淺談節能型低壓配電系統設計

陳偉權

摘 要：在節能理念深入人心的今天，節能型的配電系統越來越受到重視。根據低壓配電的特點，介紹了低壓配電系統的節能類型和廣義節能的措施和必要性，并探討了低壓配電系統短路保護工程中與廣義節能相關的設計，以為相關類型的設計提供參考。

關鍵詞：低壓配電；電氣設備；節能設計；輸配電損耗

中圖分類號：TM76 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.20.118

隨著社會經濟的迅速發展，電氣設備越來越多，配電技術性能日趨復雜，人們對配電系統低耗能的用電服務有了更高的要求。如果低壓配電系統在設計施工中出現誤差，將會產生安全隱患。因此，設計節能型配電系統十分必要，而廣義節能作為節能方式類型中更為全面的一種，將逐漸占據主導地位。

1 節能型低壓配電系統概述

1.1 節能與全生命周期節能

節能類型分為狹義節能和廣義節能兩種。狹義節能是指直接看得見的節能，或者說是有形的節能。這里的“有形”或者“直接看得見”的含義可以直接用能源消耗量（例如多少噸煤或油）或能量消耗量（例如多少度電）來統計或計量。這一概念考慮的范圍較小，不全面。廣義節能是指完全的節能，它既包括直接的、看得見的節能，又包括間接的、看不見的節能。對于配電系統來說，這種完全的節能更加重要。這里無形的能源消耗很難簡單地用能源消耗量來統計或計量，尤其是在系統全生命周期范圍內的節能。

1.2 配電系統的耗能與節能

1.2.1 輸配電損耗

輸配電損耗包括供電源與配電點之間輸送電力以及向消費者配送電力過程中產生的損耗。

1.2.2 經濟電流法介紹

電纜截面的選擇既要考慮經濟性，又要考慮功能性。導體的截面偏小，則線路初始投資較小，但線路損耗較大；導體截面偏大，則線路損耗降低，但會增加線路的初始投資。

1.2.3 經濟電流法的局限性

依據商業、辦公、住宅等類型的民用建筑的用電特點，其年最大負荷運行時間與工業行業相比要小得多，年最大負荷損耗小時t也小得多。由經濟電流密度j的計算公式可知，經濟電流截面隨著t的增加而增加，并隨用電價格的增加而加大。

1.3 推廣廣義節能概念的必要性

對于配電系統來說，如果經過系統設計的優化，降低了配電系統的電能損耗，節約了若干千瓦時電，這個數字就是狹義節能的數字。而與此同時，此種系統優化采用的措施（例如加大電纜截面、采用更復雜的設備）也是在開采、冶煉、加工和運輸等的一系列環節中都需消耗一定的能量而獲得的，它應當與某個

數量的能源等價。另外，在設計中降低了材料（例如銅材）的使用量，這個部分的節能效果則體現在減少了開采、冶煉、加工和運輸等一系列環節中消耗的能量，因此也相當于節能。采用不同的配電系統所付出的設備安裝、后期維護的勞動力也是不同的，此部分勞動力以勞務費來體現，但是工作人員得到的勞務費系用于衣、食、住、行，進而與能源消耗間接掛鉤。

2 短路保護（熱穩定）校驗與廣義節能

下面介紹短路電流大小、切斷短路電流時間與電纜（導線）截面選擇的對應關系。

2.1 熱穩定校驗的必要性

《低壓配電設計規范》（GB 50054—2011）第6.2.1條要求，“配電線路的短路保護電器應在短路電流對導體和連接處產生的熱作用和機械作用造成危害之前切斷電源”。

《電力工程電纜設計規范》（GB 50217—2007）第3.7.7條要求，“對非熔斷器保護回路，應按滿足短路熱穩定條件確定電纜導體允許最小截面”，第3.7.8條要求，“短路點應選取在通過電纜回路最大短路電流可能發生處”。

隨著經濟的發展，新建項目規模越來越大，其配電變壓器容量普遍較大，由低壓柜配出線路的短路電流自然也較大。因此，熱穩定校驗是低壓配電設計中普遍面臨的問題。

2.2 短路切斷時間與電纜選擇的關系

《低壓配電設計規范》（GB 50054—2011）第6.2.3條規定，“當短路持續時間小于等于5 s時，絕緣導體的截面積應符合本規范公式3.2.14中的要求……短路持續時間小于0.1 s時，校驗絕緣導體截面積應計入短路電流非周期分量的影響”。

校驗式為：

S≥ . （1）

公式（1）中：S為導體截面積，mm2；I為三相短路電流有效值，A；t為短路電流持續作用時間，s；K的取值有兩種——PVC絕緣電纜，K=115；XLPE絕緣電纜，K=143.

即KxSx（導體熱承受能力）>Ixt（短路電流的熱效應）。當斷路器切斷時間較長（同樣通過斷路器的短路電流的熱效應較大）時，相應的導體截面要求也越大。

未采用快速開斷及限流斷路器時，短路電流大。當斷路器切斷時間較長（同樣通過斷路器的短路電流的熱效應較大）時，相應的導體截面要求也越大。例如某短路點三相短路電流為48 kA，選擇YJV電纜，K取143，斷路器短路開斷時間取20 ms，按導體熱穩定計算，則S=48×1 000× /143=47.5 mm2。

采用快速開斷和限流斷路器時，短路電流大小與導體截面選擇和全周期耗能的關系。當斷路器切斷時間較短（允許通過斷路器的短路電流的熱效應受到限制）時，相應的導體截面要求就大為降低。例如應用某具有限流作用的斷路器時，由其熱應力限制曲線查得其Id=50 kA處It<7×105（A2s），再次計算，得出S> /143=5.4 mm2。因此，通過采用具有快速開斷并具有限流作用的斷路器，使斷路器保護下的配電導體尖峰電流（kA峰值）和通過能量I2dt都得到降低，并合理減小配電導體截面，達到節材、節能的目的。

3 短路保護校驗與低壓配電系統的廣義節能

短路電流大小、斷路器脫扣特性與電纜（導線）截面選擇的對應關系。按照《低壓配電設計規范》（GB 50054—2011）第6.2.4條的要求，“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”。

對于TN系統的低壓網絡，單相接地故障電流Id（1）可用下式計算：

. （2）

公式（2）中：R2php、X2php為短路電路的相保電阻、相保電抗，mΩ。

在工程設計中，采用過電流保護電器兼作接地故障保護時，需根據電纜末端接地故障電流Imin判斷過電流保護是否能可靠分斷，滿足要求。對于長距離電纜配電，電纜線路末端短路電流過小，采用普通的熱磁脫扣器時，由于熱磁脫扣型斷路器瞬時分斷由電磁脫扣器完成，長延時分斷由熱脫扣器來完成，因此其短路動作電流倍數往往不可調或倍數較大，達不到保護靈敏度的要求。

不采用短延時技術時，配電距離與電纜（導線）截面選擇和廣義節能關系。常用微型斷路器脫扣曲線為B＼C＼D曲線，其中，B型脫扣曲線脫扣電流為3～5 In、C型脫扣曲線脫扣電流為5～10 In、D型脫扣曲線脫扣電流為10～14 In。表1為采用

微型斷路器時，滿足短路保護靈敏度的配電距離與導體截面的選擇關系。

計算不采用具有短延時功能的電子脫扣器的塑殼斷路器（其電磁脫扣器瞬動倍數按10倍取值）配電距離與導體截面的選擇關系。

采用短延時技術時，短路電流大小與電纜（導線）截面選擇和廣義節能關系。下面討論采用具有短延時功能的電子脫扣器的塑殼斷路器（以短延時倍數5倍為例）配電距離與導體截面的選擇關系。

由于所采用計算公式的線性特點，當配電線路電纜截面不變（即單位長度阻抗不變），而上級斷路器短路脫扣電流由I1減小為I2時，相應的出線電纜最大供電半徑R2max按下式換算即可：

R2max=R1max×l1/l2. （3）

例如5×16電纜對應Is=500 A斷路器，Is=10 In電磁脫扣器的最大供電半徑為102 m，則由公式（3）可簡單計算出5×16電纜對應Is=300 A斷路器（Is=6 In電磁脫扣器）的最大供電半徑為R2max=102×500/300=170 m。即采用帶短延時脫扣器的斷路器時，能顯著增加相同截面導體滿足短路保護（靈敏度）的供電距離。針對配電距離較長的電纜配電回路，如果所選的電纜截面已滿足電壓偏差和熱穩定要求，可采用此方式在滿足短路保護的條件下通過節省材料消耗有效減少總費用，由此達到節能的目的。

4 結束語

綜上所述，電力是一種應用面廣、使用方便的能源，在整個節能工作中具有重要的地位。在設計時，合理選擇方案、合理選用用電設備和加強其他節能措施對節約電能是十分重要的。對此，發展節能型低壓配電系統勢在必行，而廣義節能這種在系統全生命周期范圍內的節能方式更應得到大力推廣。

參考文獻

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〔編輯：王霞〕