低壓配電系統保護的節能設計

李樹庭 / 陳 勇(中南建筑設計院股份有限公司， 湖北 武漢 430071)

1 概述

1.1 節能與全生命周期節能

對配電系統來說，節能就是在保證配電系統的功能性要求、滿足用電需求的情況下，使能源的消耗下降。

按配電系統節能考慮范圍的不同，可以分為狹義節能和廣義節能。

1)狹義節能

狹義節能是指直接看得見的節能，或者說是有形的節能。對配電系統來說，就是節約電能，使配電系統的各環節配電、輸電損耗減小。此部分可以直接用能源消耗量(如多少度電)來統計或計量。

2)廣義節能

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，而且是在系統全生命周期范圍內的節能。

配電系統的廣義節能措施主要為:

(1)提高能源系統效率(減少變配電及線路損耗)；

(2)合理節省物資消耗(合理選擇電纜、導線、母線等導體材料的材質、結構形式和截面，降低電能損耗，降低資源消耗量，降低碳排放量；合理選用配電形式，減少配電環節。設計選擇的各類設備材料均要具有合理的利用效率、物盡其用)；

(3)節約不必要的勞務量(降低配電系統安裝和維護的人力消耗、提高系統自動化水平)；

(4)節約資金占用量(提高配電系統的經濟性、降低運營成本)。

3)配電線路節能的常規方式

配電系統線路節能是在設計中較為重要的方面，這個部分可以簡單的用電能消耗來計算?？赏ㄟ^優化導體種類、減少輸電線路長度以及加大導線截面的方法達到節能的目的。具體來說就是選擇電導率高、成本低的導體，并優化變配電所選址，對供電距離長的負荷，在滿足線路供電安全、電壓降和動熱穩定等要求的前提下，適當選用截面較大的導線(如經濟電流法)，減少線路損耗。

4)節材的意義

由于配電系統所用的設備、材料在開采、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，所以在設計中節材也相當于節能。

配電系統節材主要通過減少配電導體消耗、減少橋架和支架等電纜構筑物消耗、減少配電設備消耗等方式進行。下面列出電纜銅導體、橋架鋼材及電力折標煤情況，供設計參考。

(1)電纜銅導體生產能耗情況

銅生產包括采礦、選礦和冶煉三個階段。我國生產1t銅采礦平均能耗為763kg標煤，選礦平均能耗為2 038kg標煤，冶煉平均綜合能耗為780kg標煤《銅冶煉企業單位產品能源消耗限額》(GB 21248-2007)要求為950kg標準煤)平均總能耗為3 581kg標準煤。

對電纜導體來說，其每米導體含銅量G為：

S：導體截面積

ρ：導體材料比重(銅為8.89 g/cm3)

如YJV-0.6/1KV -3×185+2×95電 纜， 可估算其每米耗銅量為5.785kg，相應其內每米銅材冶煉能耗為4.51kg標準煤，每米銅材冶煉總能耗為20.72kg標準煤。

(2)橋架鋼材生產能耗情況

我國2013年上半年全國重點鋼鐵企業每噸鋼材冶煉綜合能耗為594.29kg標煤，而每噸鐵礦采礦、選礦工序單位能耗合計共約20kg標準煤。平均總能耗約614kg標準煤。

如鋼制電纜槽式橋架800×150，其板厚按2mm計算，每米展開面積約為1.2m2，其密度為7.85 g/cm3，則可估算其每米耗鋼量約為18.84kg。相應其內每米鋼材總能耗為11.57kg標準煤。

(3)電能折標準煤

電能折標準煤為每度電(電能當量值)折0.1229kg標準煤，考慮到熱電發電效率，我國供電煤耗一般按每度電折0.366kg標準煤。

按需要系數取0.7，圖1、圖2為典型辦公場所負荷曲線。辦公建筑的負荷特點為電氣工作日為周一～周五，工作時間是早8:00～晚5:30，每年工作日按251日計。依圖1和圖2得，工作日折算最大負荷利用小時為6.59h，非工作日折算最大負荷利用小時為2.34h，其年最大負荷利用小時依曲線計算為1 538h，年最大負荷損耗小時按τ=800h計算。

計算兩例30年運行周期內的電纜(YJV-1kV)截面選擇和30年線路電能損耗，結果如表1所示。

圖1 典型辦公場所休息日負載率曲線

圖2 典型辦公場所工作日負載率曲線

從表1中估算結果可知，配電線路導體截面越大，初始投資越多，對應的長期運行電能損耗越大，在工程設計中，配電線數量多、線路長，電纜導體的初始投資及損耗均相當可觀，因此，減少導線長度和用量，降低材料消耗十分必要。

從表1中計算可知，從使總費用最小的角度上來看，為了使初始投資與運行費用(電能損耗)之和最小。需選擇適當的導體截面，合理降低材料的使用量，同時降低費用投資，提高了經濟效益，也更利于節能。

1.2 配電系統的耗能與節能

1)配電損耗占配電總電能消耗的比例

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。依據國際能源機構(IEA)《非經合組織國家能源統計與平衡》、《經合組織國家能源統計數據》和聯合國《能源統計年鑒》相關資料，我國配電損耗占電能消耗的比例見圖3所示。

由圖3可知，2011年我國配電損耗占配電總能耗的比例略低于6%，相應此數值日本及美國為5%，德國為4%。

由于上述配電損耗數值包含電網損耗及末端配電損耗，而由于配電變壓器的損耗在配電損耗中占了相當大的比重，(約占配電總損耗的50%～70%)，因此選擇高效率、低損耗的變壓器對降低配件損耗是十分重要的，而低壓配電傳輸部分的損耗占總損耗的比例占消耗電能的比例一般不大于3%，占比較小。

表1 30年運行周期內的電纜(YJV-1kV)截面選擇和30年線路電能損耗表

圖3 我國配電損耗占配電總能耗的比例

例如某辦公樓建筑面積約3.9萬m2，其年電能實際能耗統計為500萬kWh，其每年配電損耗按3%粗略估算為15萬kWh，低壓配電傳輸部分每年損耗則為7.5萬kWh。

某鐵路站房建筑面積約6萬m2，其設備安裝功率為4 200kW，按年工作時間5 110h，需要系數取0.6，則其年耗能估算為1 288萬m2，粗略估算其每年配電損耗即為38萬m2。

2)經濟電流法介紹

電纜截面的選擇既要考慮經濟性，又要考慮其功能性。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，但會增加線路初始投資。

按經濟電流密度選擇導線和電纜的截面，即按總費用最小法則，其電纜截面選擇是經濟選型，經濟電流即是在壽命期間內，使投資和導體損耗費用之和最小的適用截面區間所對應的工作電流。

3)經濟電流法的典型計算

經濟電流法電纜截面選擇計算與年最大負荷利用小時Tmax、年最大負荷利用小時對應的年最大負荷損耗小時τ、電價P等參數有關。

1)如辦公類建筑，年最大負荷利用小時取Tmax=1 500h，在cosφ=0.85時τ=900h(參照《工業與民用配電設計手冊》(第三版)圖1-6)，其他各參數做如下取值：

N=30年，D=252元/(kW·年)，現 值 系 數Q/(1+i%)=11.2，Np=4( 采 用TN-S 系 統)，A=2.276(YJV-1kV(3+2)電纜)，按電價P=0.72元/kWh。計算電纜導體經濟電流密度如下：

2)對石油工業用電，年最大負荷利用小時取Tmax=7000h，在cosφ=0.8時τ=5 950h，按 電 價P=0.72元/kWh。相應計算其電纜導體經濟電流密度如下：

下面分別針對兩種情況下，對160A負載的經濟電流截面和載流量截面選擇進行比較。

根據Ic=160A，溫度35℃，無孔托盤并列敷設，其載流量矯正系數取0.72，按160/0.72=222A查《工業與民用配電設計手冊》(第三版)表9-36，其載流量截面為95mm2。

經濟電流密度計算如下：

辦公類用電經濟電流截面為：

Sse=160/1.685=95mm2，選擇95mm2電纜。

石油工業類用電經濟電流截面為：

Sse=160/0.630=254mm2，選擇250mm2電纜。

4)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，即年最大負荷損耗小時τ也小得多。由經濟電流密度j的計算公式可見，經濟電流截面隨著τ的增加而增加，并隨用電價格的增加而加大。

同時，在實際運行中，商業、辦公、住宅等類型的民用建筑運行負荷電流波動較大(長期大大低于用于計算載流量的最大運行電流)，同時由于其用電負荷隨著季節變化波動較大，因此其年最大負荷損耗小時τ相比直接采用前面按配電設計手冊直接查表的方式來說更小，從而使其并不能真正反映使投資和導體損耗費用之和最小的原則，在Tmax＜1 500h時，經濟電流截面已不大于滿足載流量的截面。

而工業生產類用電企業的負荷電流由工藝裝置的負荷情況決定，因此較為穩定，能較為準確的反映和體現總費用最小的原則，適合采用經濟電流密度法。

1.3 低壓配電系統推廣廣義節能概念的必要性

對配電系統來說，如經過系統設計的優化，降低了配電系統電能損耗，節約若干度電，這個數字是狹義節能的數字。而與此同時，此種系統優化采用的措施(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(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。

此外，在采用不同的配電系統時所付出的設備安裝、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等。

因此，只考慮狹義節能是不全面的，需要考慮的是廣義的節能、全生命周期節能。

2 短路保護(熱穩定)校驗與低壓配電系統的廣義節能

2.1 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

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)3.7.7條“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”，以及3.7.8條“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)短路切斷時間與電纜(導體截面)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5S時，絕緣導體的截面積應符合本規范公式3.2.14的要求……短路持續時間小于0.1S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 ：

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(同樣短路電流，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。

2.2 未采用快速開斷及限流斷路器時，短路電流大小與導體截面選擇及全周期耗能關系

當斷路器切斷時間較長(同樣短路電流，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。

如某短路點三相短路電流為48kA。按導體熱穩定計算如下：(選擇YJV電纜，C取143；斷路器短路開斷時間取20ms)。

2.3 采用快速開斷及限流斷路器時，短路電流大小與導體截面選擇及全周期耗能關系

當斷路器切斷時間較短(同樣短路電流，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。

如應用某型具限流作用的斷路器，由其熱應力限制曲線查得其Id＝50kA 處It<7×105(A2s)，再次計算如下：

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兩個方面都得到降低，使配電導體截面合理的減小，達到節材進而節能的目的。

3 短路保護(靈敏度)校驗與低壓配電系統的 廣義節能

3.1 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)可用式(4)計算：

其中Rphp、Xphp—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，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。

這種情況下一般采用三種方式：

1)加大導體截面。這種方式除了提高導體材料消耗外，還增加了導體敷設鋼管、橋架等的消耗，其經濟性較差，不利于節能。

2)選用電磁脫扣倍數較低的熱磁脫扣器。此種方式受具體產品的限制較多，因而較少采用。

3)選用具有短延時功能(短延時脫扣電流可整定為較低倍數)的電子脫扣器。

不采用短延時技術時，配電距離與電纜(導線)截面選擇及廣義節能關系。

1)微型斷路器

常用微型斷路器脫扣曲線為BCD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2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。

2)塑殼斷路器

表3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。

3.2 采用短延時技術時，短路電流大小與電纜(導線)截面選擇及廣義節能關系

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(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按式(5)換算即可：

如：表前中5×16電纜對應Is=500A斷路器(Is=10In電磁脫扣器)的最大供電半徑為102m，則由上式可簡單計算出5×16電纜對應Is=300A斷路器(Is=6In電磁脫扣器)的最大供電半徑為：

即采用帶短延時脫扣器的斷路器時，相同截面導體滿足短路保護(靈敏度)的供電距離能顯著的增加。針對配電距離較長的電纜配電回路，如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降低總費用，因此能達到節能的目的。

表2 短路保護靈敏度的配電距離與導體截面的選擇關系

表3 塑殼斷路器配電距離與導體截面的選擇關系

[1]中國機械工業聯合會.低壓配電設計規范(GB 50054-2011)[S].北京：中國計劃出版社，2012.

[2]中國航空工業規劃設計研究院.工業與民用配電設計手冊(第三版)[M].北京:中國電力出版社，2005.162-172.