電氣供配電系統的優化設計

中冶焦耐(大連)工程技術有限公司 陳 靜

電能設備由低壓配電系統和高壓輸送系統組成，二者協作完成電力運輸。當前我國大部分城市在運輸電力中運用遠程輸配電形式，其中10kV是電力傳送中對電壓的最大限制，需運用電氣供配電系統將高壓配電轉至10kV電壓后再為各個用電終端系統傳輸電力，同時結合實際用電需求分配具體工作。經合理分配后的電力從低壓變電系統將高壓電流有效轉換為工廠與家用電壓、再經輸電線為用戶傳輸電能，供其使用。電氣供配系統并非簡單地保障電能準確合理分配，還關系到是否能滿足用戶生活生產需求。在供配電系統中應用先進科學技術，能有效提升供配電系統智能化與自動化水平的同時保障輸配電質量，最大限度滿足現代經濟社會發展安全高效用電[1]。

1 電氣供配電系統設計存在問題

配電設備設計缺乏合理：部分工程項目在設計供配電系統時為獲取利益最大化，在工程中投入的機電設備性能相對落后，以致于存在較為嚴重的線損問題。與此同時，供電設備因電容量不足在后期投入使用后加大安全隱患，尤其無法保障部分遠距離地區正常供電。此外，部分供電區域未在設計中添加性能完好的智能開關，不僅大幅降低電量使用率，更無法保障電氣供配電系統安全性。

供配電能不符要求標準：蓬勃發展的經濟社會不斷加大用電負荷，正因如此要求斷路器、供配電線路等設施與用電負荷增長相一致，目的在于使供電趨于安全穩定。然而很多設計人員在設計供配電系統時因未科學準確預估用電負荷增長速度，造成供配電相關線路和設備脫離用電負荷增大速度，從而降低供配電整體電能，更無法有效保障電能安全、穩定、高質供應[2]。

變壓器長期負載率過低：通常工廠變壓器對長期負載率的要求較高。國家相關要求指出，在設計工廠變壓器時其負載率不能超過85%。若長時間負載率設計偏低則會加大變壓器容量，進而提升用戶基本電費以及加大用電經濟成本。很多工廠以多期建設為主，適合在廠房內設計獨立變電所，如變電所內存有大量工藝設備，在具體設計中可對變壓器位置進行預留，當預留工藝設備進入生產階段后再適當添加變壓器，最大限度保證供配電設備合理、經濟與安全。

電纜導體截面選擇有誤：對于供配電設計而言，最為重要的環節之一即導體截面和電纜。結合實際情況科學選取導體與電纜截面能最大限度保障供配電系統在實際運行中承受大負荷用電。然而在實際設計過程中，雖然按照負荷計算電流要求并基于此選取導體界面和電纜，卻未充分考慮供電距離與部分通電設備末端電壓，以致于供配電缺乏科學合理。

2 優化電氣供配電系統設計方式

2.1 準確計算負荷

通常在配電設計過程中選取電器和導體時參考30min內最大平均負荷發熱條件，所謂平均負荷即在一段時間內電廠從發電機母線送出的總電量與該段時間之比，選取代表性較強的晝夜電能消耗量作為最大負荷，在計算電能消耗量和最大負荷時以平均負荷為主。計算負荷需要運用二項式、系數法等方式，本文研究分析的供配電系統為某個工廠，涉及較多地用電部門和用電設備臺數，故而需運用系數法確定負荷。

如，針針對單臺用電設備主要計算有功和無功負荷，其中有功負荷（kW）計算公式為P30=KdPe，式中，P30表示設備有功計算負荷、Kd表示用電設備組所需系數、Pe表示用電設備組總設備容量。無功負荷計算公式為Q30=P30tanφ，式中，Q30表示設備無功計算負荷、tanφ表示應用于用電設備組功率因數cosφ的正切值。電流計算公式其中I30表示計算電流，s30表示用電設備組在視在功率，UN表示用電設備組額定電壓。

2.2 高壓供電線路設計

設計高壓供電線路時要充分考慮配電室選址，其中在設計配電所要求做到技術先進、供電安全可靠，便于維修，經濟合理。結合工程發展規劃、規模、特征對近期與遠期建設發展關系給予正確處理，盡可能做到遠近結合。結合用電容量、負荷性質、地區供電條件、配電所環境、節約電能等多重因素并綜合考慮建設單位意見，在此基礎上確定設計方案。根據國家和行業產品技術標準選取變配電所元件和設備，若經濟條件允許，可優先考慮和選用經濟適用性好、技術先進且符合國家節能要求的設備與產品。在劃分負荷等級方面，需按照國家與行業要求和標準分為一級負荷、二級負荷、三級負荷。

選擇對接線方案時，根據變電所所在供電系統地位、設備特征、進出線回路數、負荷性質等特定主接線，同時需滿足靈活、安全、經濟、可靠等要求。通常高壓側進線有一條公用電源干線（10kV），通過與附近工廠連接高壓聯絡線方獲取備用電源，從而滿足工廠二級負荷要求。故而，變電所高壓側分別一條工作和一條備用電源進線，在設計中針對10kV可運用單母線方案，保證供電安全可靠的同時滿足擴建要求[3]。

2.3 無功補償

在供配電系統中衡量電能質量重要指標之一即功率因數高低。如功率因素偏低說明供配電系統中缺少無功電源，降低系統電壓，增加電能損耗，對供電線路輸電能力造成影響。一般供電部門月平均功率在0.9以上左右，如自動總平均功率因數出現偏低情況，只提升用電設備自然功率無法達到預期要求，所以運用無功率補償設備使工廠功率因數得到提升。

無功補償分為高壓集中補充和低壓集中補償。高壓集中補償即在高壓配電所高壓母線上集中裝設并聯電容器，該方式只能對高壓母線之前線路無功功率進行補償，無法有效補償之后無功功率；低壓集中補償。在變電所低壓母線上裝設并聯電容器，通常用電負荷相對集中的小型企業和工廠會運用此相對經濟的補償方式。其中運用公式表示并聯電容器Qcc：上述公式中Pmax表示總平均最大功率、kW，cosφ1表示運用過程中平均功率因數，cosφ2與cosφ3分別表示最大使用時平均功率因素與目標功率因數。

2.4 低壓回路導線選取與設計

低壓電線電纜有較大載流量，所運用的電線電纜均為鋁質和銅質，且具有較強的過載能力和導電性能等，如添加過度則會提升供配電系統建造成本。非有效選取電線電纜會引發線路事故、造成項目投資失敗。引發火災的重要因素之一即電線電纜短路，對此，在設計供配電系統時需結合實際情況正確選取電線電纜規格與型號，最大限度保證供配電系統安全與可靠。

首先選取電線電纜類型；結合負荷性質、用電場所、敷設方式、選擇銅芯電線電纜與導體絕緣類型。目前多數普通回路運用PVC（耐酸堿聚氯乙烯），火災報警系統保護對象、消防供電等運用有機絕緣耐火類或礦物絕緣電纜；其次合理選擇電線電纜截面，如沒有合理選擇電線電纜截面，則會對供配電系統的安全可靠以及電線電纜使用壽命造成影響，所以在選擇電線電纜截面時需做到導體最小截面與機械強度要求相符、線電壓損失處于允許值范圍、根據環境條件、敷設方式明確的導體截面，要求導體載流量不能小于預期電荷電流以及根據相關保護條件所明確的電流。

2.5 合理選取設備

對于供配電系統而言，需根據安裝、環境、正常工作等多個條件選擇互感器、高低壓開關電器、電力變壓器等電氣設備與導線，還需根據故障情況檢驗部分設備短路電路的熱溫度度與動穩定度，不僅要保障供配電系統可靠、安全、高質，還要便于后續維修。與此同時，針對供配電系統需結合工作條件選取電氣設備，在此過程中需考慮電氣設備電氣要求與裝設環境條件等因素。校驗電氣設備短路情況時需根據極有可能出現的三相短路故障時的動檢驗熱穩定度，通常無需考慮具有熔斷保護導體、電器、架空路線等動穩定度。雖然供配電系統涵蓋的電氣設備有著不同作用，但有很多相同的選擇要求與條件。各個設備需在正常工作環境下選擇額定電流與電壓，再根據短路故障條件對其熱穩定度與動穩定度進行檢驗，最大限度保證電氣設備高質安全運行。

在避雷器選擇方面，當前電工裝設施工方面都會安裝避雷器，不僅能保護電力設備在運行中受到瞬時過電壓危害與影響，還能將續流截斷，避免引發接地短路故障。一般在帶電導線與地之間安裝避雷器，該設備會在電壓值達到規定范圍內動作高壓時立即動作并流經過電荷，對過電壓幅值形成限制，達到保護電力設備絕緣目的。當電壓值處于正常狀態后，設備迅速恢復原狀，有效保證供配電系統安全穩定供電。

2.6 節能措施

目前我國極力倡導節能減排理念，很多領域相繼開展節電工作，要求節約資金與能源的同時提升電能使用效能和利用率。節電工作除改造供配電系統，還要適當改造水泵、風機、電動機等用電設備。對于工涉及較多用電設備的工廠而言，考查其電氣情況以配電系統電能損耗率為主。電氣管理人員在實際工作中需結合具體情況加強線損管理工作。通常工廠供配電系統電能損耗與內部用電構成、運行方式、無功配量、網絡結構、負荷分布、電壓等級等多因素有關。從理論層面分析，配電網損耗有多部分組成，所以需采取節能措施降低配電系統損耗。具體可從以下方面著手：

首先合理改造迂回線路。很多工廠因日益發展，其電能負荷也相繼發生變化，不斷延伸的配電線路對電網提出較高要求，所以需適當改造迂回線路，在改造線路走向時要求主干線緊貼負荷中心。

其次合理改造卡脖子線，擴大導線截面。工廠線路因不斷擴大的生產發展需求導致負荷日益增大，原先線路末端因重新布點的電源成為首端。再加上部分工廠在建立初期其線路標準相對偏低，卡脖子線因此形成。在改造過程中對適當對上述導線截面進行增大，最大限度保障供電容量，在一定程度還能使線路電阻有所降低，滿足國家提出的節能減排目標。一般改造卡脖子線也需遵循相應標準，即線路導線截面處于最大負荷狀態時，此時電流密度不能＞1～1.5A/mm2。如果現實條件允許，線路導線截面達到一定范圍后可運用備用線路進行供電，或以間接方式加大配電線路導線截面，使導線電能損耗得到有效降低。

第三選取同步電動機。同步電動機負荷多為容性，說明該設備電能功率可超前。在實際運行中適當調節勵磁電流，使設備在超前功率因數下安全運行，達到改善電網功率因數效果。用電電流會因逐漸增高的功率因數而減少，從而有效降低用電量；第四及時更換變壓器。部分工廠因建造時間久遠，在改造供配電系統之前依舊運用SJ1等系列變壓器，此類設備最為顯著的弊端即高能耗。對此可選取S7或S10-等低損耗變壓器，該設備在降低短路和空載損耗方面發揮著不可小覷作用。只有明確自身實際情況，才能合理選取電壓設備、保障用電安全。

3 結語

供配電系統關系到可靠、安全、優質用電，所以其系統設計十分重要。在設計供配電系統時單純考慮滿足現有基本需求遠遠無法達到現代經濟社會發展標準，需結合實際情況設計智能化供配電系統，提升生產質量和效率，減少人工控制干預，實現高效供電的同時保障人身安全。由于供配電系統設計相對復雜，設計人員需根據實際情況和國家提出的節能減排要求明確負荷等級科學配置電力設備，使電氣供配電系統設計更趨于科學合理，滿足電力用戶日益增長的用電需求。