工廠供配電系統(tǒng)設(shè)計的基本原則及要點分析研究

郝昱磊

(華陸工程科技有限責任公司，陜西 西安 710065)

1 概 述

高效清潔、容易控制和便于轉(zhuǎn)換是電能獨特的優(yōu)點，生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域都離不開電能。近年來，我國工業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，需要更加充足、可靠的電力能源供應(yīng)，同時，各類工廠規(guī)模日趨集中化、大型化，生產(chǎn)工藝流程逐漸多樣化、復(fù)雜化，工廠供配電系統(tǒng)也隨之變得更加復(fù)雜，一旦供配電系統(tǒng)出現(xiàn)問題，就會影響整個系統(tǒng)，導致供電系統(tǒng)故障，嚴重時直接影響到工廠設(shè)備及人員安全，所以工廠對供配電系統(tǒng)的本質(zhì)安全、成本控制、電能質(zhì)量等方面都有了更高的要求。在設(shè)計工廠供配電系統(tǒng)時，要盡可能把握設(shè)計原則，統(tǒng)籌技術(shù)要點和經(jīng)濟指標，科學合理地制定設(shè)計方案，從而保障工廠平穩(wěn)可靠運行，高效生產(chǎn)。

2 工廠供配系統(tǒng)設(shè)計的基本原則

(1)合法合規(guī)原則。供配電系統(tǒng)設(shè)計必須嚴格執(zhí)行國家相關(guān)法規(guī)、規(guī)范和有關(guān)方針政策。

(2)滿足需要原則。供配電系統(tǒng)應(yīng)符合工廠用電負荷等級，承受工廠生產(chǎn)設(shè)備設(shè)施的用電功率，滿足工廠生產(chǎn)工藝安全穩(wěn)定的電能質(zhì)量，兼顧生活用電需求。

(3)安全可靠原則。供配電系統(tǒng)應(yīng)能在正常情況下，連續(xù)、可靠地向工廠各個區(qū)域進行供電，并能根據(jù)工廠各區(qū)域用電量的差異，進行不同程度的調(diào)度。同時有特殊生產(chǎn)要求的工廠，如玻璃制品工廠、化工廠、鋼鐵廠等，設(shè)備運行需要保證不間斷的供電需求。在遇到設(shè)備檢修或故障時，能快速中斷對故障設(shè)備供電，從而使工廠設(shè)備及工作人員的安全得到有效保障，減少對工廠造成影響和損害。

(4)經(jīng)濟節(jié)能原則。通過系統(tǒng)性的設(shè)計和對關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點的把控，使整個供配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰簡單，操作簡便快捷，工程造價合理，減少能源損耗，在進行設(shè)備選型、材料選定時，要考慮后期運營維護成本，降低費用。

(5)持續(xù)發(fā)展原則。供配電系統(tǒng)設(shè)計要全面考量行業(yè)發(fā)展前景、技術(shù)發(fā)展趨勢、工廠發(fā)展規(guī)劃，在工廠近期用電需求得到滿足的基礎(chǔ)上，還要兼顧工廠將來擴大規(guī)模、引進新工藝、新設(shè)備的需要。

3 工廠供配電系統(tǒng)設(shè)計要點分析與研究

3.1 用電負荷等級及負荷量

應(yīng)根據(jù)工廠類型及性質(zhì)、供電可靠性需求及國家相關(guān)法律法規(guī)、政策要求來確定工廠用電負荷等級。

GB 50052—2009《供配電設(shè)計規(guī)范》提出根據(jù)斷電后果的嚴重程度，將負荷等級分為一級負荷、二級負荷、三級負荷。不同負荷等級的工廠對供電安全可靠性的要求不同，在設(shè)計時要嚴格按照規(guī)范要求進行設(shè)計。

應(yīng)根據(jù)工廠實際需求來確定工廠用電負荷。供配電系統(tǒng)設(shè)計中最重要的一項基礎(chǔ)數(shù)據(jù)就是工廠用電負荷，工廠設(shè)備設(shè)施以及導線的規(guī)格型號的選擇與確定都受到負荷計算的影響。只有正確進行負荷計算才能合理選擇設(shè)備、電纜等電氣設(shè)備設(shè)施。

需要系數(shù)法、二項式法是近年來國內(nèi)主要使用的2種計算負荷量方法，后來又發(fā)展出新需要系數(shù)法和新二項式法，新的計算方法計算更加簡便，結(jié)果更加精確[1]。

3.2 主接線方案

電氣主接線主要有有母線的主接線和無母線的主接線2種形式[2]。表1是電氣主接線方式的主要形式和優(yōu)缺點對比。

表1 電氣主接線方式的主要形式優(yōu)缺點對比及適用范圍

主接線是整個供配電系統(tǒng)的源頭，決定著供配電系統(tǒng)的可靠性，對供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性、靈活度、經(jīng)濟性也有重要意義，在設(shè)計時要充分考慮投資運營成本、日常運行維護操作、設(shè)備故障影響以及減少后期改造的情況，選擇合理的主接線方式。

3.3 短路電流計算

短路故障是電力系統(tǒng)故障中常見的一種故障類型，會造成局部乃至全廠設(shè)備斷電，甚至可能導致設(shè)備燒毀損壞和電氣火災(zāi)，后果十分嚴重，所以在供配電設(shè)計中要高度重視短路電流計算。

標么值法和歐姆法是常用的計算短路電流方法。標么值法用在高壓供電系統(tǒng)中；歐姆法用在低壓供電系統(tǒng)中[4]。不同時刻的短路數(shù)據(jù)可以應(yīng)用于電氣設(shè)備及導線的校驗項目，例如正確選擇和校驗電氣設(shè)備、導線，正確選擇和整定繼電保護裝置，確定系統(tǒng)中性點接地方式，確定接地裝置的設(shè)計等。

3.4 電氣設(shè)備選型

選擇電氣設(shè)備時，需要考慮其額定電壓、額定電流、動穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性及斷流能力等基礎(chǔ)性能以及設(shè)備運行環(huán)境情況，如溫度、濕度、風速等氣候條件[5]。

表2給出了關(guān)鍵設(shè)備的選擇條件的和校驗項目。同時還要考慮到電動機等供電設(shè)備在使用過程中可能出現(xiàn)的感應(yīng)磁場引起的電能損耗，選擇合理的電氣設(shè)備和電纜，使電能損耗降低。

表2 主要電氣設(shè)備的選擇和校驗項目

3.5 中性點接地方式選擇

電力系統(tǒng)中性點接地主要是用來保障供配電系統(tǒng)穩(wěn)定及相關(guān)設(shè)備的安全，其影響范圍廣，可能會擾亂繼電保護裝置的選擇性，降低配電系統(tǒng)的過電壓水平，影響保護整定，造成人員觸電，影響通信等[6]。中性點接地方式分為中性點有效接地和中性點非有效接地(如圖1所示)，這2種接地方式各有優(yōu)缺點，前一種接地系統(tǒng)故障電流大，接地線路比較容易被發(fā)現(xiàn)，但故障會使線路跳閘，供電可靠性較差；后一種接地系統(tǒng)故障電流較小，對系統(tǒng)電壓影響不大，用戶可短時間內(nèi)繼續(xù)運行，供電可靠性高，但不容易發(fā)現(xiàn)故障點[7]。單項接地故障問題是設(shè)計中性點接地方式時要重點關(guān)注的一點，應(yīng)解決好因單項接地故障問題產(chǎn)生的跨步電壓和接觸電壓及其對設(shè)備絕緣、設(shè)備通訊的影響，在設(shè)計中性點接地方式時，進行系統(tǒng)性考量，最大程度地降低單項接地故障產(chǎn)生的不良后果，減少運行費用及安全風險。

圖1 中性點有效接地和中性點非有效接地

3.6 繼電保護

工廠運行時間增加，設(shè)備及其運行環(huán)境也會變差，操作人員也會產(chǎn)生懈怠心理，出現(xiàn)誤操作的行為，使得電氣故障和非正常運行狀態(tài)時有發(fā)生，而供配電系統(tǒng)又是一個互聯(lián)互通、互相影響的整體，一處故障可能會造成整個工廠停止運行。繼電保護裝置能夠?qū)⑾到y(tǒng)內(nèi)的這些非正常狀態(tài)指示出來并進行有效控制，迅速切除故障，減小故障的影響。為滿足上述的要求，繼電保護裝置必須具有反應(yīng)靈敏、動作迅速、選擇切斷等可靠性質(zhì)。應(yīng)根據(jù)工廠繼電保護的設(shè)備要求配置繼電保護方案，以達到經(jīng)濟、可靠的要求。

圖2 繼電保護示例

3.7 工廠防雷

雷擊是工廠較為常見的一種事件，一旦遭受雷擊，其后果往往較為嚴重，可能會導致電氣設(shè)備失靈、損壞，甚至會使工作人員遭到雷擊。因此，應(yīng)將防雷設(shè)計作為供配電系統(tǒng)設(shè)計的一個重點，在設(shè)計階段就應(yīng)當考察當?shù)貧庀蟛牧希私庵苓吚讚羰鹿拾咐?，合理布置防雷設(shè)施。

工廠供配電系統(tǒng)的雷擊防護主要包括直擊雷的防護和雷電波侵入的防護。

防范直擊雷主要使用避雷針(線)。在避雷針設(shè)計時應(yīng)重點注意以下兩點。

(1)避雷針(線)的保護范圍。通常使用滾球法來計算，所有需要被保護的建筑和設(shè)備都應(yīng)該包含在保護范圍內(nèi)。

(2)防雷裝置與被保護物之間的安全距離。如果兩者之間距離過近，被保護物就會因雷電在接地體上產(chǎn)生的高電位反擊，造成次生損害。GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范要求》給出了防雷裝置與被保護物之間安全距離(如圖3所示)的計算公式，通過計算可以得到所需的安全距離，但最小不得小于3 m。

圖3 防雷裝置至被保護物的間隔距離

防止雷電波侵入主要使用避雷器。避雷器的類型主要有管型避雷器、閥型避雷器及金屬氧化物避雷器。在選擇避雷器時，應(yīng)仔細了解避雷器的特性參數(shù)，選擇合適的規(guī)格型號，采用并聯(lián)的方式安裝在靠近被保護裝置的地方。金屬氧化物避雷器與傳統(tǒng)的避雷器相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、防護特性好等許多優(yōu)點，被廣泛用于各類電氣設(shè)備的防護[8]。

3.8 應(yīng)急電源

一些高危行業(yè)的工廠以及一、二級負荷等級的企業(yè)，在工廠事故停電狀態(tài)時，可能會導致設(shè)備損壞，甚至會導致火災(zāi)、爆炸乃至人員傷亡[9]。例如，蒸汽鍋爐在運行時，突然遭遇停電，所有相關(guān)設(shè)備、儀表都不能正常使用，如果操作不當或不及時，可能會造成鍋爐報廢甚至爆炸的嚴重后果。因此應(yīng)急電源是保障工廠安全生產(chǎn)的最后一道防線，必須予以高度重視。但目前部分企業(yè)對應(yīng)急電源的配備還存在不少隱患，如在事故停電狀態(tài)下不能迅速啟動或切換，應(yīng)急電源的容量達不到要求的供電時間，需要接入應(yīng)急電源的設(shè)備未接入等。GB 50052—2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》也對應(yīng)急電源的設(shè)置提出了明確要求。常用應(yīng)急電源主要有：發(fā)電機組、備用供電線路、蓄電池等，在設(shè)計時可根據(jù)不同設(shè)備、允許中斷供電時間的要求選用不同的應(yīng)急電源。

表3 應(yīng)急電源適用的允許中斷供電時間及供電對象

4 結(jié) 語

科學合理的工廠供配電系統(tǒng)對工廠是否能夠安全可靠、高效平穩(wěn)、經(jīng)濟環(huán)保地運行起到了至關(guān)重要的作用，也是工廠最基本的需求，本文總結(jié)了供配電設(shè)計中的基本思路、基礎(chǔ)工作和關(guān)鍵技術(shù)要點。

(1)要把握好設(shè)計原則。設(shè)計方向正確，方案會更加符合實際需要。

(2)重視負荷量、短路電流、防雷保護范圍及安全間距等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、關(guān)鍵數(shù)據(jù)的計算及精度。計算負荷量時，設(shè)備多，功率差別小，采用新需要系數(shù)法，設(shè)備少、功率差別大，采用新二項式法；計算短路電流時，在高壓供電系統(tǒng)中采用標么值法，在低壓供電系統(tǒng)中采用歐姆法；計算防雷保護范圍采用滾球法，計算防雷安全距離可查閱防雷設(shè)計規(guī)范公式。

(3)關(guān)注繼電保護、中性點接地、應(yīng)急電源等在系統(tǒng)故障狀態(tài)下的保證設(shè)備、人員安全的防護措施的設(shè)計，同時日常使用中應(yīng)加強維護，確保各項措施完好有效。

(4)在選擇主接線方式、設(shè)備選型時，不但要考慮設(shè)計方案的可行性，還要關(guān)注投入運行后的運行維護操作的經(jīng)濟性和便捷性。