張 麗

(中國(guó)建材國(guó)際工程集團(tuán)有限公司，上海 200063)

1 配電設(shè)計(jì)負(fù)荷分類及供電需求

在供配電設(shè)計(jì)中，電力負(fù)荷分類要根據(jù)供電可靠性要求、供電中斷對(duì)人身安全造成的影響以及經(jīng)濟(jì)損失的不同，將負(fù)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(yán)重經(jīng)濟(jì)損失的負(fù)荷視為一級(jí)負(fù)荷。對(duì)于一級(jí)負(fù)荷，我們通常考慮雙回路電源供電來滿足其供電可靠性的要求。此外，一級(jí)負(fù)荷中，供電中斷會(huì)引起人身傷亡、中毒、火災(zāi)或重大設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞以及特殊場(chǎng)所不能斷電的負(fù)荷，則要視為一級(jí)負(fù)荷中特別重要負(fù)荷，比如生產(chǎn)電源中斷時(shí)停產(chǎn)處理所需的應(yīng)急照明、通信以及自動(dòng)控制裝置等[1]。對(duì)于一級(jí)負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷，我們可以專門設(shè)置不間斷電源來提高該類用電負(fù)荷的供電可靠性，同時(shí)，嚴(yán)格禁止其他負(fù)荷接入，并且，供電電源切換時(shí)間必須符合標(biāo)準(zhǔn)。二級(jí)負(fù)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(jì)損失的用電負(fù)荷。除一、二級(jí)負(fù)荷以外的負(fù)荷屬于三級(jí)負(fù)荷。對(duì)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(jìn)行防并列運(yùn)行處理，比如應(yīng)用機(jī)械或電氣互鎖等方式來保證當(dāng)電源故障后，應(yīng)急電源不會(huì)出現(xiàn)向正常電源倒送電的情況。同時(shí)還需防止繼電器有可能誤動(dòng)而造成應(yīng)急電源與正常電源誤并網(wǎng)。

2 配電設(shè)計(jì)低壓電器選擇及線路保護(hù)

對(duì)于玻璃生產(chǎn)線配電設(shè)計(jì)來說，還需要考慮一個(gè)安全因素即低壓配電線路保護(hù)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(hù)、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(hù)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(huì)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(xiǎn)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(jì)規(guī)范》的要求裝設(shè)過負(fù)荷和短路保護(hù)以及故障防護(hù)，用以發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)并且及時(shí)通斷電流。過負(fù)荷保護(hù)是指保護(hù)電器在過負(fù)荷電流引起導(dǎo)體周圍元器件受損前，分?jǐn)嘣撾娏?。短路保護(hù)是指保護(hù)電器在短路電流對(duì)導(dǎo)體及相連結(jié)處由于熱效應(yīng)燒毀電路前，對(duì)此電流進(jìn)行分?jǐn)?。保護(hù)選擇性以電力系統(tǒng)中的各種自動(dòng)保護(hù)裝置為保護(hù)對(duì)象，如果電力系統(tǒng)發(fā)生故障，那么，故障點(diǎn)處的保護(hù)設(shè)備將動(dòng)作，其上級(jí)保護(hù)設(shè)備不發(fā)生動(dòng)作，此處包含完全與部分選擇性兩種情況。對(duì)于電力系統(tǒng)，往往出現(xiàn)在線路發(fā)生故障時(shí)，電源側(cè)保護(hù)器在負(fù)載側(cè)保護(hù)器動(dòng)作前誤動(dòng)，無法精準(zhǔn)切斷問題負(fù)荷的情況。故對(duì)于一個(gè)安全可靠的配電系統(tǒng)來說，低壓配電線路上下級(jí)保護(hù)電器須有選擇性的動(dòng)作，各級(jí)之間應(yīng)能協(xié)調(diào)配合，使得出現(xiàn)故障時(shí)，僅靠近故障點(diǎn)的電路斷開，停電范圍最小。如斷路器的保護(hù)性選擇及時(shí)間選擇上，下、上級(jí)斷路器的脫扣時(shí)間有所延時(shí)，做到下級(jí)斷路器優(yōu)先脫扣。短路保護(hù)電流的整定值比值>1.5； 能量選擇性上，如果檢測(cè)到大短路電流存在，下級(jí)斷路器可以做到迅速限流，使上級(jí)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(jí)配合，對(duì)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(jì)損失。

3 配電設(shè)計(jì)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(jìn)行準(zhǔn)確的負(fù)荷計(jì)算后，按電源及負(fù)荷特點(diǎn)合理確定變電所(站、室)的位置，配置無功功率補(bǔ)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(fù)荷中心，在保證負(fù)荷供電需求的前提下，做到盡可能減少變壓器級(jí)數(shù)，縮短供電半徑，可以避免多次壓降。目前設(shè)計(jì)的大部分玻璃生產(chǎn)線項(xiàng)目一般不超過3級(jí)壓降即35/10/0.38 kV或者110/10/0.38 kV。同時(shí)在低壓配電過程中，不可避免地存在單相負(fù)荷，如果出現(xiàn)單相不平衡或者單相負(fù)荷不同期的現(xiàn)象，會(huì)造成變壓器中性點(diǎn)偏移，最終造成各項(xiàng)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(jì)過程中，應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化供電分配從而實(shí)現(xiàn)能耗降低的目的。節(jié)能節(jié)電對(duì)于提高功率因數(shù)是至關(guān)重要的。對(duì)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(fù)荷的功率因素，可以減少線路損耗。對(duì)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(duì)于玻璃生產(chǎn)線這類工業(yè)用戶，國(guó)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(fù)荷時(shí)，一次側(cè)功率因素要在0.95及以上，在低谷負(fù)荷時(shí)，則滿足功率因素在0.95及以下。10 kV電壓等級(jí)額定容量30～2 500 kVA干式配電變壓器能效等級(jí)按GB20052—2013《三相配電變壓器能效限定值及能效等級(jí)》規(guī)定，能效等級(jí)分為3級(jí)，1級(jí)能效最低，3級(jí)能效最高。在工程設(shè)計(jì)中選擇變壓器時(shí)，多選擇空載損耗和負(fù)載損耗能效為2級(jí)或者1級(jí)的變壓器。

4 配電設(shè)計(jì)原則在玻璃生產(chǎn)線上的實(shí)際運(yùn)用

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

4.1 玻璃生產(chǎn)線配電設(shè)計(jì)中變壓器選擇

通常由上級(jí)供電電源點(diǎn)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(duì)于變壓器的容量選擇采取“N-1”原則,即當(dāng)其中一路發(fā)生故障時(shí),另一路可以帶起全部生產(chǎn)用所需負(fù)荷，這對(duì)于整個(gè)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(xiàng)目實(shí)際情況，部分生產(chǎn)線還會(huì)設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)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(jī)容量較大,但正常生產(chǎn)時(shí)實(shí)際運(yùn)行負(fù)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(jì)投資，為此進(jìn)行了深入地探討研究。經(jīng)過長(zhǎng)期監(jiān)視、測(cè)控玻璃生產(chǎn)線上各變電所變壓器的運(yùn)行方式和運(yùn)行負(fù)荷,綜合分析對(duì)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(gè)生產(chǎn)線的負(fù)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(duì)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(shí)、再或者8 年左右一次冷修期時(shí)，才會(huì)開啟錫槽電加熱對(duì)錫槽加溫，此時(shí)會(huì)接近滿負(fù)荷運(yùn)行，故在此情況下，變壓器容量無需互為備用，只有當(dāng)正常生產(chǎn)時(shí)，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(shí)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(shí)，采用無功補(bǔ)償是提高功率因素最好的辦法。通常我們會(huì)在35 kV/10 kV及變壓器低壓側(cè)設(shè)置無功補(bǔ)償。微機(jī)控制的低壓補(bǔ)償電容器柜，根據(jù)無功負(fù)荷波動(dòng)情況，對(duì)投入的電容器組數(shù)量實(shí)時(shí)改變調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)跟蹤補(bǔ)償，使得各配電變壓器低壓負(fù)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(fù)荷側(cè)的電壓水平提升，達(dá)到較為理想的補(bǔ)償效果。

4.2 玻璃生產(chǎn)線配電設(shè)計(jì)中導(dǎo)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(yùn)行狀態(tài)，應(yīng)重視電纜和導(dǎo)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(qiáng)度、允許的電壓降落、敷設(shè)環(huán)境、敷設(shè)方式和負(fù)載保護(hù)等多方面因素。一般情況下，配電線路都會(huì)先按照發(fā)熱情況來選擇截面，以確保導(dǎo)體的實(shí)際工作溫度不會(huì)超過允許值，導(dǎo)體按發(fā)熱條件的允許長(zhǎng)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(yàn)機(jī)械的強(qiáng)度和電壓損耗程度。此外，對(duì)于用電設(shè)備電子端來說，若電壓偏離額定值時(shí)，其性能將大大受到影響，比如一些風(fēng)機(jī)水泵可能出現(xiàn)無法正常啟動(dòng)的情況。所以，對(duì)于一些較遠(yuǎn)距離的配電線路來說，還需要考慮其電壓降落，可以適當(dāng)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(chǎng)所，還需要用一些特殊材質(zhì)的電纜，如在火災(zāi)危險(xiǎn)場(chǎng)所，我們需要改用耐火電纜、阻燃電纜等來進(jìn)行敷設(shè)。在電纜直埋地敷設(shè)時(shí)，當(dāng)有可能承受較大電壓或者存在機(jī)械損傷危險(xiǎn)時(shí)，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(jì)中防雷接地措施

為防止或者減少由于雷擊對(duì)于工業(yè)廠房產(chǎn)生的人身傷亡和財(cái)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(duì)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(duì)于第一、二、三類防雷建筑物分別采取不同的防雷措施[3]。對(duì)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(duì)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(shí)，接地電阻要符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)實(shí)際測(cè)量的電阻值不符合標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，則要加設(shè)人工接地極。此外，對(duì)于存貯、輸送易燃?xì)怏w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(guó)家規(guī)范值。此外，當(dāng)有低壓電源進(jìn)線從戶外引來時(shí)，該進(jìn)線柜必須裝設(shè)電涌保護(hù)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(zhǎng)，遍布在中國(guó)各地,且大部分業(yè)主多為先進(jìn)企業(yè)。在玻璃工業(yè)不斷進(jìn)步的同時(shí),對(duì)電氣設(shè)計(jì)的要求也越來越高,大部分業(yè)主對(duì)于電氣設(shè)計(jì)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(jì)是一項(xiàng)涵蓋多領(lǐng)域知識(shí)的重要綜合性設(shè)計(jì)工作，要求設(shè)計(jì)者在日常項(xiàng)目中仔細(xì)觀察，反復(fù)對(duì)比，不斷優(yōu)化供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，真正實(shí)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(dá)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。