電氣供配電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

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)作完成電力運輸。當前我國大部分城市在運輸電力中運用遠程輸配電形式，其中10kV是電力傳送中對電壓的最大限制，需運用電氣供配電系統(tǒng)將高壓配電轉(zhuǎn)至10kV電壓后再為各個用電終端系統(tǒng)傳輸電力，同時結(jié)合實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)并非簡單地保障電能準確合理分配，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)用先進科學(xué)技術(shù)，能有效提升供配電系統(tǒng)智能化與自動化水平的同時保障輸配電質(zhì)量，最大限度滿足現(xiàn)代經(jīng)濟社會發(fā)展安全高效用電[1]。

1 電氣供配電系統(tǒng)設(shè)計存在問題

配電設(shè)備設(shè)計缺乏合理：部分工程項目在設(shè)計供配電系統(tǒng)時為獲取利益最大化，在工程中投入的機電設(shè)備性能相對落后，以致于存在較為嚴重的線損問題。與此同時，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，尤其無法保障部分遠距離地區(qū)正常供電。此外，部分供電區(qū)域未在設(shè)計中添加性能完好的智能開關(guān)，不僅大幅降低電量使用率，更無法保障電氣供配電系統(tǒng)安全性。

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

變壓器長期負載率過低：通常工廠變壓器對長期負載率的要求較高。國家相關(guān)要求指出，在設(shè)計工廠變壓器時其負載率不能超過85%。若長時間負載率設(shè)計偏低則會加大變壓器容量，進而提升用戶基本電費以及加大用電經(jīng)濟成本。很多工廠以多期建設(shè)為主，適合在廠房內(nèi)設(shè)計獨立變電所，如變電所內(nèi)存有大量工藝設(shè)備，在具體設(shè)計中可對變壓器位置進行預(yù)留，當預(yù)留工藝設(shè)備進入生產(chǎn)階段后再適當添加變壓器，最大限度保證供配電設(shè)備合理、經(jīng)濟與安全。

電纜導(dǎo)體截面選擇有誤：對于供配電設(shè)計而言，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)在實際運行中承受大負荷用電。然而在實際設(shè)計過程中，雖然按照負荷計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)計方式

2.1 準確計算負荷

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

如，針針對單臺用電設(shè)備主要計算有功和無功負荷，其中有功負荷（kW）計算公式為P30=KdPe，式中，P30表示設(shè)備有功計算負荷、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。無功負荷計算公式為Q30=P30tanφ，式中，Q30表示設(shè)備無功計算負荷、tanφ表示應(yīng)用于用電設(shè)備組功率因數(shù)cosφ的正切值。電流計算公式其中I30表示計算電流，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

設(shè)計高壓供電線路時要充分考慮配電室選址，其中在設(shè)計配電所要求做到技術(shù)先進、供電安全可靠，便于維修，經(jīng)濟合理。結(jié)合工程發(fā)展規(guī)劃、規(guī)模、特征對近期與遠期建設(shè)發(fā)展關(guān)系給予正確處理，盡可能做到遠近結(jié)合。結(jié)合用電容量、負荷性質(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)計方案。根據(jù)國家和行業(yè)產(chǎn)品技術(shù)標準選取變配電所元件和設(shè)備，若經(jīng)濟條件允許，可優(yōu)先考慮和選用經(jīng)濟適用性好、技術(shù)先進且符合國家節(jié)能要求的設(shè)備與產(chǎn)品。在劃分負荷等級方面，需按照國家與行業(yè)要求和標準分為一級負荷、二級負荷、三級負荷。

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

2.3 無功補償

在供配電系統(tǒng)中衡量電能質(zhì)量重要指標之一即功率因數(shù)高低。如功率因素偏低說明供配電系統(tǒng)中缺少無功電源，降低系統(tǒng)電壓，增加電能損耗，對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)備自然功率無法達到預(yù)期要求，所以運用無功率補償設(shè)備使工廠功率因數(shù)得到提升。

無功補償分為高壓集中補充和低壓集中補償。高壓集中補償即在高壓配電所高壓母線上集中裝設(shè)并聯(lián)電容器，該方式只能對高壓母線之前線路無功功率進行補償，無法有效補償之后無功功率；低壓集中補償。在變電所低壓母線上裝設(shè)并聯(lián)電容器，通常用電負荷相對集中的小型企業(yè)和工廠會運用此相對經(jīng)濟的補償方式。其中運用公式表示并聯(lián)電容器Qcc：上述公式中Pmax表示總平均最大功率、kW，cosφ1表示運用過程中平均功率因數(shù)，cosφ2與cosφ3分別表示最大使用時平均功率因素與目標功率因數(shù)。

2.4 低壓回路導(dǎo)線選取與設(shè)計

低壓電線電纜有較大載流量，所運用的電線電纜均為鋁質(zhì)和銅質(zhì)，且具有較強的過載能力和導(dǎo)電性能等，如添加過度則會提升供配電系統(tǒng)建造成本。非有效選取電線電纜會引發(fā)線路事故、造成項目投資失敗。引發(fā)火災(zāi)的重要因素之一即電線電纜短路，對此，在設(shè)計供配電系統(tǒng)時需結(jié)合實際情況正確選取電線電纜規(guī)格與型號，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)合負荷性質(zhì)、用電場所、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)普通回路運用PVC（耐酸堿聚氯乙烯），火災(zāi)報警系統(tǒng)保護對象、消防供電等運用有機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，則會對供配電系統(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需做到導(dǎo)體最小截面與機械強度要求相符、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)保護條件所明確的電流。

2.5 合理選取設(shè)備

對于供配電系統(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)故障情況檢驗部分設(shè)備短路電路的熱溫度度與動穩(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，針對供配電系統(tǒng)需結(jié)合工作條件選取電氣設(shè)備，在此過程中需考慮電氣設(shè)備電氣要求與裝設(shè)環(huán)境條件等因素。校驗電氣設(shè)備短路情況時需根據(jù)極有可能出現(xiàn)的三相短路故障時的動檢驗熱穩(wěn)定度，通常無需考慮具有熔斷保護導(dǎo)體、電器、架空路線等動穩(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)短路故障條件對其熱穩(wěn)定度與動穩(wěn)定度進行檢驗，最大限度保證電氣設(shè)備高質(zhì)安全運行。

在避雷器選擇方面，當前電工裝設(shè)施工方面都會安裝避雷器，不僅能保護電力設(shè)備在運行中受到瞬時過電壓危害與影響，還能將續(xù)流截斷，避免引發(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)備會在電壓值達到規(guī)定范圍內(nèi)動作高壓時立即動作并流經(jīng)過電荷，對過電壓幅值形成限制，達到保護電力設(shè)備絕緣目的。當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)，還要適當改造水泵、風(fēng)機、電動機等用電設(shè)備。對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。電氣管理人員在實際工作中需結(jié)合具體情況加強線損管理工作。通常工廠供配電系統(tǒng)電能損耗與內(nèi)部用電構(gòu)成、運行方式、無功配量、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、負荷分布、電壓等級等多因素有關(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，其電能負荷也相繼發(fā)生變化，不斷延伸的配電線路對電網(wǎng)提出較高要求，所以需適當改造迂回線路，在改造線路走向時要求主干線緊貼負荷中心。

其次合理改造卡脖子線，擴大導(dǎo)線截面。工廠線路因不斷擴大的生產(chǎn)發(fā)展需求導(dǎo)致負荷日益增大，原先線路末端因重新布點的電源成為首端。再加上部分工廠在建立初期其線路標準相對偏低，卡脖子線因此形成。在改造過程中對適當對上述導(dǎo)線截面進行增大，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，滿足國家提出的節(jié)能減排目標。一般改造卡脖子線也需遵循相應(yīng)標準，即線路導(dǎo)線截面處于最大負荷狀態(tài)時，此時電流密度不能＞1～1.5A/mm2。如果現(xiàn)實條件允許，線路導(dǎo)線截面達到一定范圍后可運用備用線路進行供電，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。

第三選取同步電動機。同步電動機負荷多為容性，說明該設(shè)備電能功率可超前。在實際運行中適當調(diào)節(jié)勵磁電流，使設(shè)備在超前功率因數(shù)下安全運行，達到改善電網(wǎng)功率因數(shù)效果。用電電流會因逐漸增高的功率因數(shù)而減少，從而有效降低用電量；第四及時更換變壓器。部分工廠因建造時間久遠，在改造供配電系統(tǒng)之前依舊運用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。只有明確自身實際情況，才能合理選取電壓設(shè)備、保障用電安全。

3 結(jié)語

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)計十分重要。在設(shè)計供配電系統(tǒng)時單純考慮滿足現(xiàn)有基本需求遠遠無法達到現(xiàn)代經(jīng)濟社會發(fā)展標準，需結(jié)合實際情況設(shè)計智能化供配電系統(tǒng)，提升生產(chǎn)質(zhì)量和效率，減少人工控制干預(yù)，實現(xiàn)高效供電的同時保障人身安全。由于供配電系統(tǒng)設(shè)計相對復(fù)雜，設(shè)計人員需根據(jù)實際情況和國家提出的節(jié)能減排要求明確負荷等級科學(xué)配置電力設(shè)備，使電氣供配電系統(tǒng)設(shè)計更趨于科學(xué)合理，滿足電力用戶日益增長的用電需求。