SIMARIS design優化工業和民用配電設計

何友林

（西門子能源管理集團TIP 技能中心，上海 ）

隨著國民經濟的快速發展，電力消耗逐年增大，電力用戶對用電的要求也越來越高，可靠、高效的供配電系統是個永恒的話題。對于工業行業，比如，電力、石化、冶金、電子廠房等，如果工廠的電能供應意外突然中斷，或者越級跳閘，以及電能質量問題等，都可能對工業生產和人身安全造成嚴重的后果。對于基礎設施和建筑領域，比如，地鐵、鐵路、機場、數據中心、高層或者超高層建筑、醫院、大型體育場館等，避免電氣火災、防止人身觸電、可靠持續供電等問題貫穿整個電氣設計過程。

對于工業和民用項目，如何減少電氣設計師日常繁瑣的工作量，并且確保配電系統安全、可靠、經濟？我想這也是每一個電氣設計師關心的話題。那么，一個輔助的配電設計工具軟件是必不可少的。西門子配電設計軟件SIMARIS design 能夠設計從中壓進線、到低壓配電直到終端配電系統，協助配電規劃設計人員，管理配電設計各個階段，極大減少電氣設計時間，同時，得到一個安全、可靠、經濟的配電系統。

1 工業和民用配電設計需求

設計工業和民用配電項目，需要考慮很多方面，其中有幾個關鍵設計要求如下：

1）負荷統計

負荷總體來說可以分為兩大類：動力負荷和照明負荷。動力負荷主要是以馬達帶動相關用電負載的動力設備，通過統計工廠車間、各個樓層等的動力負荷，以及考慮負荷的需用系數和同時系數，最終確定項目總體動力負荷的大小。照明負荷主要是各類照明和插座，依據各個場所照度的要求，結合相應的應用面積，估算照明負荷的大小。最終，確定項目總的負荷需求。

2）短路電流計算

配電系統短路電流計算是為了進行正確合理的配電設備選型以及優化配電保護設備的保護整定靈敏度，因此，此工作在電氣設計中是必不可少，也是非常重要的一個環節。依據系統不同運行方式，計算出線路或者用電設備可能發生短路故障的電網參數，比如，三相短路、兩相短路、單相以及相間短路等。

3）電壓降計算

電力流過電力線路和設備，會產生電壓損失。對于用電設備來說，比如，動力負荷和照明，當電壓損失太多時，將影響用電設備的正常工作。因此，電壓降計算工作對于電氣設計師來說，也是個必不可少的環節。

4）功率因數計算

用電單位通常會和電力公司簽訂購電合同，合理的功率因數指標是電力公司要求用電單位的一個方面。因此，電氣設計師在項目設計階段，依據項目負荷的狀況，計算變電所內變壓器低壓側的功率因數，再計算出補償電容器的規格和數量，來提供無功功率，改善功率因數，達到供電部門的要求。

5）設備選型

綜合負荷計算、短路電流計算、選擇性配合等電網參數和要求，選擇合理的配電設備，比如，斷路器、熔斷器、隔離開關、母線、電纜、避雷器、互感器、開關柜等。并根據需要進行動熱穩定檢驗。

6）選擇性配合

當配電保護設備選擇好后，需要設定保護設備的整定值，比如，過載定值、短延時定值、瞬動定值等。在整定保護定值的過程中，需要綜合考慮當前線路或者設備的保護，以及上下級保護設備之間整定值的配合問題。

2 SIMARIS design 設計功能

工業和民用配電設計需要綜合考慮不同的供電方案和網絡架構，需要做大量而細致的負荷統計工作，需要進行復雜而煩瑣的電網參數計算，在此基礎上，結合配電系統的安全性和經濟性進行合理的設備選型。

配電設計選型軟件SIMARIS design 設計選型遵行IEC 標準規范，它的主設計界面如圖1所示，主要功能如下。

1）電網參數計算：負荷電流計算；短路電流計算；線路電壓降計算；無功補償計算；電纜載流量計算；有功功率/無功功率/視在功率/功率因數計算。

2）設備選型：斷路器；熔斷器；隔離開關；電纜/母線槽；變壓器/發電機。

3）選擇性配合評估

當一個項目設計完好后，軟件能夠輸出全部的設計文檔，包括各類網絡單線圖、負荷清單、選擇性整定值清單、短路電流清單以及和AUTOCAD 兼容的DXF/DWG 格式輸出文件。軟件能夠輸出一個接口文件，該文件信息導入SIMARIS project，很快自動生成低壓柜的排列布置圖，得出配電柜以及所占空間的需求。

圖1 SIMARIS design 設計界面

3 優化設計工業和民用配電系統

當前，在工業和民用配電設計過程中，在一些關鍵設計環節，確實還存在著如下一些問題：電氣網絡計算不精確，選型不合理，保護整定沒有做好等。這些環節沒有做好，就可能會導致配電項目投資過大、配電系統存在安全隱患。下面重點介紹配電設計軟件SIMARIS design 優化配電系統設計的幾個方面。

3.1 全面詳細的短路電流計算

目前無論工業還是民用配電設計，低壓短路電流計算普遍存在著短路電流計算不夠精細，主要體現在如下方面。

1）沒有計算分配電回路的短路電流。低壓配電系統分支回路很多，計算工作量很大，并且項目設計過程中，技術參數變動頻繁，使得電氣設計師很難有這個時間去做精確地計算。

2）沒有計算最小短路電流。計算最小短路電流對于低壓配電來說，也是非常繁瑣和很大的工作量，對于廣大電氣設計師也是很難在實際設計過程中進行全面和精確的計算。

3）沒有計算電動機反饋電流。

如果這些短路電流值不計算會產生哪些后果呢？

1）配電設備選型偏大，增加不必要的投資。

2）配電設備選型偏小，出現短路故障，損壞配電設備，甚至影響人身安全和火災風險。

3）保護設備的靈敏度整定缺乏依據，存在越級跳閘隱患，擴大故障范圍。

SIMARISdesign 計算短路電流遵循IEC60909 標準規范。在配電系統網絡架構搭建完成，輸入負荷參數，設定系統供電方式后，軟件能夠自動計算各級配電系統的短路電流，在短路電流單線圖上顯示各級的最大和最小短路電流，以及電動機的反饋電流，見如圖2所示。圖2單線圖上顯示的IKmax為最大短路電流，比如，進線IKmax=3164A；Ikmin為最小短路電流，比如，進線Ikmin=1244A；對于電動機來說，還會計算反饋電流IKmotor，比如，電機負載IKmotor=158A。有些這些參數，斷路器的選型和整定就有了科學的依據。

圖2 短路電流單線圖

3.2 全面詳細的電壓降計算

在工業和民用配電設計中，需用計算配電設備和線纜的電壓損失，確保電壓偏差滿足負荷正常運行的需求。在工業系統中，有大量的電動機負荷，如果電動機側的電壓太低，就有可能影響電動機的啟動運行。對于一般的固定負載，計算線路的靜態電壓降也就可以了，但對于電動機負載，還得考慮啟動時刻的動態電壓降。

當前工業和民用配電設計，往往很多情況下，只核算最長的線路電壓降，認為把最極端情況考慮了就算了。因此，也是普遍存在著電壓降計算不夠全面精細的問題，尤其是需要考慮電動機的啟動期間動態壓降問題。

配電設計軟件SIMARIS design 在計算配電線路電壓降時，除了能夠計算各級配電線路累計的靜態電壓降外，針對電動機負載，還能夠計算電動機側的動態電壓降。當配電網絡搭建好，軟件自動計算得出各級配電系統的線路電壓降。圖3為網絡負荷單線圖，在該圖上可以看到配電柜進線側累積的電壓降為5.27%，負載L 1.1A.1.1 累積的靜態電壓降為5.62%，電機負載M 1.1A.1.3 累積的靜態電壓降為6.24%，考慮電機起動電流情況的動態電壓降為12.6%。

圖3 網絡負荷單線圖

3.3 無功優化計算

無功補償對節能降損，提高設備出力，改善電壓質量等方面有重要作用。SIMARIS design 軟件可非常方便改變負載，調整線路參數，優化電能消耗和電能質量的相關參數，動態仿真和測試未來的運行工況。

運行SIMARIS design 軟件后，可從軟件界面的單線圖上察看每一回路的能量消耗、功率因數和電壓降,如發現無功功率偏大、功率因數偏低、線路電壓降超限、不能滿足電能質量基本要求時，可通過軟件對整個系統或局部配出回路進行無功功率補償，添加相應的電容補償線路，通過軟件快速計算，在單線圖界面上將立即顯示無功補償的效果。如圖4所示，每一步投入的無功功率為25kVAr，電容器模塊數為10，投入的模塊數為6，計算出補償后的功率因數為0.955，當然，這些參數根據實際需求可以調整，計算出滿足要求的功率因數。無功補償除了可以提供功率因數外，同時也降低線路電壓降、減少負荷電流。

圖4 無功補償計算

3.4 合理的設備選型

在配電系統的設計過程中，當電網參數都計算好后，正常設計需要花大量時間進行設備選型。當前配電設計選型結果，參數通常偏大，比如所選擇的斷路器的額定電流、分斷能力。為了配電系統的可靠性，考慮設計余量是可以理解的。但是，如果網絡計算不精確，配電選型不合理就不可避免了。舉例，末端配電系統使用的小型斷路器，分斷能力通常有4.5kA，6kA，10kA，15kA 等更多，如果沒有計算末端配電箱進線側的短路電流，就無法選擇合適的分斷能力。

使用SIMARIS design 軟件，設備選型變得很容易完成，且合理。線路保護設備的選型除考慮與額定電壓、額定電流、額定頻率、使用場所的環境相適應等情況外，還必須考慮短路條件下的動穩定和熱穩定的要求，必須同時滿足以下條件：

1）安裝點的最大短路電流I”scmax小于斷路器的斷路器額定極限分斷能力Icu。

2）安裝點的最小短路電流I”scmin大于斷路器的短路短延時電流Isd或者瞬動電流Ii。

3）斷路器短路接通能力Icm 必須大于安裝點的短路電流的峰值Ip。

4）B 類斷路器必須能夠在一段時間內承受安裝點發生的短路電流，此短路電流和時間用于考核斷路器的Icw。

5）短路條件下的動穩定和熱穩定要求：S2K2＞=I2t。

圖5為SIMARIS design 的產品數據庫界面，當配電網絡搭建好后，軟件依據饋線負荷電流、短路電流等條件，自動選出合理、經濟的配電線路保護設備，當軟件的自動選型在有必要調整的情況下，再進入SIMARIS design 的產品數據庫，進行手動調整選型。

圖5 產品數據庫

3.5 優化配電系統選擇性

優化選擇性配合在工業和民用配電系統中尤其重要。當前，很多配電設計沒有進行詳細的短路電流計算，尤其是算出每個回路的最小短路電流，因此，配電保護設備之間的選擇性優化就很難做到。優化配電系統的選擇性需要綜合考慮當前線纜上會發生的最大和最小短路電流，以及上級配電保護設備下限的保護包絡線，和下級保護設備的上限的保護包絡線。

選擇性的類別主要有：電流選擇性（電流級差配合）、時間選擇性（時間級差配合）和ZSI（區域選擇性聯鎖）。驗證配電系統的選擇性必須在配電系統計算基礎之上，綜合考慮過載、短路、接地（漏電）、電壓降、失電等故障情況下保護設備之間的配合。

圖6 選擇性配合曲線

圖6是SIMARIS design 直觀明了的選擇性配合特性曲線，配電單線圖上選型的斷路器是3WL，在右邊的時間電流坐標上，顯示有藍色、綠色和紅色三條保護曲線，其中，綠色保護曲線代表當前3WL 斷路器的保護特性曲線，藍色代表中壓進線開關的保護特性曲線，紅色代表下級所有線路保護設備的保護特性曲線的上線包絡線。在坐標軸上還顯示了當前線路的最大和最小短路電流。在進行選擇性配合的時候，首先比較當前的短路短延時電流和線路最小短路電流，然后，比較各個曲線的電流大小，最后，再進行時間比較，實現配電系統的選擇性配合。從圖上可以看到，短路短延時電流 32kA＜ 44.95kA，滿足要求；然后比較電流大小可以看出也是滿足要求的；最后，短延時的時間為0.4s，遠大于下級包絡線時間，滿足要求。

4 結論

針對當前工業和民用配電設計存在的問題，比如，設計計算不夠精細、選型不合理、選擇性沒有優化等，電氣設計師可以利用西門子配電設計選型軟件SIMARIS design，全面優化配電系統設計，獲得一個安全可靠、經濟合理的配電系統。并且，它非常方便于項目設計過程不斷變化和深化，可以作為一個項目管理工具，應用于項目方案設計階段開始，管理項目設計一直到施工和運行維護。