新型多功能配電箱優化設計與試驗驗證

張華琳 林 健 廖閩龍

(國網邵武市供電公司,福建 南平 354000)

微小型企業是小型企業、微型企業、家庭作坊式企業的統稱。近年來,隨著電力市場開放,微小型企業如雨后春筍般激增,數量多、分布廣,各種各樣的電力設備不斷地推陳出新,用電設備種類繁多,所需用電負荷也在日益增長(圖1)。為切實解決企業實際問題,本文通過嚴格的調查統計,明確其需求,并在文獻研究的基礎上設計了一種多功能配電箱。

圖1 微小型企業用戶設備

1 微小型企業需求分析

據統計,2020年4—6月,邵武公司城郊鎮供電所共有236個微小型企業(包含在78個配電臺區內),所轄微小型企業共發生61起配電箱總斷路器故障引起的停電事件,平均停電時長40min,較長且相對頻繁的停電時間引起了用戶投訴,影響公司供電可靠性指標。

通過調查發現,目前微小型企業廣泛使用的是三相四線配電計量箱,其表后均只有簡單的三相斷路器。對微小型企業故障原因進行統計,總結其主要故障原因如下:

一是箱中一個斷路器對應多條出線導致跳閘沒有選擇性,小故障因容量較大無法跳閘,故障擴大后跳閘導致所有出線一起失電;二是配電箱中同一斷路器并線過多,在負荷過大引起斷路器發熱、觸點氧化及接觸不良的普遍情況下,極易導致斷路器過熱燒毀;三是用戶設備增加,負荷增大,無申請報備增容,三相負荷分配不均;四是用戶電機漏電、電源線或者繞組瞬時短路,導致斷路器跳閘(圖2)。

圖2 不同故障類型企業數量及占比

新冠肺炎疫情暴發后,越來越多的微小型企業開始著眼于降本增效,對供電系統的可靠性和電壓質量的要求越來越高。但用戶側未安裝無功補償設備,導致功率因數低下,電壓波動雖在國家標準范圍內,卻仍達不到用戶要求。

如圖3所示,78個配電臺區的電壓偏差雖然仍處于國家標準范圍內,但較大波動較大,而微小型企業的需求也集中于此,即穩定電壓。如表1所示,在城郊鎮供電所所轄236個微小型企業中,累計收到189個微小型企業要求穩定電壓,以保證正常生產需要。因此,改善電壓質量已經成為當務之急。

圖3 電壓平均波動情況統計圖

表1 微小型企業穩定電壓申請統計表

針對以上痛點,公司提出降低微小型企業配電箱總斷路器故障率,降低農網低壓臺區的電壓波動范圍的要求。而通過多方市場調查,并未找到可以解決需求的產品,現有的技術和方法并不能滿足此需求。因此,本文設計研制了一種擁有選擇性、不會導致斷路器過熱燒毀、能夠穩定電壓波動的多功能配電箱。

2 文獻研究及初步設計

基于微小型企業的需求,本文首先研究了已有的文獻、設計方法等。吳錦虹等[1]提出了新型戶外低壓綜合配電箱的設計理念,將功能不同的區域做隔室處理,采用分流方法來降低單個空開的負荷電流,降低發熱量,發熱量可降低至55℃以下;MOLDOVAN 等[2]提出了利用電容器無功補償來提升電壓,降低線路無功負荷的方法,提升功率因素,可有效穩定電壓。

參考上述方法,本文初步提出了兩項創新設計。一是將不同功能的區域用中隔板隔開,再通過“總—分斷路器”的方法實現分級分流來降低單位時間內通過的電流量,從而降低發熱量至55℃以下,理論上可以達到降低故障發生率的效果[3];二是利用并列電容器的方法來進行無功補償,并列電容器降低線路的無功功率,從而提升視在功率,提高供電質量,理論上可以將電壓穩定在220V±4%的范圍內[4]。

3 設計目標及方案

3.1 設計目標

通過調查和統計明確微小型企業的切實需求后,本文的設計總目標設置為研制出適用于微小型企業的多功能配電箱,從而實現降低微小型企業配電箱總斷路器故障率,降低農網低壓臺區的電壓波動范圍。微小型企業配電箱總斷路器故障率計算公式如下:

(1)

式(1)中,η為微小型企業配電箱總斷路器故障率;N1為微小型企業配電箱總斷路器數量;N2為微小型企業配電箱總斷路器故障數量。當前,微小型企業配電箱總斷路器故障率η為25.85%,根據設計要求,需將該數值降至5%,而基于企業需求則要將電壓波動控制在220V±4%,即211.2～228.8V范圍內。

3.2 設計目標可行性驗證

3.2.1 無功補償提升電壓質量

現場調查分析發現,大多微小型企業使用的都是三相異步電機,功率小,數量多,其電流計算公式如下[5]:

(2)

式(2)中,I為電機運行電流;P為電機運行功率;U為交流電壓;cosφ為電機功率因數。由式(2)可知,當電網電壓與所需功率一定時,電流的大小與功率因數成反比。也就是說,功率因數越大,線路負載電流越小;功率因數越小,線路負載電流越大。線路負載電流越大,導致線路導線及開關所承受的壓力越大,開關燒毀的概率及導線升溫的概率越大,影響電網的安全穩定運行。

此外,電網在進行功率傳輸的時候,電流會在線路等其他阻抗上產生電壓損耗ΔU,計算公式如下:

(3)

式(3)中,P為線路傳輸的有功功率(MW);Q為線路傳輸的無功功率(Mvar);R為線路的電阻(Ω);UN為線路的額定電壓(kV)。由式(3)可知,在電阻R和電抗X確定的情況下,電壓損耗取決于輸送無功功率的大小。如果需要輸送的無功功率過多,則線路電壓可能超過允許值,就會引起用戶端電壓偏低[6]。

如圖4所示,感性負荷需要從電源中得到的無功功率為Q,在安裝了無功補償裝置以后,由無功補償裝置提供的無功功率為Qc,則電源輸出的無功功率就減少到Q′=Q-Qc,系統的功率因數則由cosφ提高到cosφ′,視在功率由補償前的S減少到S′。當裝設補償電容后,線路的壓降ΔU公式如下:

(4)

式(4)中,Qc為無功補償裝置提供的無功功率。由式(4)可知,當采取無功補償措施以后,由于電網無功功率減少,限制了無功功率在電網中的傳輸,也減少了線路電壓的損耗,提高了用戶用電的電壓質量。

圖4 無功補償原理圖

3.2.2 功能分區分流負荷

以城郊鎮供電所為例,環城配變配電箱斷路器上共計接入了5條支路,不僅接線駁雜、銅鋁混接,過多的接線還導致接入位置壓合不均,相對接觸面積小。在用電高峰時輸出電流大,導致發熱量過高引起斷路器接頭燒毀,進而導致整個配電箱燒毀,造成無法正常供電。當單條線路出現問題時,會跳開總斷路器,導致所有支路失電,擴大了停電面積。

針對此類問題,本文在一個長寬高為110cm×45cm×80cm的標準配電箱中按保護區、無功補償區、顯示區等不同功能進行分區。實際比對后,各元器件均可安裝,空間尚有富余,可正確實現總—分斷路器的安裝。

借鑒配電箱改進的思路,若將功能區合理進行分區,根據總容量選擇使用多個適當電流大小的斷路器,每個斷路器各帶一條線路,這樣不僅可以解決多線路接入同一斷路器導致的負荷電流大、發熱嚴重、接觸不良的問題,當單條線路出現問題時,也不會擴大停電面積,極大降低了故障發生率。

3.2.3 增添保護提高可靠性

基于以往故障原因的統計分析得知,除總斷路器一帶問題多發外,故障率高的原因還有保護裝置單一和用戶更新設備往往沒有對線路進行同步升級等。因此,本文將采取不同的保護裝置提升用電可靠性,保證用戶安全用電。

3.3 設計方案

綜上所述,本文提出了適用于微小型企業的多功能配電箱設計方案,如圖5所示。該方案由箱體部分、保護裝置部分、無功補償單元和顯示單元四部分組成,箱體部分可進行不同分區的設計;保護裝置部分使用總—分斷路器進行分流并添加各類保護,有效降低故障發生率;無功補償單元中,控制器接收電壓、電流信號,判斷之后下達投切指令給電容器,實現實時補償,起到提高功率因素、提升電壓穩定性的作用。

圖5 多功能配電箱設計方案示意圖

3.4 多功能配電箱效果驗證

根據上述方案制作樣機,如圖6所示。

圖6 多功能配電箱樣機示意圖

對所制得樣機進行如下測試,以檢測其運行性能及是否能完成既定設計目標。

3.4.1 測試不同電流下斷路器發熱情況及電壓的穩定性

此項測試的標準為220V電壓偏差在±4%,即211.2～228.8V內,發熱溫度≤50℃,整體測試合格率>99%。試驗中,將裝置接入電流發生器,調整參數進行20次測試,模擬配電臺區各種運行狀態,查看偏差情況,結果如表2所示。

表2 整體測試結果

測試中,樣機能夠及時正確做出反饋,電壓偏差穩定在±4%,即211.2～228.8V內,合格率100%,發熱溫度≤50℃,裝置能對各類情況進行正確處理,整體測試合格率>99%。

3.4.2 目標值檢查

為測試本文所研制的微小型企業多功能配電箱的實際應用效果,在多次試驗后,按照相關規定要求,制定相應的組織措施、技術措施、安全措施,并經安監部門、專業部門同意,于2020年9—11月在城郊鎮供電所所轄236個微小型企業(78個配電臺區)中安裝此裝置進行整體試運行,并于11月底進行整體分析。城郊鎮供電所所轄區域微小企業配電臺區故障發生情況如表3所示。

表3 故障原因

在試運行期間,城郊鎮供電所所轄236個微小型企業(78個配電臺區)共發生故障17起。其中,因總斷路器故障引起的故障報修情況僅發生4起,故障率為1.69%,小于5%,充分證明了該裝置的有效性。

同時,對78個配電臺區的電壓波動情況進行統計,并與2020年4—6月的數據進行對比,結果如圖7所示。由圖7可知,在試運行期間,城郊鎮供電所所轄236個微小型企業(78個配電臺區)內,最大電壓偏差值為-3.95%和+3.83%,平均電壓偏差值為-3.81%和+3.74%,均在目標偏差值±4%范圍內,充分證明了該裝置的有效性。

圖7 試運行前后電壓波動數據對比

綜上,微小型企業配電箱總斷路器故障率得到明顯的降低,電能質量也得到了改善。

4 結束語

本文基于調查統計,切實響應微小型企業對于電力系統可靠性、電能質量的要求,設計了一種多功能配電箱,并制作樣機用于試驗驗證。該多功能配電箱采用無功補償、功能分區和增添保護三種措施,實現降低微小型企業配電箱總斷路器故障率,降低農網低壓臺區的電壓波動范圍的目的。試運行結果也表明,使用樣機后能夠明顯降低微小型企業配電箱總斷路器故障率,提升電能質量。

同時,本文所設計、制造的多功能配電箱兼具經濟效益、社會效益和技術管理效益等,加之安裝便捷、可靠性高等優點,可廣泛應用于微小型企業的配網臺區。