大型石油化工企業低壓660V供電的可行性分析

隋為民

（中石化洛陽工程有限公司，河南 洛陽471003）

0 引言

在石油化工企業中低壓用電負荷應用廣泛，低壓用電設備占主要部分，其安全、經濟運行直接影響企業的經濟效益。石油化工企業低壓配電系統采用380／220V配電，配電線路采用放射式。由于生產裝置大多處于易燃、易爆場所，絕大多數機泵、風機位于爆炸危險區域之內，通常變配電所只能布置在爆炸危險區域之外，一般位于裝置一側，無法深入裝置低壓負荷中心。

隨著石油化工企業生產的發展，電動機配電線路長度增加，相當數量的低壓電動機受電電纜長度達到或超過300m。線路長度增加的主要原因為：（1）裝置的大型化、深加工或聯合裝置要求使裝置的占地面積逐漸增加，供電半徑逐漸增大；（2）實行新的防火防爆設計規范，變電所與裝置設備之間的防爆防火距離加大了；（3）裝置內電纜采用電纜橋架敷設，與電纜溝相比電氣距離加長了；（4）工藝及總平面布置強調工廠模式改革，希望盡量少建變電所或將變電所集中布置。

通常電纜是根據負荷電流按電纜載流量選擇，以配電線路啟動和正常工作電壓降及保護靈敏度來校核電纜截面，不滿足條件則放大電纜截面，但大范圍放大電纜截面是明顯不妥的，有時在技術上已不可能。工程實踐中發現380V供電的弊端越顯突出，從經濟上、技術上衡量已很不合理且影響生產，只有提高供電電壓，才能有效提高供電能力，滿足企業供電要求。

隨著工業技術的發展，供電電壓也在提高，早在20世紀60年代，660V電壓就作為一種標準電壓被列入國際電壓標準中，我國現行國家額定電壓標準中，660V電壓仍作為國家標準額定電壓。以下將以YB系列二極電動機為例，分析380／220V、660／380V供電特點。

1 保護的靈敏系數分析

1.1 理論公式

短路保護的靈敏系數是電力系統最小運行方式下，被保護設備末端短路時的短路電流與其保護設備的動作值的比值。《低壓配電設計規范》規定：“當保護電器為符合《低壓斷路器》的低壓斷路器時，短路電流不應小于低壓斷路器瞬時或短延時過電流脫扣器整定電流的1.3倍。”

在石油化工企業中，低壓供電半徑大都大于200m；線路末端單相接地短路電流無法使保護裝置動作，一般采用專用的保護設備，這里不再闡述。

線路末端兩相短路電流按下式計算：

式中，I″為三相起始短路電流周期分量有效值；C為電壓系數，三相短路電流取1.05，兩相短路電流取1.0；Un為網絡標稱電壓（線電壓）；Zk為短路電路總阻抗；I2″為兩相短路穩態電流；Zs為高壓側系統阻抗；Zt為變壓器阻抗；Zm為變壓器低壓側母線阻抗；Zl為線路阻抗。

電動機回路中，空氣斷路器瞬動過電流脫扣器動作電流按《通用用電設備配電設計規范》要求公式如下：

式中，Idz為空氣斷路器瞬動過電流脫扣器動作電流；Iq為電動機全壓時啟動電流；Ki為電動機全壓時啟動電流倍數；Pe為電動機額定功率；Ue為電動機額定電壓；COS為電動機功率因數；η為電動機效率。

根據短路保護靈敏系數的定義，其計算公式如下：

式中，Km為短路保護的靈敏系數。

將公式（1）、（2）、（4）、（5）代入公式（6）整理得：

為了分析方便，假設短路電路總阻抗Zk不變。在一個供電系統中，網絡標稱電壓Un與電動機額定電壓Ue相等；對于電動機而言，額定電壓為380V或660V，只是改變電動機的接線形式，各個參數不發生變化 ，即COS、η、Ki、Pe不隨電壓變化。由此可得，短路保護的靈敏系數Km與電壓平方成正比，提高電壓將大大提高短路保護的靈敏系數。

1.2 Zk對短路保護靈敏系數的影響

在公式（3）中，高壓側系統阻抗Zs、變壓器低壓側母線阻抗Zm和線路阻抗Zl都是一個不隨電壓變化的參數；變壓器阻抗Zt計算公式如下：

式中，Uk%為變壓器阻抗百分數；Ue為額定電壓；Se為額定容量。

根據公式（9）可以得出，當變壓器阻抗占主導地位時，短路保護靈敏系數與電壓無關；當變壓器阻抗不占主導地位時，短路保護靈敏系數與電壓的平方成正比。當線路較長、電纜截面小時，變壓器阻抗僅占短路電路總阻抗的不到10%，短路電路總阻抗主要是配電線路阻抗。而在裝置大型化以后，低壓配電線路較長，線路阻抗起到主導作用；從后面的計算中可知，660V網絡中變壓器阻抗占總阻抗的1／4；當變壓器容量為1 000kVA、線路長度為300m時，將變壓器阻抗按固定值計算的短路電流最大誤差小于15%，在工程分析中可以忽略。

1.3 計算及分析

計算條件如下：

（1）系統短路容量取150MVA（系統電抗中阻抗占0.1）。Zs＝1.066 7mΩ；Rs＝0.106 67mΩ；Xs＝1.061 3mΩ。

（2）變壓器：Se＝1 000kVA；Uk%＝4；Pf＝10.3kW。380V時阻抗數值：Zt＝5.776mΩ；Rt＝1.487mΩ；Xt＝5.581mΩ。660V時阻抗數值：Zt＝17.424mΩ；Rt＝4.487mΩ；Xt＝16.836mΩ。

（3）母線阻抗取以下數值：Zm＝5.482mΩ；Rm＝0.75mΩ；Xm＝5.43mΩ。

（4）電纜線路：長度取300m，電纜選用交聯聚乙烯電力電纜，電纜芯線工作溫度為80℃。

（5）短路保護的靈敏系數：根據《低壓配電設計規范》中的相關規定，計算中短路保護的靈敏系數取1.3。

1.3.1 電動機采用同一規格供電線路時短路保護靈敏系數計算及分析

YB系列電動機在上述計算條件下計算結果如表1所示。從中可以看出，采用同一電纜截面時，采用380V供電網絡，電動機很大部分不滿足短路保護的靈敏系數要求（表中斜體部分）；而采用660V供電網絡，電動機基本都滿足短路保護的靈敏系數要求。從而說明提高供電網絡電壓，可以提高配電線路短路保護的靈敏系數。

表1 同一電纜截面不同電壓靈敏系數對比表

從表1可知，660V網絡有3臺電動機不滿足短路保護的靈敏系數要求，380V網絡有12臺電動機不滿足短路保護的靈敏系數要求。

1.3.2 按載流量不同電動機采用不同規格供電線路時短路保護靈敏系數分析

在實際設計中，提高供電網絡電壓，同容量電動機的額定電流將下降，如果采用同樣的電纜截面就浪費了。

2 線路電壓偏差分析

2.1 理論公式

電壓偏差是供電網絡中某點的實際電壓與網絡額定電壓之差，通常用百分數表示。國家標準正常運行情況下，用電設備端子處電壓偏差允許值（以額定電壓的百分數表示）宜符合下列要求：電動機為±5%。

引起電壓偏差的主要原因是網絡中負荷電流通過阻抗元件而造成電壓損失，在低壓配電網絡中，阻抗元件主要是變壓器和線路。在石油化工企業生產裝置中，由于變壓器阻抗遠遠小于線路阻抗，且在運行中通過改變變壓器分接頭可以調整變壓器二次電壓，保證變壓器在運行負荷情況下二次電壓在網絡額定電壓以上，故線路電壓偏差滿足規范要求，網絡電壓偏差就能滿足規范要求。電動機回路線路電壓損失計算公式如下：

式中，ΔU為線路電壓偏差相對值；Un為網絡標稱電壓（線電壓）；R0為線路單位長度阻抗值；X0為線路單位長度電抗值；COS為電動機功率因數；I為電動機電流；L為線路長度；P為電動機功率。

對于電動機而言，額定電壓為380V或660V，只是改變電動機的接線形式，各個參數不發生變化，即COS、η、Ki、Pe不隨電壓變化。由此可得，線路電壓偏差ΔU與電壓平方成反比，提高電壓將大大降低線路電壓損失；當滿足線路電壓偏差ΔU要求時，輸送距離與網絡標稱電壓（線電壓）Un的平方成正比，提高電壓將大大增加送電距離。

2.2 計算及分析

計算條件如下：

（1）電纜線路：長度取300m，電纜選用交聯聚乙烯電力電纜，電纜芯線工作溫度為80℃。

（2）路線電壓偏差允許值：根據《供配電系統設計規范》規定，線路電壓偏差允許值取5%。

2.2.1 電動機采用同一規格供電線路時線路電壓偏差計算及分析

電動機采用同一規格電纜截面、不同供電電壓時電壓偏差比較如表2所示。采用380V網絡供電時，電壓偏差最大值為12.3%；采用660V網絡供電時，電壓偏差最大值為4.08%。提高供電電壓有利于降低線路上的電壓偏差。

表2 同一電纜截面不同供電電壓的電壓偏差比較表

2.2.2 按載流量不同電動機采用不同電纜截面時線路電壓偏差計算及分析

同容量電動機供電電壓不同，額定電流不同；敷設條件相同時，電纜截面不同。表3給出了對應的電壓偏差值，其中380V供電網絡中有6項不符合要求，660V供電網絡中有3項不符合要求。為滿足電壓偏差要求，需加大電纜截面，降低線路阻抗。

3 660V設備情況

驅動設備：YB系列電動機已經有適應于380／660V兩種電壓等級的設備。該系列電動機采用不同的接線來適應不同電壓的要求，三角形接線適應于380V供電，星形接線適應于660V供電，其他參數不變。

配電線路及控制元件：石油化工企業的低壓配電線路采用電纜，我國電纜的額定電壓為1 000V，控制電纜額定電壓為500V；660V系統中相電壓為380V，控制回路設備可以設在380V電壓下工作或單設控制變壓器。配電線路及控制元件不存在問題。

配電設備及一次元件：電壓配電設備內相間絕緣是靠空氣，加大相間間距可以滿足絕緣要求。電氣元件中合資企業ABB、施耐德電器公司的低壓元件適應多種電壓要求，國產元件中常熟開關廠的低壓元件適應多種電壓要求。

照明設備：在石油化工企業中，為延長照明設備的使用壽命，動力供電系統與照明供電系統分開。照明采用專用變壓器，照明供電系統可采用380／220V供電。

另外，660／380V供電系統在我國的其他行業已有應用。

表3 不同電纜截面不同供電電壓的電壓偏差比較表

4 結語

綜上所述，在現代石油化工企業生產裝置低壓供電系統中采用660V供電，在滿足保護裝置靈敏系數、線路電壓偏差要求上比380V供電有著明顯的優越性，并且可減少網絡損耗，但在斷流能力上還需做工作。

［1］劉介才.工廠供電［M］.北京：機械工業出版社，2011.

［2］中國航空工業規劃設計研究院.工業與民用配電設計手冊［M］.3版.北京：中國電力出版社，2005.