玻璃生產(chǎn)線中工業(yè)廠房供配電設(shè)計原則

張 麗

(中國建材國際工程集團有限公司，上海 200063)

1 配電設(shè)計負荷分類及供電需求

在供配電設(shè)計中，電力負荷分類要根據(jù)供電可靠性要求、供電中斷對人身安全造成的影響以及經(jīng)濟損失的不同，將負荷分為三類。若滿足中斷供電將引發(fā)人身傷害、用電單位生產(chǎn)中斷及嚴重經(jīng)濟損失的負荷視為一級負荷。對于一級負荷，我們通?？紤]雙回路電源供電來滿足其供電可靠性的要求。此外，一級負荷中，供電中斷會引起人身傷亡、中毒、火災(zāi)或重大設(shè)備嚴重損壞以及特殊場所不能斷電的負荷，則要視為一級負荷中特別重要負荷，比如生產(chǎn)電源中斷時停產(chǎn)處理所需的應(yīng)急照明、通信以及自動控制裝置等[1]。對于一級負荷中特別重要的負荷，我們可以專門設(shè)置不間斷電源來提高該類用電負荷的供電可靠性，同時，嚴格禁止其他負荷接入，并且，供電電源切換時間必須符合標準。二級負荷是指中斷供電可能影響重要用電單位工作及造成較大程度經(jīng)濟損失的用電負荷。除一、二級負荷以外的負荷屬于三級負荷。對此，通?？紤]單回路電源供電即可。為確保應(yīng)急電源的專用性，其與正常電源間要進行防并列運行處理，比如應(yīng)用機械或電氣互鎖等方式來保證當電源故障后，應(yīng)急電源不會出現(xiàn)向正常電源倒送電的情況。同時還需防止繼電器有可能誤動而造成應(yīng)急電源與正常電源誤并網(wǎng)。

2 配電設(shè)計低壓電器選擇及線路保護

對于玻璃生產(chǎn)線配電設(shè)計來說，還需要考慮一個安全因素即低壓配電線路保護及低壓電器的選擇。低壓電器是用于額定電壓交流1 000 V或者直流1 500 V以下回路中起保護、控制、調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)換和通斷作用的電器。我們需要根據(jù)工作條件、保護選擇性、使用環(huán)境等多方面的因素結(jié)合去選擇可靠的低壓電器來確保配電線路通斷不會陷入異常。低壓配電線路是電力傳輸中不可或缺的媒介，其危險事故發(fā)生率極高，大大地增加了低壓配電系統(tǒng)發(fā)生安全事故的頻率。應(yīng)按GB50054—2011《低壓配電設(shè)計規(guī)范》的要求裝設(shè)過負荷和短路保護以及故障防護，用以發(fā)出故障報警信號并且及時通斷電流。過負荷保護是指保護電器在過負荷電流引起導體周圍元器件受損前，分斷該電流。短路保護是指保護電器在短路電流對導體及相連結(jié)處由于熱效應(yīng)燒毀電路前，對此電流進行分斷。保護選擇性以電力系統(tǒng)中的各種自動保護裝置為保護對象，如果電力系統(tǒng)發(fā)生故障，那么，故障點處的保護設(shè)備將動作，其上級保護設(shè)備不發(fā)生動作，此處包含完全與部分選擇性兩種情況。對于電力系統(tǒng)，往往出現(xiàn)在線路發(fā)生故障時，電源側(cè)保護器在負載側(cè)保護器動作前誤動，無法精準切斷問題負荷的情況。故對于一個安全可靠的配電系統(tǒng)來說，低壓配電線路上下級保護電器須有選擇性的動作，各級之間應(yīng)能協(xié)調(diào)配合，使得出現(xiàn)故障時，僅靠近故障點的電路斷開，停電范圍最小。如斷路器的保護性選擇及時間選擇上，下、上級斷路器的脫扣時間有所延時，做到下級斷路器優(yōu)先脫扣。短路保護電流的整定值比值>1.5； 能量選擇性上，如果檢測到大短路電流存在，下級斷路器可以做到迅速限流，使上級斷路器的電能可供其脫扣，斷路器的電流比>2.5[2]。 故選擇合適的低壓電器以及有效的上下級配合，對于保證供電線路的可靠性來說非常重要，即使發(fā)生事故，也可以盡量提高人身安全，減少企業(yè)經(jīng)濟損失。

3 配電設(shè)計節(jié)能措施

在滿足供電需求安全可靠的前提下，應(yīng)采取有效的節(jié)能措施。在進行準確的負荷計算后，按電源及負荷特點合理確定變電所(站、室)的位置，配置無功功率補償，選擇節(jié)能型電氣設(shè)備。首先，應(yīng)該盡量讓變電所(站)位置靠近負荷中心，在保證負荷供電需求的前提下，做到盡可能減少變壓器級數(shù)，縮短供電半徑，可以避免多次壓降。目前設(shè)計的大部分玻璃生產(chǎn)線項目一般不超過3級壓降即35/10/0.38 kV或者110/10/0.38 kV。同時在低壓配電過程中，不可避免地存在單相負荷，如果出現(xiàn)單相不平衡或者單相負荷不同期的現(xiàn)象，會造成變壓器中性點偏移，最終造成各項電壓不平衡，降低了供電質(zhì)量，還帶來了較大的電能損耗，故在配電設(shè)計過程中，應(yīng)進一步優(yōu)化供電分配從而實現(xiàn)能耗降低的目的。節(jié)能節(jié)電對于提高功率因數(shù)是至關(guān)重要的。對于輸電線路來說，在線路電壓和所輸送的有功功率P一定的情況下，提高電力線路輸送負荷的功率因素，可以減少線路損耗。對于變壓器來說，提高變壓器二次側(cè)的功率因素，可以減少變壓器的銅損，增加發(fā)配電設(shè)備的供電能力，減小線路的截面及變壓器容量，節(jié)約設(shè)備投資。對于玻璃生產(chǎn)線這類工業(yè)用戶，國家電網(wǎng)要求功率因素應(yīng)大于0.9，在35～220 kV變電站中，在主變壓器最大負荷時，一次側(cè)功率因素要在0.95及以上，在低谷負荷時，則滿足功率因素在0.95及以下。10 kV電壓等級額定容量30～2 500 kVA干式配電變壓器能效等級按GB20052—2013《三相配電變壓器能效限定值及能效等級》規(guī)定，能效等級分為3級，1級能效最低，3級能效最高。在工程設(shè)計中選擇變壓器時，多選擇空載損耗和負載損耗能效為2級或者1級的變壓器。

4 配電設(shè)計原則在玻璃生產(chǎn)線上的實際運用

根據(jù)以上工業(yè)廠房配電設(shè)計原則，結(jié)合玻璃生產(chǎn)線的工藝特性，以及多個不同項目案例的實際經(jīng)驗，關(guān)于玻璃工業(yè)廠房配電設(shè)計，總結(jié)了以下的設(shè)計心得。

4.1 玻璃生產(chǎn)線配電設(shè)計中變壓器選擇

通常由上級供電電源點的兩段母線上分別配出兩路10 kV電源到聯(lián)合車間變電所及公用變電所,對于變壓器的容量選擇采取“N-1”原則,即當其中一路發(fā)生故障時,另一路可以帶起全部生產(chǎn)用所需負荷，這對于整個廠區(qū)配電需求的可靠性來說得到了滿足。并且，根據(jù)業(yè)主要求及項目實際情況，部分生產(chǎn)線還會設(shè)置柴油發(fā)電機組作為備用電源可以滿足突發(fā)情況下的保窯或者保生產(chǎn)需求?？紤]到玻璃工藝生產(chǎn)狀況及工藝性質(zhì)，往往設(shè)備裝機容量較大,但正常生產(chǎn)時實際運行負荷較輕,只在30%左右。如果選擇過大變壓器容量，這樣增加了不需要的經(jīng)濟投資，為此進行了深入地探討研究。經(jīng)過長期監(jiān)視、測控玻璃生產(chǎn)線上各變電所變壓器的運行方式和運行負荷,綜合分析對比后，提出以下措施：在聯(lián)合車間兩側(cè)輔房的中間位置設(shè)置車間變電所，使其盡量位于整個生產(chǎn)線的負荷中心，縮短了供電半徑，提高供電的可靠性，減少了纜線成本，方便施工。其次，對于變壓器數(shù)量和容量的選擇，考慮到只有在烤窯期間、或者突發(fā)錫槽斷板或滿槽事故時、再或者8 年左右一次冷修期時，才會開啟錫槽電加熱對錫槽加溫，此時會接近滿負荷運行，故在此情況下，變壓器容量無需互為備用，只有當正常生產(chǎn)時，才考慮變壓器互為備用的情況。這樣的考慮可以大大減少變壓器的不必要投入，降低了投資成本，在保證供電需求的情況下，充分地利用了變壓器的容量。由于玻璃生產(chǎn)線上大部分的用電設(shè)備均為感性，時常出現(xiàn)功率因素過低的情況，在用電設(shè)備的功率因素不滿足要求時，采用無功補償是提高功率因素最好的辦法。通常我們會在35 kV/10 kV及變壓器低壓側(cè)設(shè)置無功補償。微機控制的低壓補償電容器柜，根據(jù)無功負荷波動情況，對投入的電容器組數(shù)量實時改變調(diào)整，從而實現(xiàn)跟蹤補償，使得各配電變壓器低壓負荷總功率因素提升，能在一定程度上降低配電網(wǎng)和配電變壓器的能耗損失，使得負荷側(cè)的電壓水平提升，達到較為理想的補償效果。

4.2 玻璃生產(chǎn)線配電設(shè)計中導線、電纜選擇

為了確保工業(yè)廠房供配電真正處于安全穩(wěn)定的運行狀態(tài)，應(yīng)重視電纜和導線的選擇，須充分考慮到供配電線路的溫升條件、電損程度、電纜抗損強度、允許的電壓降落、敷設(shè)環(huán)境、敷設(shè)方式和負載保護等多方面因素。一般情況下，配電線路都會先按照發(fā)熱情況來選擇截面，以確保導體的實際工作溫度不會超過允許值，導體按發(fā)熱條件的允許長期工作電流(或稱載流量)不應(yīng)小于線路的工作電流。在選擇完截面以后再校驗機械的強度和電壓損耗程度。此外，對于用電設(shè)備電子端來說，若電壓偏離額定值時，其性能將大大受到影響，比如一些風機水泵可能出現(xiàn)無法正常啟動的情況。所以，對于一些較遠距離的配電線路來說，還需要考慮其電壓降落，可以適當放大電纜的截面積來減少線路上的電壓損耗。另外，在一些特定場所，還需要用一些特殊材質(zhì)的電纜，如在火災(zāi)危險場所，我們需要改用耐火電纜、阻燃電纜等來進行敷設(shè)。在電纜直埋地敷設(shè)時，當有可能承受較大電壓或者存在機械損傷危險時，應(yīng)采用鋼帶鎧裝電纜或者鋁合金連鎖鎧裝電纜。只有選擇合適的電纜，方能保證供配電線路可靠傳輸，工業(yè)廠房才能安全生產(chǎn)。

4.3 玻璃生產(chǎn)線配電設(shè)計中防雷接地措施

為防止或者減少由于雷擊對于工業(yè)廠房產(chǎn)生的人身傷亡和財產(chǎn)損失，以及雷擊電磁脈沖引發(fā)的電氣和電子系統(tǒng)的損壞，應(yīng)該因地制宜地對工業(yè)廠房及建筑物采取防雷措施。根據(jù)建筑物的重要性、使用性質(zhì)、發(fā)生雷擊事故后可能性的不同，對于第一、二、三類防雷建筑物分別采取不同的防雷措施[3]。對于彩鋼屋面的建筑物，宜利用屋面彩鋼板本身作為接閃器，對于混凝土屋面，則需要在屋面敷設(shè)接閃帶，其形成的網(wǎng)格尺寸需滿足相關(guān)規(guī)范值。利用建筑物結(jié)構(gòu)鋼立柱或者混凝土立柱中兩根直徑不小于φ10的主筋作為引下線，并采用建筑物的鋼筋基礎(chǔ)做環(huán)形接地體。防雷和電氣接地共用基礎(chǔ)接地體時，接地電阻要符合國家標準，當實際測量的電阻值不符合標準要求時，則要加設(shè)人工接地極。此外，對于存貯、輸送易燃氣體或液體的罐體及管道，須作防靜電接地處理，接地電阻也應(yīng)該符合相關(guān)專業(yè)的國家規(guī)范值。此外，當有低壓電源進線從戶外引來時，該進線柜必須裝設(shè)電涌保護器[4]。

5 結(jié) 論

近幾年來玻璃生產(chǎn)線新建數(shù)量迅猛增長，遍布在中國各地,且大部分業(yè)主多為先進企業(yè)。在玻璃工業(yè)不斷進步的同時,對電氣設(shè)計的要求也越來越高,大部分業(yè)主對于電氣設(shè)計提出了安全、節(jié)能、高效、智能化等多方面要求。如上所述，工業(yè)廠房供配電系統(tǒng)設(shè)計是一項涵蓋多領(lǐng)域知識的重要綜合性設(shè)計工作，要求設(shè)計者在日常項目中仔細觀察，反復(fù)對比，不斷優(yōu)化供配電系統(tǒng)設(shè)計，真正實現(xiàn)一次投資及后續(xù)環(huán)節(jié)成本最小化，最大化地減少供配電損耗，確保工廠的產(chǎn)品平均耗電量達到最低水平，更好地滿足企業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的需求。