智能中继电源装置低压配电设计创新

■ 汪国灿 卜汪洋

在国家政策的引导下，全国各行各业都投入大量资源进行节能研发。工艺节能、设备节能（提高效率）、管理节能、设计方案节能等齐头并进，节能事业取得了长足发展。地铁是城市能耗大户，电能消耗占地铁运营成本的比例较高，地铁工程的节能研究是促进地铁事业可持续发展的重要措施之一。深圳地铁除列车受电是DC 1 500 V之外，其他用电设备都是交流低压（220 V/380 V）设备。低压配电系统的节能研究十分重要，为不断提升地铁工程的能效水准，创新低压配电系统设计不可或缺。

1 系统组成及能耗分析

1.1 系统组成

由变压器和多个低压出线回路组成的系统称为低压配电系统。低压配电系统通常由变压器、低压开关设备、配电电缆、低压用电设备组成（见图1）。

1.2 能耗分析

变压器将电网的高压电转换成低压电，供低压设备使用。电能一部分通过做功转换成机械能（如驱动风机、水泵、电梯等）、光能（如点亮照明灯具）等，另一部分通过发热损耗，因此，降低损耗是节能目标。

图1 典型低压配电系统

2 节能设计

2.1 常规内容

《工业与民用供配电设计手册》[1]论述配电系统的节能设计内容包括：选择合适的电压等级、高压深入负荷中心建降压变电所缩短低压配电距离、提高功率因数、选配合适的变压器、选配合适的电缆截面等。

对于大部分项目来说，采取“提高功率因数、选配合适的变压器、选配合适的电缆截面”等措施可以实现节能，且效果良好。但由于场地、工艺条件和用电设备的限制，电压等级可选余地小，“负荷中心”也只是相对概念，长距离低压配电情况相当普遍。长距离配电线路损耗大，节能空间大，值得研究和探讨。

2.2 线路损耗

线路损耗主要是线路阻抗（电阻）在电流通过时产生的热损耗，发热量的大小由式（1）确定。

式中：Q为发热量，J；I为电流，A；R为电阻，Ω；t为时间，s。

配电回路热损耗与回路电流平方、回路电阻和通电时间成正比，回路电流的大小是回路热损耗的关键。对于典型配电系统（见图1），电动机电流（负荷）即为回路电流。一相等效电路见图2。

影响回路电流的关键因数是负荷（电动机）的端电压。

式中：U端为负载端电压，V；U入为输入电压，V；△U线降为线路压降，V。

由式（2）可知，负载端电压与输入电压和线路压降有关，输入电压越高，负载端电压越高；线路压降越小，负载端电压越高。

图2 一相等效电路

式中：△Ua为三相线路每1 A·km下降的电压（与电缆截面有关，常数），V；I为回路电流，A；L为线路长度，m。

由式（3）可知，在线路长度不变的前提下，线路压降与回路电流成正比。对于实际工程，负荷是由工程规模确定的，一旦工程规模确定，驱动机械负载的电动机功率基本不变。

式中：P为电动机功率，kW；U为电动机端电压，V；I为电动机电流，A；η为电动机效率，%；cosφ为功率因数。

当电动机选配完成后，P不变，电动机端电压降低，则电流必然上升，而电流上升，则线路（回路）热损耗成平方级上升。

2.3 计算实例

以图1为例，末端（电动机）电压相对额定电压下降5．88%，线路热损耗相对额定损耗增加12%。200 m供电典型笼型低压三相电动机配电见图3。

若配电距离为900 m，则末端电压相对额定电压下降29．4%，线路损耗相对额定损耗增加67．4%。900 m供电典型笼型低压三相电动机配电见图4。

2.4 智能中继电源装置

由式（2）和2．3节计算实例可以看出，在负载和供电距离不变的情况下，电压对线路损耗的影响较大。低压配电系统创新设计方案是在配电主回路中串接智能中继电源装置（箱），配合末端电压信号反馈，实时调节输入端电压，使末端电压始终保持在额定电压左右，线路损耗相对额定损耗增加0%，因此可大幅减少线路损耗。900 m中继智能电源供电典型笼型低压三相电动机配电见图5。

智能中继电源装置（箱）主要由交流远输智能中继电源控制系统、输入输出电压电流采样单元、末端电源采样单元、电压补偿接收装置、隔离驱动电路、AC/DC模块、DC/AC模块、告警自动切换旁路单元、信号反馈光纤等组成（见图6）。

在智能中继电源装置（箱）输入端、输出端设信号检测终端，将二信号进行比较，在内置智能中心控制系统的调节下，由功率模块、IGBT等主要元件组成的电压调节单元输出△U，加载至输出端，实现对输出电压的闭环控制；在末端（远端）设信号检测终端，将检测的信号与输入信号比较，由电压调节单元输出△U，使远端电压始终保持在额定电压左右，线路损耗保持额定损耗。

图3 200 m供电典型笼型低压三相电动机配电

图4 900 m供电典型笼型低压三相电动机配电

图5 900 m中继智能电源供电典型笼型低压三相电动机配电

图6 交流远输智能中继电源控制系统原理

3 结束语

低压远距离供电不仅影响配电方案，还影响整体工程方案。理想的通风方案是在区间隧道内均布小功率的风机，节能高效，但考虑到低压供电距离的因素，目前地铁工程大都选择将风机集中布设在车站两端，由于通风距离长、风阻大，必须选取更大输出能力的风机，配更大功率的电机。当更大功率的风机也不能满足通风工艺需要时，需在中间位置建区间风井。不仅选址困难、土建工程浩大，不得不在风井内建高压跟随所，将高压电通过变压器降压给风机供电；当建高压跟随所也不具备条件时，往往会采用大幅增大低压配电电缆截面的配电方案，但这2种方案都会大幅增加投资。

采用智能中继电源的设计方案是低压配电系统设计的一种创新，利用现代智能科技，使低压配电不再受供电距离的强制约束，对优化整体工程方案、减少工程投资具有重要意义。

[1] 中国航空规划设计研究院．工业与民用供配电设计手册[M]．4版．北京：中国电力出版社，2016．