工業(yè)廠房一、二級(jí)用電負(fù)荷供配電系統(tǒng)探討

摘 要：根據(jù)國(guó)家現(xiàn)行規(guī)范明確工業(yè)廠房一、二級(jí)用電負(fù)荷劃分，結(jié)合常用供配電方案對(duì)工業(yè)廠房一、二級(jí)用電供配電系統(tǒng)進(jìn)行討論，分析各自的優(yōu)缺點(diǎn)，闡明每種系統(tǒng)適合的應(yīng)用場(chǎng)所，并結(jié)合工程實(shí)例探討了不同供配電方案的差異。

關(guān)鍵詞：一、二級(jí)負(fù)荷;供配電;變壓器;系統(tǒng);可靠性

0? ? 引言

隨著國(guó)家電力系統(tǒng)的發(fā)展及現(xiàn)行規(guī)范的完善，工業(yè)廠房中一、二級(jí)用電負(fù)荷的供配電要求也在變化，且供電系統(tǒng)的合理選擇直接關(guān)系到供電的安全性、投資的經(jīng)濟(jì)性、工藝設(shè)備及消防用電的可靠性等各方面。因此，本文就工業(yè)廠房如何合理選用一、二級(jí)用電負(fù)荷供電系統(tǒng)這一問(wèn)題展開(kāi)探討。

1? ? 現(xiàn)行規(guī)范對(duì)工業(yè)廠房負(fù)荷的分級(jí)

《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范（2018年版）》（GB 50016—2014）[1]第10章對(duì)工業(yè)建筑消防負(fù)荷等級(jí)規(guī)定總結(jié)如下：

（1）消防用電按一級(jí)負(fù)荷供電：建筑高度大于50 m的乙、丙類廠房和丙類倉(cāng)庫(kù)。

（2）消防用電按二級(jí)負(fù)荷供電：1）室外消防用水量大于30 L/s的廠房（倉(cāng)庫(kù)）;2）室外消防用水量大于35 L/s的可燃材料堆場(chǎng)、可燃?xì)怏w儲(chǔ)罐（區(qū)）和甲、乙類液體儲(chǔ)罐（區(qū)）。

（3）除本規(guī)范第10.1.1條和第10.1.2條外的建筑物、儲(chǔ)罐（區(qū)）和堆場(chǎng)等的消防用電，可按三級(jí)負(fù)荷供電。

《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50052—2009）第3章對(duì)電力負(fù)荷等級(jí)劃分的側(cè)重點(diǎn)在于供電可靠性要求及中斷供電對(duì)人身生命安全（國(guó)家法律要求）和生產(chǎn)過(guò)程、生產(chǎn)裝備安全（企業(yè)內(nèi)部判定）的經(jīng)濟(jì)損失上所造成的影響程度[2]，這可根據(jù)不同工業(yè)廠房工藝差異性進(jìn)行分級(jí)。

除以上兩種規(guī)范規(guī)定外，各類建筑專項(xiàng)設(shè)計(jì)規(guī)范也對(duì)其供電負(fù)荷等級(jí)有相關(guān)規(guī)定。

2? ? 現(xiàn)行規(guī)范對(duì)一、二級(jí)負(fù)荷的供電要求

《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50052—2009）[2]第3.0.2條規(guī)定：“一級(jí)負(fù)荷應(yīng)由雙重電源供電，當(dāng)一電源發(fā)生故障時(shí)，另一電源不應(yīng)同時(shí)受到損壞?！钡?.0.3條規(guī)定：“一級(jí)負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷供電，應(yīng)符合下列要求：1.除應(yīng)由雙重電源供電外，尚應(yīng)增設(shè)應(yīng)急電源，并嚴(yán)禁將其他負(fù)荷接入應(yīng)急供電系統(tǒng)。2.設(shè)備的供電電源的切換時(shí)間，應(yīng)滿足設(shè)備允許中斷供電的要求。”第3.0.7條規(guī)定：“二級(jí)負(fù)荷的供電系統(tǒng)，宜由兩回線路供電。在負(fù)荷較小或地區(qū)供電條件困難時(shí)，二級(jí)負(fù)荷可由一回6 kV及以上專用的架空線路供電?！?/p>

《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范（2018年版）》（GB 50016—2014）[1]第10.1.4規(guī)定：“消防用電按一、二級(jí)負(fù)荷供電的建筑，當(dāng)采用自備發(fā)電設(shè)備作備用電源時(shí)，自備發(fā)電設(shè)備應(yīng)設(shè)置自動(dòng)和手動(dòng)啟動(dòng)裝置。當(dāng)采用自動(dòng)啟動(dòng)方式時(shí)，應(yīng)能保證在30 s內(nèi)供電?！?/p>

結(jié)合上述兩種規(guī)范，可以很明確地對(duì)工業(yè)廠房的負(fù)荷等級(jí)進(jìn)行分級(jí)。工業(yè)廠房中二級(jí)負(fù)荷供電一般采用一路高壓市電+柴油發(fā)電機(jī)或兩路高壓市電供電方式，一級(jí)負(fù)荷一般采用兩路高壓雙重市電+柴油發(fā)電機(jī)供電方式。

3? ? 常用一、二級(jí)負(fù)荷供配電系統(tǒng)

3.1? ? 方案1：一路10 kV市電+備用發(fā)電機(jī)供電

從市政高壓電網(wǎng)引一路電源作為主用電源，設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)作為消防和工藝用電一、二級(jí)負(fù)荷備用電源。柴油發(fā)電機(jī)需在30 s內(nèi)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速、電壓和頻率，才能滿足消防用電要求[1]。備用電源與市電有嚴(yán)格的電氣及機(jī)械聯(lián)鎖，防止并列運(yùn)行及倒供給市電（發(fā)電機(jī)及變壓器聯(lián)鎖要求各方案均應(yīng)滿足，當(dāng)車間用電負(fù)荷較少時(shí)，可采用一臺(tái)變壓器+柴油發(fā)電機(jī)供電）。變壓器二次側(cè)采用分段單母線接線，運(yùn)行時(shí)單母線分段運(yùn)行，母聯(lián)斷路器12ZK分閘。12ZK與1ZK、2ZK間設(shè)機(jī)械及電氣聯(lián)鎖，12ZK開(kāi)關(guān)僅在1ZK、2ZK之一斷開(kāi)時(shí)方可合閘[3]。系統(tǒng)圖如圖1所示。

優(yōu)點(diǎn)：10 kV高壓側(cè)主接線圖簡(jiǎn)單，變壓器二次側(cè)采用分段單母線接線，中間設(shè)置母聯(lián)，變壓器互為備用，低壓側(cè)供電可靠性高。

缺點(diǎn)：10 kV分段單母線接線，高壓側(cè)可靠性較低。當(dāng)高壓側(cè)故障時(shí)，市電無(wú)法保證供電需求，此時(shí)需聯(lián)鎖啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)，而柴油發(fā)電機(jī)一般容量有限，因此只能保障消防負(fù)荷、部分重要負(fù)荷的供電。

應(yīng)用場(chǎng)所：應(yīng)用于大部分丙類廠房配電方案中，廠房大部分工藝、動(dòng)力用電可靠性無(wú)特殊需求。柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源，只需滿足消防用電及部分工藝用電二級(jí)負(fù)荷的要求。

3.2? ? 方案2：兩回路10 kV市電備自投供電

從市政高壓電網(wǎng)引入兩回路高壓電源作為主備用電源，兩路高壓電源平時(shí)一路投入。當(dāng)一路進(jìn)線停電時(shí)，備自投動(dòng)作，讓另一路電源作為主用電源。當(dāng)兩回路電源為雙重電源（雙重電源：分別來(lái)自不同電網(wǎng)的電源，或來(lái)自同一電網(wǎng)但運(yùn)行時(shí)互相之間聯(lián)系很弱，或同一個(gè)電網(wǎng)但其間的電氣距離較遠(yuǎn)，一路電源任意一處出現(xiàn)異常運(yùn)行或發(fā)生短路故障時(shí)，另一路電源仍能不中斷供電）[1]，且設(shè)置發(fā)電機(jī)作為應(yīng)急電源時(shí)，系統(tǒng)滿足一級(jí)負(fù)荷供電要求。系統(tǒng)圖如圖2所示。

優(yōu)點(diǎn)：相對(duì)10 kV分段單母線接線方式，節(jié)省中壓柜數(shù)量，節(jié)省設(shè)備造價(jià)，減少高壓站建筑面積。

缺點(diǎn)：相對(duì)10 kV分段單母線接線，供電可靠性較低，當(dāng)中壓柜發(fā)生故障時(shí)，無(wú)法保證供電需求。每路10 kV高壓進(jìn)線電纜截面積均需滿足所有用電負(fù)荷需求，增加了高壓電纜的投入。當(dāng)高壓進(jìn)線電源點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，電纜增加的成本會(huì)大于中壓柜節(jié)約的成本。

應(yīng)用場(chǎng)所：適用于工業(yè)廠房中一、二級(jí)負(fù)荷用電量較高的場(chǎng)所，低壓發(fā)電機(jī)滿足不了一、二級(jí)用電需求，設(shè)置高壓發(fā)電機(jī)費(fèi)用較高，且高壓電源進(jìn)線距離市政電源點(diǎn)較近，可采用此供電方案。

3.3? ? 方案3：兩回路10 kV市電分段單母線供電

從市政高壓電網(wǎng)引入兩路電源作為主用電源，高壓側(cè)采用分段單母線接線，中間設(shè)母聯(lián)。正常運(yùn)行時(shí)，10 kV單母線分段運(yùn)行，母聯(lián)斷路器12QF分閘。12QF與1QF、2QF間設(shè)機(jī)械及電氣聯(lián)鎖，12QF開(kāi)關(guān)僅在1QF、2QF之一斷開(kāi)時(shí)方可合閘[3]。變壓器二次側(cè)采用分段單母線接線，變壓器互為備供[4]。當(dāng)兩回路電源為雙重電源，且設(shè)置發(fā)電機(jī)作為應(yīng)急電源時(shí)，本系統(tǒng)滿足一級(jí)負(fù)荷供電要求。系統(tǒng)圖如圖3所示。

優(yōu)點(diǎn)：高壓側(cè)互為備供、低壓側(cè)互為備供，供電可靠性高。變壓器負(fù)荷均勻分布在不同母線上，當(dāng)高壓母聯(lián)只考慮另一側(cè)母線所帶一、二級(jí)負(fù)荷時(shí)，高壓進(jìn)線截面積相對(duì)方案2會(huì)減小。

缺點(diǎn)：相對(duì)10 kV雙電源進(jìn)線單母線接線，增加了中壓柜設(shè)備投資，聯(lián)鎖邏輯較復(fù)雜。

應(yīng)用場(chǎng)所：廣泛應(yīng)用于一、二級(jí)用電負(fù)荷大的場(chǎng)所，如電子信息廠房、醫(yī)藥制造廠房、化工廠房等。此供配電系統(tǒng)在大型公建中也廣泛應(yīng)用。

3.4? ? 方案4：兩回路10 kV市電分段單母線供電，低壓側(cè)設(shè)專用檢修變壓器

高壓側(cè)接線方式與方案3相同，低壓側(cè)采用單母線接線方式，設(shè)一臺(tái)專用檢修變壓器，當(dāng)常用變壓器發(fā)生故障或檢修時(shí)，檢修變壓器投入使用，檢修變壓器與4臺(tái)主用變壓器電氣聯(lián)鎖。系統(tǒng)圖如圖4所示。

優(yōu)點(diǎn)：電子廠房等場(chǎng)所變壓器檢修、故障會(huì)對(duì)工藝設(shè)備、生產(chǎn)造成重大經(jīng)濟(jì)損失。當(dāng)采用變壓器互為備供時(shí)，變壓器負(fù)載率一般不超過(guò)55%，造成變壓器臺(tái)數(shù)增多。當(dāng)設(shè)置一臺(tái)專用檢修變壓器時(shí)，常用變壓器負(fù)載率可提高至75%～85%，可節(jié)省造價(jià)。

缺點(diǎn)：檢修變壓器平時(shí)空載運(yùn)行，檢修變壓器不能同時(shí)作為多臺(tái)變壓器備用電源。

應(yīng)用場(chǎng)所：應(yīng)用于工藝、動(dòng)力負(fù)荷大部分為一、二級(jí)負(fù)荷，且變壓器檢修及故障時(shí)不允許長(zhǎng)時(shí)間斷電的場(chǎng)所。同一變配電房中變壓器裝機(jī)容量大的場(chǎng)所更能體現(xiàn)成本優(yōu)勢(shì)。

4? ? 方案3、方案4工程設(shè)計(jì)實(shí)例比較

某新建電子廠房負(fù)荷相對(duì)集中的變配電房預(yù)計(jì)設(shè)置6臺(tái)2 500 kVA變壓器，負(fù)載率為50%。目前采用“1+1系統(tǒng)”（方案3），2臺(tái)常用變壓器互為備用，要求變壓器長(zhǎng)期在負(fù)載率η≤55%的工況下運(yùn)行。綜合考慮設(shè)備采購(gòu)及后期運(yùn)行成本，評(píng)估討論“N+1系統(tǒng)”（方案4），即N臺(tái)常用變壓器（55%≤負(fù)載率η≤85%）+1臺(tái)維修變壓器是否更優(yōu)。分析如表1所示。

綜合表1可知，“N+1系統(tǒng)”（方案4）設(shè)備購(gòu)置費(fèi)少且年運(yùn)行成本低，建筑空間需求小，符合55%≤變壓器負(fù)載率η≤85%的要求，但安全可靠性較差、變壓器無(wú)法同時(shí)備供，在負(fù)荷集中的變配電房中能體現(xiàn)優(yōu)勢(shì);“1+1系統(tǒng)”（方案3）變壓器均可同時(shí)互為備供，安全可靠性高，供電方案可全廠分散設(shè)置，運(yùn)維管理相對(duì)熟練。

5? ? 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，可明確工業(yè)廠房是否采用一、二級(jí)負(fù)荷供電并合理選擇供配電方案。在實(shí)際工程中，也應(yīng)根據(jù)不同建筑類型、不同用電需求、不同供電條件具體分析，互相比選，選擇經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠的供電方式，為整個(gè)工程增值。

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收稿日期：2021-08-06

作者簡(jiǎn)介：洪志陽(yáng)（1987—），男，福建南安人，工程師，研究方向：電氣。