)荷即在一段時(shí)間內(nèi)電廠從發(fā)電機(jī)母線送出的總電量與該段時(shí)間之比，選取代表性較強(qiáng)的晝夜電能消耗量作為最大負(fù)荷，在計(jì)算電能消耗量和最大負(fù)荷時(shí)以平均負(fù)荷為主。計(jì)算負(fù)荷需要運(yùn)用二項(xiàng)式、系數(shù)法等方式，本文研究分析的供配電系統(tǒng)為某個(gè)工廠，涉及較多地用電部門和用電設(shè)備臺(tái)數(shù)，故而需運(yùn)用系數(shù)法確定負(fù)荷。

如，針針對(duì)單臺(tái)用電設(shè)備主要計(jì)算有功和無(wú)功負(fù)荷，其中有功負(fù)荷（kW）計(jì)算公式為P30=KdPe，式中，P30表示設(shè)備有功計(jì)算負(fù)荷、Kd表示用電設(shè)備組所需系數(shù)、Pe表示用電設(shè)備組總設(shè)備容量。無(wú)功負(fù)荷計(jì)算公式為Q30=P30tanφ，式中，Q30表示設(shè)備無(wú)功計(jì)算負(fù)荷、tanφ表示應(yīng)用于用電設(shè)備組功率因數(shù)cosφ的正切值。電流計(jì)算公式其中I30表示計(jì)算電流，s30表示用電設(shè)備組在視在功率，UN表示用電設(shè)備組額定電壓。

2.2 高壓供電線路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)高壓供電線路時(shí)要充分考慮配電室選址，其中在設(shè)計(jì)配電所要求做到技術(shù)先進(jìn)、供電安全可靠，便于維修，經(jīng)濟(jì)合理。結(jié)合工程發(fā)展規(guī)劃、規(guī)模、特征對(duì)近期與遠(yuǎn)期建設(shè)發(fā)展關(guān)系給予正確處理，盡可能做到遠(yuǎn)近結(jié)合。結(jié)合用電容量、負(fù)荷性質(zhì)、地區(qū)供電條件、配電所環(huán)境、節(jié)約電能等多重因素并綜合考慮建設(shè)單位意見，在此基礎(chǔ)上確定設(shè)計(jì)方案。根據(jù)國(guó)家和行業(yè)產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)選取變配電所元件和設(shè)備，若經(jīng)濟(jì)條件允許，可優(yōu)先考慮和選用經(jīng)濟(jì)適用性好、技術(shù)先進(jìn)且符合國(guó)家節(jié)能要求的設(shè)備與產(chǎn)品。在劃分負(fù)荷等級(jí)方面，需按照國(guó)家與行業(yè)要求和標(biāo)準(zhǔn)分為一級(jí)負(fù)荷、二級(jí)負(fù)荷、三級(jí)負(fù)荷。

選擇對(duì)接線方案時(shí)，根據(jù)變電所所在供電系統(tǒng)地位、設(shè)備特征、進(jìn)出線回路數(shù)、負(fù)荷性質(zhì)等特定主接線，同時(shí)需滿足靈活、安全、經(jīng)濟(jì)、可靠等要求。通常高壓側(cè)進(jìn)線有一條公用電源干線（10kV），通過(guò)與附近工廠連接高壓聯(lián)絡(luò)線方獲取備用電源，從而滿足工廠二級(jí)負(fù)荷要求。故而，變電所高壓側(cè)分別一條工作和一條備用電源進(jìn)線，在設(shè)計(jì)中針對(duì)10kV可運(yùn)用單母線方案，保證供電安全可靠的同時(shí)滿足擴(kuò)建要求[3]。

2.3 無(wú)功補(bǔ)償

在供配電系統(tǒng)中衡量電能質(zhì)量重要指標(biāo)之一即功率因數(shù)高低。如功率因素偏低說(shuō)明供配電系統(tǒng)中缺少無(wú)功電源，降低系統(tǒng)電壓，增加電能損耗，對(duì)供電線路輸電能力造成影響。一般供電部門月平均功率在0.9以上左右，如自動(dòng)總平均功率因數(shù)出現(xiàn)偏低情況，只提升用電設(shè)備自然功率無(wú)法達(dá)到預(yù)期要求，所以運(yùn)用無(wú)功率補(bǔ)償設(shè)備使工廠功率因數(shù)得到提升。

無(wú)功補(bǔ)償分為高壓集中補(bǔ)充和低壓集中補(bǔ)償。高壓集中補(bǔ)償即在高壓配電所高壓母線上集中裝設(shè)并聯(lián)電容器，該方式只能對(duì)高壓母線之前線路無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償，無(wú)法有效補(bǔ)償之后無(wú)功功率；低壓集中補(bǔ)償。在變電所低壓母線上裝設(shè)并聯(lián)電容器，通常用電負(fù)荷相對(duì)集中的小型企業(yè)和工廠會(huì)運(yùn)用此相對(duì)經(jīng)濟(jì)的補(bǔ)償方式。其中運(yùn)用公式表示并聯(lián)電容器Qcc：上述公式中Pmax表示總平均最大功率、kW，cosφ1表示運(yùn)用過(guò)程中平均功率因數(shù)，cosφ2與cosφ3分別表示最大使用時(shí)平均功率因素與目標(biāo)功率因數(shù)。

2.4 低壓回路導(dǎo)線選取與設(shè)計(jì)

低壓電線電纜有較大載流量，所運(yùn)用的電線電纜均為鋁質(zhì)和銅質(zhì)，且具有較強(qiáng)的過(guò)載能力和導(dǎo)電性能等，如添加過(guò)度則會(huì)提升供配電系統(tǒng)建造成本。非有效選取電線電纜會(huì)引發(fā)線路事故、造成項(xiàng)目投資失敗。引發(fā)火災(zāi)的重要因素之一即電線電纜短路，對(duì)此，在設(shè)計(jì)供配電系統(tǒng)時(shí)需結(jié)合實(shí)際情況正確選取電線電纜規(guī)格與型號(hào)，最大限度保證供配電系統(tǒng)安全與可靠。

首先選取電線電纜類型；結(jié)合負(fù)荷性質(zhì)、用電場(chǎng)所、敷設(shè)方式、選擇銅芯電線電纜與導(dǎo)體絕緣類型。目前多數(shù)普通回路運(yùn)用PVC（耐酸堿聚氯乙烯），火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)保護(hù)對(duì)象、消防供電等運(yùn)用有機(jī)絕緣耐火類或礦物絕緣電纜；其次合理選擇電線電纜截面，如沒有合理選擇電線電纜截面，則會(huì)對(duì)供配電系統(tǒng)的安全可靠以及電線電纜使用壽命造成影響，所以在選擇電線電纜截面時(shí)需做到導(dǎo)體最小截面與機(jī)械強(qiáng)度要求相符、線電壓損失處于允許值范圍、根據(jù)環(huán)境條件、敷設(shè)方式明確的導(dǎo)體截面，要求導(dǎo)體載流量不能小于預(yù)期電荷電流以及根據(jù)相關(guān)保護(hù)條件所明確的電流。

2.5 合理選取設(shè)備

對(duì)于供配電系統(tǒng)而言，需根據(jù)安裝、環(huán)境、正常工作等多個(gè)條件選擇互感器、高低壓開關(guān)電器、電力變壓器等電氣設(shè)備與導(dǎo)線，還需根據(jù)故障情況檢驗(yàn)部分設(shè)備短路電路的熱溫度度與動(dòng)穩(wěn)定度，不僅要保障供配電系統(tǒng)可靠、安全、高質(zhì)，還要便于后續(xù)維修。與此同時(shí)，針對(duì)供配電系統(tǒng)需結(jié)合工作條件選取電氣設(shè)備，在此過(guò)程中需考慮電氣設(shè)備電氣要求與裝設(shè)環(huán)境條件等因素。校驗(yàn)電氣設(shè)備短路情況時(shí)需根據(jù)極有可能出現(xiàn)的三相短路故障時(shí)的動(dòng)檢驗(yàn)熱穩(wěn)定度，通常無(wú)需考慮具有熔斷保護(hù)導(dǎo)體、電器、架空路線等動(dòng)穩(wěn)定度。雖然供配電系統(tǒng)涵蓋的電氣設(shè)備有著不同作用，但有很多相同的選擇要求與條件。各個(gè)設(shè)備需在正常工作環(huán)境下選擇額定電流與電壓，再根據(jù)短路故障條件對(duì)其熱穩(wěn)定度與動(dòng)穩(wěn)定度進(jìn)行檢驗(yàn)，最大限度保證電氣設(shè)備高質(zhì)安全運(yùn)行。

在避雷器選擇方面，當(dāng)前電工裝設(shè)施工方面都會(huì)安裝避雷器，不僅能保護(hù)電力設(shè)備在運(yùn)行中受到瞬時(shí)過(guò)電壓危害與影響，還能將續(xù)流截?cái)啵苊庖l(fā)接地短路故障。一般在帶電導(dǎo)線與地之間安裝避雷器，該設(shè)備會(huì)在電壓值達(dá)到規(guī)定范圍內(nèi)動(dòng)作高壓時(shí)立即動(dòng)作并流經(jīng)過(guò)電荷，對(duì)過(guò)電壓幅值形成限制，達(dá)到保護(hù)電力設(shè)備絕緣目的。當(dāng)電壓值處于正常狀態(tài)后，設(shè)備迅速恢復(fù)原狀，有效保證供配電系統(tǒng)安全穩(wěn)定供電。

2.6 節(jié)能措施

目前我國(guó)極力倡導(dǎo)節(jié)能減排理念，很多領(lǐng)域相繼開展節(jié)電工作，要求節(jié)約資金與能源的同時(shí)提升電能使用效能和利用率。節(jié)電工作除改造供配電系統(tǒng)，還要適當(dāng)改造水泵、風(fēng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)等用電設(shè)備。對(duì)于工涉及較多用電設(shè)備的工廠而言，考查其電氣情況以配電系統(tǒng)電能損耗率為主。電氣管理人員在實(shí)際工作中需結(jié)合具體情況加強(qiáng)線損管理工作。通常工廠供配電系統(tǒng)電能損耗與內(nèi)部用電構(gòu)成、運(yùn)行方式、無(wú)功配量、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、負(fù)荷分布、電壓等級(jí)等多因素有關(guān)。從理論層面分析，配電網(wǎng)損耗有多部分組成，所以需采取節(jié)能措施降低配電系統(tǒng)損耗。具體可從以下方面著手：

首先合理改造迂回線路。很多工廠因日益發(fā)展，其電能負(fù)荷也相繼發(fā)生變化，不斷延伸的配電線路對(duì)電網(wǎng)提出較高要求，所以需適當(dāng)改造迂回線路，在改造線路走向時(shí)要求主干線緊貼負(fù)荷中心。

其次合理改造卡脖子線，擴(kuò)大導(dǎo)線截面。工廠線路因不斷擴(kuò)大的生產(chǎn)發(fā)展需求導(dǎo)致負(fù)荷日益增大，原先線路末端因重新布點(diǎn)的電源成為首端。再加上部分工廠在建立初期其線路標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)偏低，卡脖子線因此形成。在改造過(guò)程中對(duì)適當(dāng)對(duì)上述導(dǎo)線截面進(jìn)行增大，最大限度保障供電容量，在一定程度還能使線路電阻有所降低，滿足國(guó)家提出的節(jié)能減排目標(biāo)。一般改造卡脖子線也需遵循相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，即線路導(dǎo)線截面處于最大負(fù)荷狀態(tài)時(shí)，此時(shí)電流密度不能＞1～1.5A/mm2。如果現(xiàn)實(shí)條件允許，線路導(dǎo)線截面達(dá)到一定范圍后可運(yùn)用備用線路進(jìn)行供電，或以間接方式加大配電線路導(dǎo)線截面，使導(dǎo)線電能損耗得到有效降低。

第三選取同步電動(dòng)機(jī)。同步電動(dòng)機(jī)負(fù)荷多為容性，說(shuō)明該設(shè)備電能功率可超前。在實(shí)際運(yùn)行中適當(dāng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，使設(shè)備在超前功率因數(shù)下安全運(yùn)行，達(dá)到改善電網(wǎng)功率因數(shù)效果。用電電流會(huì)因逐漸增高的功率因數(shù)而減少，從而有效降低用電量；第四及時(shí)更換變壓器。部分工廠因建造時(shí)間久遠(yuǎn)，在改造供配電系統(tǒng)之前依舊運(yùn)用SJ1等系列變壓器，此類設(shè)備最為顯著的弊端即高能耗。對(duì)此可選取S7或S10-等低損耗變壓器，該設(shè)備在降低短路和空載損耗方面發(fā)揮著不可小覷作用。只有明確自身實(shí)際情況，才能合理選取電壓設(shè)備、保障用電安全。

3 結(jié)語(yǔ)

供配電系統(tǒng)關(guān)系到可靠、安全、優(yōu)質(zhì)用電，所以其系統(tǒng)設(shè)計(jì)十分重要。在設(shè)計(jì)供配電系統(tǒng)時(shí)單純考慮滿足現(xiàn)有基本需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法達(dá)到現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)，需結(jié)合實(shí)際情況設(shè)計(jì)智能化供配電系統(tǒng)，提升生產(chǎn)質(zhì)量和效率，減少人工控制干預(yù)，實(shí)現(xiàn)高效供電的同時(shí)保障人身安全。由于供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜，設(shè)計(jì)人員需根據(jù)實(shí)際情況和國(guó)家提出的節(jié)能減排要求明確負(fù)荷等級(jí)科學(xué)配置電力設(shè)備，使電氣供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)更趨于科學(xué)合理，滿足電力用戶日益增長(zhǎng)的用電需求。