工業配電設計中基于Excel的電氣計算

萬收蘭

【摘? 要】工業配電設計中，電氣計算是一項重要的工作。必要的電氣計算一般有負荷計算、無功功率補償計算、短路電流計算、單相接地電容電流計算、大電動機起動電壓水平計算、電動機成批再起動電壓水平計算、電力設備選擇及校驗計算、電線及電纜截面選擇計算、高次諧波計算、接地阻抗計算、照度計算及繼電保護整定計算等。通過上述各項計算，作為選擇電氣設備、校驗電氣設備各項性能、保護整定、確定電機啟動方式等的重要依據。

【Abstract】Electrical calculation is an important work in industrial power distribution design. Necessary electrical have generally calculate load calculation， reactive power compensation calculation， short circuit current calculation， single phase grounding capacitive current calculation， starting voltage level of large motor calculation， and calculation of restarting voltage level of motor in batch， power equipment selection and checking calculation， electric wire and cable selection calculation， higher harmonic calculation， grounding impedance calculation， intensity of illumination calculation and relay protection setting calculation， etc. Through the above calculation， as an important basis for the selection of electrical equipment， electrical equipment performance verification， protection setting， determine the motor starting mode and so on.

【關鍵詞】設計階段;電氣計算;用電負荷;Excel電子表格

【Keywords】design stage; electrical calculation; electrical load; Excel electronics form

【中圖分類號】TM72? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2020）08-0172-02

1 常用電氣計算及計算結果應用介紹

工業配電設計中，負荷計算是一項最基本的計算。通過負荷計算可得到以下幾個結果：①計算（最大）負荷，為發熱條件選擇電器和導體的依據。②尖峰電流，作為計算電壓損失、電壓波動以及選擇電器和保護元件等的依據;在校驗瞬動元件時，還需考慮起動電流非周期分量。③平均負荷，作為計算電能消耗量和補償電容器容量的依據。④變電所的總負荷情況，并由此確定變壓器的容量。

通過無功補償計算，可合理平衡無功功率，規定變電所無功功率補償原則和補償容量。通過短路電流計算可算出本變電所各短路點在最大、最小運行方式下的短路電流及短路容量，利用最大短路電流值以確定電氣設備容量或額定參數，利用最小短路電流值可作為選擇熔斷器、整定繼電保護裝置和電動機起動時校驗系統電壓水平以及進行諧波電流計算的依據。而為了限制大型電動機起動時引起系統中各級母線的電壓下降以保證電壓水平，進而確定其起動方案，需進行大電動機起動電壓下降計算。為保證電動機成批再起動時電力系統各級母線電壓水平，需進行電動機成批再起動壓降計算。通過高壓電氣設備選擇及校驗計算，可合理選擇電氣設備以保證電力系統安全可靠運行。為確定變電所電容電流補償方案，需進行6kV（或10kV）系統單相接地電容電流計算。為限制系統中由于非線性負荷的接入而產生的諧波電流，在其注入電網后引起的電網電壓正弦波形畸變率不超過所采用規范的規定值，需進行諧波控制計算。為經濟合理地選擇電力電纜要進行電力電纜截面選擇計算。而合理的照明設計不但節省了建設投資，而且為安全生產、節能、管理維護提供方便，因此必須進行照明計算。通過建筑物防雷保護中接閃器的保護范圍計算，可防止或減少雷擊建筑物所發生的人身傷亡和財產損失，使建筑物的防雷設計安全可靠、技術先進、經濟合理。通過接地計算使電氣裝置達到安全和功能的目的，即保證電力系統和電氣設備的安全（免遭破壞）及可靠運行，對操作、維護、運行人員的人身安全，都起著很大的作用。為保證電力系統的保護裝置能快速、可靠地切除故障而避免擴大停電范圍，需進行繼電保護整定計算。

在實際工程設計中，有時并不嚴格按照以上所述的各項要求來詳細計算各項指標。但電氣計算是一項比較煩瑣的工作，在這個時期因為有許多因素的不確定性，從而造成負荷的有無及其數值的大小都存在著很大的不確定性，有時甚至多次變動。但是對于電氣設計人員來說，應該及早準備有關電氣計算工作，而這些電氣計算工作都有不同程度的相關性，例如，用負荷計算所得的總負荷情況可確定變壓器的容量及其相關參數，而負荷計算的結果及由此確定的變壓器的容量、短路阻抗電壓百分比又要在短路計算、電機起動和再起動壓降計算及大電動機起動壓降校驗中用到，同樣短路計算的結果也要在諧波計算、電機起動和再起動壓降計算及大電動機起動壓降校驗等計算中用到，短路計算的結果甚至在詳細設計階段的繼電保護計算及整定中要用到。對于這么多相關的計算，從設計時間上來說，等上游專業提供到比較確定的計算條件，電氣專業剩下的時間也不多，因此電氣計算應及早進行。

2 工程設計應用實例及分析

為了克服因為負荷后期的頻繁變動對各項計算工作所造成的不利影響，Excel電子表格的應用能很好地解決這個問題。下面結合在實際工程設計中的應用，對其作詳細闡述。

如實際工程中用需要系數法進行負荷計算，表中會列出計算中要用的相關參數如功率、功率因數及其需要系數等，這其中有些參數就是在后期的工作中有可能變化的。在設計過程中，對于有變化的參數，只需在相應單元格處修改有變化的參數，而最后的計算結果因為對相應的單元格數據的引用會隨著變動。

經過計算，可得到本變電所總的負荷情況，如總的有功功率、無功功率、視在功率和未經無功功率補償的功率因數等，這些計算結果就是確定變壓器的容量及其相關參數、無功功率補償的依據，另外，在隨后的短路計算及其他有關計算中需對其進行數據引用。

還有各項目必用到的短路計算，其計算所得結果同樣要在別的計算中引用，如高次諧波電流計算需引用短路計算結果的部分表格，工作表中會簡述諧波計算的條件、計算方法和計算過程及結果，在計算中要用到的6（10）kV母線、380V母線的短路容量就是在短路計算中所得結果，在此引用短路計算所得最小運行方式下的短路容量即可，對應結果在單元格中所引用的具體內容可從表格的相關位置表達式清楚顯示。另外，在諧波計算中，對于在運行中向公共連結點注入諧波電流的電氣設備，其有關參數在基礎設計階段也有很大的不確定性，即以后變化的可能性較大，計算中也是通過對這些參數所在單元格的位置的引用而解決參數變化給整個計算帶來不便這個問題的。這種逐級關聯式的引用，在早期設計階段帶來很大的方便，因為以后一旦有了變動，只要修改變化參數即可，而在本工作表或其他工作表中與該變化參數有關聯的計算結果都會隨著改變。

圖1所示為實際工程中用Excel電子表格進行各項電氣計算的部分表格，表格下面各工作表的名稱表明了該文件所包括的各種計算，當前所顯示的是電機成批再啟動壓降校驗計算，從表看出，在各計算中都加以相應的文字敘述以清楚表明所用的計算條件、計算方法、詳細計算過程及結果，在設計過程中，當有負荷變動或各批再起動的電機容量需調整時，只需在有變動的單元格位置改變這些變化的參數即可，這樣既便于做同一工程的其他設計人員用此進行計算的校審，在其他類似的工程中也可應用，只需在計算條件中相應的位置填入其他工程的具體條件即可，這樣既能大大節省計算時間，又會減少由于條件的頻繁變動而所需人工手動修改所致的錯誤，提高了設計效率。另外，各不同計算之間相互切換很容易進行，而且計算中不同工作表之間的數據引用也比較方便。

3 結論

①用電子表格進行電氣計算，相對于目前各大集成設計軟件，簡單可靠，容易入手，方便經濟。

②對于這種在基礎設計階段負荷的變動因素比較多的情況，用電子表格計算很方便修改，節省時間。

③不同的計算之間相互關聯，當最初條件有變動時，只需變動初始條件即可，方便操作。

④計算中表明了具體的計算條件、計算方法、計算過程和結果，便于應用。

【參考文獻】

【1】中國航空工業規劃設計研究院等（主編）.工業與民用配電設計手冊（第四版）[M].北京：中國電力出版社，2016.

【2】HG 20551—1993化工廠電力設計常用計算規定[S].