大型廢水處理廠低壓供配電系統設計

摘要：低壓供配電系統直接將電能傳輸給各個用電設備，是工廠供配電系統中的重要一環。以某鋼企新建的大型廢水處理廠為例，介紹了該廠的低壓供配電系統設計要點，主要包括負荷計算、供配電系統方案、接地系統設計以及節能與優化等方面，為類似工程設計提供參考。

關鍵詞：供配電系統;負荷計算;接地;節能

0 引言

眾所周知，電能是現代化工廠的主要能源和動力。工廠供配電就是將電力系統中的電能降壓后，分配到各個廠房和車間，接著再通過低壓供配電系統給各個用電設備供電。如果工廠的電能供應中斷，將會對生產造成嚴重影響，輕則造成經濟損失，重則引發人員傷亡事故。因此，完善的工廠供配電系統對于實現工業現代化具有重要意義。本文主要介紹某大型廢水處理廠的低壓供配電系統設計情況。

1 負荷計算

本文介紹的大型廢水處理廠作為某大型鋼企的新建分廠，10 kV高壓電源引自現有開關站的開關柜備用回路，本工程涉及的負荷計算主要是計算最大負荷班的平均負荷，作為計算電能消耗的依據，從而確定供配電系統方案。

本文采用需要系數法進行負荷計算，其公式簡單，計算方便，適用于供配電干線以及長期運行且負荷平穩的用電設備和生廠車間的負荷計算。

用電設備按工作制分為三組：連續工作設備、反復短時工作設備和短時工作設備。比如風機類、攪拌機類及提升水泵類為連續工作設備，需要系數為0.8，功率因數為0.8;反復短時工作設備有吊車、閥門類、地坑排水泵類和加藥泵類等，需要系數考慮為0.3～0.5，功率因數為0.5;檢修電焊機為短時工作設備，需要系數為0.2，功率因數為0.5。需要注意的是，電機的3種工作制不能作為設備分組的唯一準則，尤其是同類設備眾多而實際負荷率和負荷持續率參差不齊，比如風機類負載中有一組4臺250 kW帶變頻器調速的曝氣風機，不同時間段頻率給定25 Hz和50 Hz時，負荷率差別明顯，功率因數可以設為0.9，以確保負荷計算的準確度。有功功率和無功功率的同時系數本著簡化計算的原則，根據以往的類似工程經驗均取0.95。

最后根據所有用電設備的參數，計算出各類設備組的裝機容量、工作容量、有功功率、無功功率、視在功率、計算電流，再匯總完成整個低壓供配電系統的負荷計算。

2 供配電系統方案

根據供配電系統的負荷計算，把所有用電設備根據負荷大小，平均分配到若干段母線上。主電氣室設置3臺2 000 kVA油浸動力變壓器（變壓器之間兩兩互為備用，中間設聯絡開關）。低壓供配電采用TN-C-S系統，前一部分（電氣室MCC柜組）為TN-C系統，后一部分（現場動力配電箱、操作箱、檢修箱及成套電控箱）為TN-S系統，電源等級為380 V/50 Hz，配電系統簡圖如圖1所示。

變壓器一次側10 kV電源引自附近10 kV開關站開關柜備用回路，進線電纜采用鎧裝阻燃動力電纜直埋方式;二次側低壓電源采用封閉母線出線方式引至各個進線柜，低壓側均采用母線分段結線方式，正常運行時，1#進線電源給1段母線負荷供電，2#進線電源給2段和4#母線負荷供電，3#進線電源給5段母線負荷供電，母線分段運行。當某一進線電源出現故障或檢修時，由其他進線電源給故障檢修母線段上的部分重要負荷供電。

由于廢水處理廠的大部分用電設備并不是強制要求24 h不間斷工作，斷電后并不會造成經濟損失或人員傷亡等嚴重后果，所以從節約成本的角度考慮，變壓器的選擇不需要按100%考慮備用，當一臺變壓器出現故障或檢修時，由另外兩臺變壓器保證廠內重要負荷的供電即可，所以上述系統方案完全能夠滿足要求。

3 接地系統設計

電力系統、電氣裝置及電氣設備的其中一部分和大地做良好的電氣連接稱為接地，接地對保障電力系統和電氣設備的安全、可靠運行以及對操作、維護運行人員的人身安全起著很大的作用。

該廢水處理廠所有建筑物按第三類防雷建筑物設防。廠內所有建筑物（如電氣室、生化組合池區域、高密度澄清池區域等）均為鋼筋混凝土結構，防雷接地考慮沿建筑物屋面中間及四周用直徑10 mm鍍鋅圓鋼作為接閃器，整個屋面組成不大于24 m×16 m或20 m×20 m的網格，形成可靠的電氣連接。在建筑物若干處設置引下線，引下線利用結構柱內兩根直徑不小于16 mm的主筋（搭接處需雙面焊接），距室外地坪0.5 m設置斷接卡。采用40 mm×5 mm鍍鋅扁鋼作為建筑物的水平接地體，將所有結構柱基礎內主鋼筋焊接連通，并且同一區域內的建筑物之間也連成閉合的電氣回路，水平接地體的埋地深度不小于1 000 mm。

電氣系統接地利用40 mm×5 mm鍍鋅扁鋼作為接地干線，敷設于變壓器室、低壓配電室室內離所在平面0.3 m墻面上和電纜溝、電纜橋架最上層，該部分接地干線與水平接地體在若干處形成可靠連接，使電氣接地與防雷接地共用接地裝置，總接地電阻要求不大于1 Ω，若實測達不到要求，需根據實際情況增打接地極。

PLC系統需單獨接地，考慮在PLC室外埋深-1.0 m處打銅板接地極，采用阻燃動力電纜作為PLC接地系統的引出線，穿PVC管敷設至接地極。PLC接地電阻要求不大于4 Ω，若實測達不到要求，需根據實際情況增打接地極。另外所有不帶電的電氣設備的金屬外殼均應按規程可靠接地。

4 節能與優化

4.1? ? 供配電方案優化

考慮采用并聯運行方式的變壓器，通過精細的負荷計算，優化變壓器的組合和負荷率，降低電能損耗。電氣室位置盡量靠近大功率設備區域，電氣室內進線柜盡量設置在靠近變壓器室一側，以減少封閉母線的成本。

由于本工程根據濾池的種類劃分區域較多，需合理規劃電纜橋架路徑，現場的操作箱、動力配電箱及檢修電源箱等電氣設備應盡可能安裝在便于操作維護且靠近電纜橋架的位置。距電氣室較遠的設備，尤其是功率大的，需進行壓降計算從而判斷是否需要增大電纜截面積，減少電能損耗。

4.2? ? 照明燈具的選擇

本工程電氣室、PLC室、操作室以及辦公室采用LED低頂燈和LED平板燈，現場各類濾池區域、泵房、風機房等均采用LED投光燈。LED燈，又叫發光二極管，是一種能夠將電能轉化為可見光的固體半導體器件，它能直接將電能轉化為光能。雖然價格比傳統的節能燈貴一些，但是LED燈能耗低，僅為節能燈的1/4，且使用壽命長，可達到10萬h以上。另外LED由無毒的材料制作而成，也是其重要優勢之一。所以從長遠角度來看，LED燈更能減少成本，對工廠穩定發展具有重大意義。

5 結語

本廢水處理廠的供配電系統采用三路進線、多段母線結線的方式，保證系統的穩定性和可靠性，并在設計和施工過程中，始終貫徹精細化設計理念，不斷改進不足之處，確保在工廠生產過程中，實現高效率、高回報、低能耗、低投入，促進工廠的可持續發展。

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收稿日期：2020-03-06

作者簡介：張兢（1987—），男，湖北武漢人，碩士，工程師，研究方向：工業控制。