电气供配电系统的优化设计

中冶焦耐(大连)工程技术有限公司 陈 静

电能设备由低压配电系统和高压输送系统组成，二者协作完成电力运输。当前我国大部分城市在运输电力中运用远程输配电形式，其中10kV是电力传送中对电压的最大限制，需运用电气供配电系统将高压配电转至10kV电压后再为各个用电终端系统传输电力，同时结合实际用电需求分配具体工作。经合理分配后的电力从低压变电系统将高压电流有效转换为工厂与家用电压、再经输电线为用户传输电能，供其使用。电气供配系统并非简单地保障电能准确合理分配，还关系到是否能满足用户生活生产需求。在供配电系统中应用先进科学技术，能有效提升供配电系统智能化与自动化水平的同时保障输配电质量，最大限度满足现代经济社会发展安全高效用电[1]。

1 电气供配电系统设计存在问题

配电设备设计缺乏合理：部分工程项目在设计供配电系统时为获取利益最大化，在工程中投入的机电设备性能相对落后，以致于存在较为严重的线损问题。与此同时，供电设备因电容量不足在后期投入使用后加大安全隐患，尤其无法保障部分远距离地区正常供电。此外，部分供电区域未在设计中添加性能完好的智能开关，不仅大幅降低电量使用率，更无法保障电气供配电系统安全性。

供配电能不符要求标准：蓬勃发展的经济社会不断加大用电负荷，正因如此要求断路器、供配电线路等设施与用电负荷增长相一致，目的在于使供电趋于安全稳定。然而很多设计人员在设计供配电系统时因未科学准确预估用电负荷增长速度，造成供配电相关线路和设备脱离用电负荷增大速度，从而降低供配电整体电能，更无法有效保障电能安全、稳定、高质供应[2]。

变压器长期负载率过低：通常工厂变压器对长期负载率的要求较高。国家相关要求指出，在设计工厂变压器时其负载率不能超过85%。若长时间负载率设计偏低则会加大变压器容量，进而提升用户基本电费以及加大用电经济成本。很多工厂以多期建设为主，适合在厂房内设计独立变电所，如变电所内存有大量工艺设备，在具体设计中可对变压器位置进行预留，当预留工艺设备进入生产阶段后再适当添加变压器，最大限度保证供配电设备合理、经济与安全。

电缆导体截面选择有误：对于供配电设计而言，最为重要的环节之一即导体截面和电缆。结合实际情况科学选取导体与电缆截面能最大限度保障供配电系统在实际运行中承受大负荷用电。然而在实际设计过程中，虽然按照负荷计算电流要求并基于此选取导体界面和电缆，却未充分考虑供电距离与部分通电设备末端电压，以致于供配电缺乏科学合理。

2 优化电气供配电系统设计方式

2.1 准确计算负荷

通常在配电设计过程中选取电器和导体时参考30min内最大平均负荷发热条件，所谓平均负荷即在一段时间内电厂从发电机母线送出的总电量与该段时间之比，选取代表性较强的昼夜电能消耗量作为最大负荷，在计算电能消耗量和最大负荷时以平均负荷为主。计算负荷需要运用二项式、系数法等方式，本文研究分析的供配电系统为某个工厂，涉及较多地用电部门和用电设备台数，故而需运用系数法确定负荷。

如，针针对单台用电设备主要计算有功和无功负荷，其中有功负荷（kW）计算公式为P30=KdPe，式中，P30表示设备有功计算负荷、Kd表示用电设备组所需系数、Pe表示用电设备组总设备容量。无功负荷计算公式为Q30=P30tanφ，式中，Q30表示设备无功计算负荷、tanφ表示应用于用电设备组功率因数cosφ的正切值。电流计算公式其中I30表示计算电流，s30表示用电设备组在视在功率，UN表示用电设备组额定电压。

2.2 高压供电线路设计

设计高压供电线路时要充分考虑配电室选址，其中在设计配电所要求做到技术先进、供电安全可靠，便于维修，经济合理。结合工程发展规划、规模、特征对近期与远期建设发展关系给予正确处理，尽可能做到远近结合。结合用电容量、负荷性质、地区供电条件、配电所环境、节约电能等多重因素并综合考虑建设单位意见，在此基础上确定设计方案。根据国家和行业产品技术标准选取变配电所元件和设备，若经济条件允许，可优先考虑和选用经济适用性好、技术先进且符合国家节能要求的设备与产品。在划分负荷等级方面，需按照国家与行业要求和标准分为一级负荷、二级负荷、三级负荷。

选择对接线方案时，根据变电所所在供电系统地位、设备特征、进出线回路数、负荷性质等特定主接线，同时需满足灵活、安全、经济、可靠等要求。通常高压侧进线有一条公用电源干线（10kV），通过与附近工厂连接高压联络线方获取备用电源，从而满足工厂二级负荷要求。故而，变电所高压侧分别一条工作和一条备用电源进线，在设计中针对10kV可运用单母线方案，保证供电安全可靠的同时满足扩建要求[3]。

2.3 无功补偿

在供配电系统中衡量电能质量重要指标之一即功率因数高低。如功率因素偏低说明供配电系统中缺少无功电源，降低系统电压，增加电能损耗，对供电线路输电能力造成影响。一般供电部门月平均功率在0.9以上左右，如自动总平均功率因数出现偏低情况，只提升用电设备自然功率无法达到预期要求，所以运用无功率补偿设备使工厂功率因数得到提升。

无功补偿分为高压集中补充和低压集中补偿。高压集中补偿即在高压配电所高压母线上集中装设并联电容器，该方式只能对高压母线之前线路无功功率进行补偿，无法有效补偿之后无功功率；低压集中补偿。在变电所低压母线上装设并联电容器，通常用电负荷相对集中的小型企业和工厂会运用此相对经济的补偿方式。其中运用公式表示并联电容器Qcc：上述公式中Pmax表示总平均最大功率、kW，cosφ1表示运用过程中平均功率因数，cosφ2与cosφ3分别表示最大使用时平均功率因素与目标功率因数。

2.4 低压回路导线选取与设计

低压电线电缆有较大载流量，所运用的电线电缆均为铝质和铜质，且具有较强的过载能力和导电性能等，如添加过度则会提升供配电系统建造成本。非有效选取电线电缆会引发线路事故、造成项目投资失败。引发火灾的重要因素之一即电线电缆短路，对此，在设计供配电系统时需结合实际情况正确选取电线电缆规格与型号，最大限度保证供配电系统安全与可靠。

首先选取电线电缆类型；结合负荷性质、用电场所、敷设方式、选择铜芯电线电缆与导体绝缘类型。目前多数普通回路运用PVC（耐酸碱聚氯乙烯），火灾报警系统保护对象、消防供电等运用有机绝缘耐火类或矿物绝缘电缆；其次合理选择电线电缆截面，如没有合理选择电线电缆截面，则会对供配电系统的安全可靠以及电线电缆使用寿命造成影响，所以在选择电线电缆截面时需做到导体最小截面与机械强度要求相符、线电压损失处于允许值范围、根据环境条件、敷设方式明确的导体截面，要求导体载流量不能小于预期电荷电流以及根据相关保护条件所明确的电流。

2.5 合理选取设备

对于供配电系统而言，需根据安装、环境、正常工作等多个条件选择互感器、高低压开关电器、电力变压器等电气设备与导线，还需根据故障情况检验部分设备短路电路的热温度度与动稳定度，不仅要保障供配电系统可靠、安全、高质，还要便于后续维修。与此同时，针对供配电系统需结合工作条件选取电气设备，在此过程中需考虑电气设备电气要求与装设环境条件等因素。校验电气设备短路情况时需根据极有可能出现的三相短路故障时的动检验热稳定度，通常无需考虑具有熔断保护导体、电器、架空路线等动稳定度。虽然供配电系统涵盖的电气设备有着不同作用，但有很多相同的选择要求与条件。各个设备需在正常工作环境下选择额定电流与电压，再根据短路故障条件对其热稳定度与动稳定度进行检验，最大限度保证电气设备高质安全运行。

在避雷器选择方面，当前电工装设施工方面都会安装避雷器，不仅能保护电力设备在运行中受到瞬时过电压危害与影响，还能将续流截断，避免引发接地短路故障。一般在带电导线与地之间安装避雷器，该设备会在电压值达到规定范围内动作高压时立即动作并流经过电荷，对过电压幅值形成限制，达到保护电力设备绝缘目的。当电压值处于正常状态后，设备迅速恢复原状，有效保证供配电系统安全稳定供电。

2.6 节能措施

目前我国极力倡导节能减排理念，很多领域相继开展节电工作，要求节约资金与能源的同时提升电能使用效能和利用率。节电工作除改造供配电系统，还要适当改造水泵、风机、电动机等用电设备。对于工涉及较多用电设备的工厂而言，考查其电气情况以配电系统电能损耗率为主。电气管理人员在实际工作中需结合具体情况加强线损管理工作。通常工厂供配电系统电能损耗与内部用电构成、运行方式、无功配量、网络结构、负荷分布、电压等级等多因素有关。从理论层面分析，配电网损耗有多部分组成，所以需采取节能措施降低配电系统损耗。具体可从以下方面着手：

首先合理改造迂回线路。很多工厂因日益发展，其电能负荷也相继发生变化，不断延伸的配电线路对电网提出较高要求，所以需适当改造迂回线路，在改造线路走向时要求主干线紧贴负荷中心。

其次合理改造卡脖子线，扩大导线截面。工厂线路因不断扩大的生产发展需求导致负荷日益增大，原先线路末端因重新布点的电源成为首端。再加上部分工厂在建立初期其线路标准相对偏低，卡脖子线因此形成。在改造过程中对适当对上述导线截面进行增大，最大限度保障供电容量，在一定程度还能使线路电阻有所降低，满足国家提出的节能减排目标。一般改造卡脖子线也需遵循相应标准，即线路导线截面处于最大负荷状态时，此时电流密度不能＞1～1.5A/mm2。如果现实条件允许，线路导线截面达到一定范围后可运用备用线路进行供电，或以间接方式加大配电线路导线截面，使导线电能损耗得到有效降低。

第三选取同步电动机。同步电动机负荷多为容性，说明该设备电能功率可超前。在实际运行中适当调节励磁电流，使设备在超前功率因数下安全运行，达到改善电网功率因数效果。用电电流会因逐渐增高的功率因数而减少，从而有效降低用电量；第四及时更换变压器。部分工厂因建造时间久远，在改造供配电系统之前依旧运用SJ1等系列变压器，此类设备最为显著的弊端即高能耗。对此可选取S7或S10-等低损耗变压器，该设备在降低短路和空载损耗方面发挥着不可小觑作用。只有明确自身实际情况，才能合理选取电压设备、保障用电安全。

3 结语

供配电系统关系到可靠、安全、优质用电，所以其系统设计十分重要。在设计供配电系统时单纯考虑满足现有基本需求远远无法达到现代经济社会发展标准，需结合实际情况设计智能化供配电系统，提升生产质量和效率，减少人工控制干预，实现高效供电的同时保障人身安全。由于供配电系统设计相对复杂，设计人员需根据实际情况和国家提出的节能减排要求明确负荷等级科学配置电力设备，使电气供配电系统设计更趋于科学合理，满足电力用户日益增长的用电需求。