工業廠房一、二級用電負荷供配電系統探討

摘 要：根據國家現行規范明確工業廠房一、二級用電負荷劃分，結合常用供配電方案對工業廠房一、二級用電供配電系統進行討論，分析各自的優缺點，闡明每種系統適合的應用場所，并結合工程實例探討了不同供配電方案的差異。

關鍵詞：一、二級負荷;供配電;變壓器;系統;可靠性

0? ? 引言

隨著國家電力系統的發展及現行規范的完善，工業廠房中一、二級用電負荷的供配電要求也在變化，且供電系統的合理選擇直接關系到供電的安全性、投資的經濟性、工藝設備及消防用電的可靠性等各方面。因此，本文就工業廠房如何合理選用一、二級用電負荷供電系統這一問題展開探討。

1? ? 現行規范對工業廠房負荷的分級

《建筑設計防火規范（2018年版）》（GB 50016—2014）[1]第10章對工業建筑消防負荷等級規定總結如下：

（1）消防用電按一級負荷供電：建筑高度大于50 m的乙、丙類廠房和丙類倉庫。

（2）消防用電按二級負荷供電：1）室外消防用水量大于30 L/s的廠房（倉庫）;2）室外消防用水量大于35 L/s的可燃材料堆場、可燃氣體儲罐（區）和甲、乙類液體儲罐（區）。

（3）除本規范第10.1.1條和第10.1.2條外的建筑物、儲罐（區）和堆場等的消防用電，可按三級負荷供電。

《供配電系統設計規范》（GB 50052—2009）第3章對電力負荷等級劃分的側重點在于供電可靠性要求及中斷供電對人身生命安全（國家法律要求）和生產過程、生產裝備安全（企業內部判定）的經濟損失上所造成的影響程度[2]，這可根據不同工業廠房工藝差異性進行分級。

除以上兩種規范規定外，各類建筑專項設計規范也對其供電負荷等級有相關規定。

2? ? 現行規范對一、二級負荷的供電要求

《供配電系統設計規范》（GB 50052—2009）[2]第3.0.2條規定：“一級負荷應由雙重電源供電，當一電源發生故障時，另一電源不應同時受到損壞。”第3.0.3條規定：“一級負荷中特別重要的負荷供電，應符合下列要求：1.除應由雙重電源供電外，尚應增設應急電源，并嚴禁將其他負荷接入應急供電系統。2.設備的供電電源的切換時間，應滿足設備允許中斷供電的要求。”第3.0.7條規定：“二級負荷的供電系統，宜由兩回線路供電。在負荷較小或地區供電條件困難時，二級負荷可由一回6 kV及以上專用的架空線路供電。”

《建筑設計防火規范（2018年版）》（GB 50016—2014）[1]第10.1.4規定：“消防用電按一、二級負荷供電的建筑，當采用自備發電設備作備用電源時，自備發電設備應設置自動和手動啟動裝置。當采用自動啟動方式時，應能保證在30 s內供電。”

結合上述兩種規范，可以很明確地對工業廠房的負荷等級進行分級。工業廠房中二級負荷供電一般采用一路高壓市電+柴油發電機或兩路高壓市電供電方式，一級負荷一般采用兩路高壓雙重市電+柴油發電機供電方式。

3? ? 常用一、二級負荷供配電系統

3.1? ? 方案1：一路10 kV市電+備用發電機供電

從市政高壓電網引一路電源作為主用電源，設置柴油發電機作為消防和工藝用電一、二級負荷備用電源。柴油發電機需在30 s內達到額定轉速、電壓和頻率，才能滿足消防用電要求[1]。備用電源與市電有嚴格的電氣及機械聯鎖，防止并列運行及倒供給市電（發電機及變壓器聯鎖要求各方案均應滿足，當車間用電負荷較少時，可采用一臺變壓器+柴油發電機供電）。變壓器二次側采用分段單母線接線，運行時單母線分段運行，母聯斷路器12ZK分閘。12ZK與1ZK、2ZK間設機械及電氣聯鎖，12ZK開關僅在1ZK、2ZK之一斷開時方可合閘[3]。系統圖如圖1所示。

優點：10 kV高壓側主接線圖簡單，變壓器二次側采用分段單母線接線，中間設置母聯，變壓器互為備用，低壓側供電可靠性高。

缺點：10 kV分段單母線接線，高壓側可靠性較低。當高壓側故障時，市電無法保證供電需求，此時需聯鎖啟動柴油發電機，而柴油發電機一般容量有限，因此只能保障消防負荷、部分重要負荷的供電。

應用場所：應用于大部分丙類廠房配電方案中，廠房大部分工藝、動力用電可靠性無特殊需求。柴油發電機作為備用電源，只需滿足消防用電及部分工藝用電二級負荷的要求。

3.2? ? 方案2：兩回路10 kV市電備自投供電

從市政高壓電網引入兩回路高壓電源作為主備用電源，兩路高壓電源平時一路投入。當一路進線停電時，備自投動作，讓另一路電源作為主用電源。當兩回路電源為雙重電源（雙重電源：分別來自不同電網的電源，或來自同一電網但運行時互相之間聯系很弱，或同一個電網但其間的電氣距離較遠，一路電源任意一處出現異常運行或發生短路故障時，另一路電源仍能不中斷供電）[1]，且設置發電機作為應急電源時，系統滿足一級負荷供電要求。系統圖如圖2所示。

優點：相對10 kV分段單母線接線方式，節省中壓柜數量，節省設備造價，減少高壓站建筑面積。

缺點：相對10 kV分段單母線接線，供電可靠性較低，當中壓柜發生故障時，無法保證供電需求。每路10 kV高壓進線電纜截面積均需滿足所有用電負荷需求，增加了高壓電纜的投入。當高壓進線電源點較遠時，電纜增加的成本會大于中壓柜節約的成本。

應用場所：適用于工業廠房中一、二級負荷用電量較高的場所，低壓發電機滿足不了一、二級用電需求，設置高壓發電機費用較高，且高壓電源進線距離市政電源點較近，可采用此供電方案。

3.3? ? 方案3：兩回路10 kV市電分段單母線供電

從市政高壓電網引入兩路電源作為主用電源，高壓側采用分段單母線接線，中間設母聯。正常運行時，10 kV單母線分段運行，母聯斷路器12QF分閘。12QF與1QF、2QF間設機械及電氣聯鎖，12QF開關僅在1QF、2QF之一斷開時方可合閘[3]。變壓器二次側采用分段單母線接線，變壓器互為備供[4]。當兩回路電源為雙重電源，且設置發電機作為應急電源時，本系統滿足一級負荷供電要求。系統圖如圖3所示。

優點：高壓側互為備供、低壓側互為備供，供電可靠性高。變壓器負荷均勻分布在不同母線上，當高壓母聯只考慮另一側母線所帶一、二級負荷時，高壓進線截面積相對方案2會減小。

缺點：相對10 kV雙電源進線單母線接線，增加了中壓柜設備投資，聯鎖邏輯較復雜。

應用場所：廣泛應用于一、二級用電負荷大的場所，如電子信息廠房、醫藥制造廠房、化工廠房等。此供配電系統在大型公建中也廣泛應用。

3.4? ? 方案4：兩回路10 kV市電分段單母線供電，低壓側設專用檢修變壓器

高壓側接線方式與方案3相同，低壓側采用單母線接線方式，設一臺專用檢修變壓器，當常用變壓器發生故障或檢修時，檢修變壓器投入使用，檢修變壓器與4臺主用變壓器電氣聯鎖。系統圖如圖4所示。

優點：電子廠房等場所變壓器檢修、故障會對工藝設備、生產造成重大經濟損失。當采用變壓器互為備供時，變壓器負載率一般不超過55%，造成變壓器臺數增多。當設置一臺專用檢修變壓器時，常用變壓器負載率可提高至75%～85%，可節省造價。

缺點：檢修變壓器平時空載運行，檢修變壓器不能同時作為多臺變壓器備用電源。

應用場所：應用于工藝、動力負荷大部分為一、二級負荷，且變壓器檢修及故障時不允許長時間斷電的場所。同一變配電房中變壓器裝機容量大的場所更能體現成本優勢。

4? ? 方案3、方案4工程設計實例比較

某新建電子廠房負荷相對集中的變配電房預計設置6臺2 500 kVA變壓器，負載率為50%。目前采用“1+1系統”（方案3），2臺常用變壓器互為備用，要求變壓器長期在負載率η≤55%的工況下運行。綜合考慮設備采購及后期運行成本，評估討論“N+1系統”（方案4），即N臺常用變壓器（55%≤負載率η≤85%）+1臺維修變壓器是否更優。分析如表1所示。

綜合表1可知，“N+1系統”（方案4）設備購置費少且年運行成本低，建筑空間需求小，符合55%≤變壓器負載率η≤85%的要求，但安全可靠性較差、變壓器無法同時備供，在負荷集中的變配電房中能體現優勢;“1+1系統”（方案3）變壓器均可同時互為備供，安全可靠性高，供電方案可全廠分散設置，運維管理相對熟練。

5? ? 結語

綜上所述，可明確工業廠房是否采用一、二級負荷供電并合理選擇供配電方案。在實際工程中，也應根據不同建筑類型、不同用電需求、不同供電條件具體分析，互相比選，選擇經濟合理、安全可靠的供電方式，為整個工程增值。

[參考文獻]

[1] 建筑設計防火規范（2018年版）：GB 50016—2014[S].

[2] 供配電系統設計規范：GB 50052—2009[S].

[3] 翁雙安.供配電工程設計指導[M].北京：機械工業出版社，2008.

[4] 中國航空規劃設計研究總院有限公司.工業與民用供配電設計手冊[M].4版.北京：中國電力出版社，2017.

收稿日期：2021-08-06

作者簡介：洪志陽（1987—），男，福建南安人，工程師，研究方向：電氣。