何友林

（西門(mén)子能源管理集團(tuán)TIP 技能中心，上海 ）

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力消耗逐年增大，電力用戶對(duì)用電的要求也越來(lái)越高，可靠、高效的供配電系統(tǒng)是個(gè)永恒的話題。對(duì)于工業(yè)行業(yè)，比如，電力、石化、冶金、電子廠房等，如果工廠的電能供應(yīng)意外突然中斷，或者越級(jí)跳閘，以及電能質(zhì)量問(wèn)題等，都可能對(duì)工業(yè)生產(chǎn)和人身安全造成嚴(yán)重的后果。對(duì)于基礎(chǔ)設(shè)施和建筑領(lǐng)域，比如，地鐵、鐵路、機(jī)場(chǎng)、數(shù)據(jù)中心、高層或者超高層建筑、醫(yī)院、大型體育場(chǎng)館等，避免電氣火災(zāi)、防止人身觸電、可靠持續(xù)供電等問(wèn)題貫穿整個(gè)電氣設(shè)計(jì)過(guò)程。

對(duì)于工業(yè)和民用項(xiàng)目，如何減少電氣設(shè)計(jì)師日常繁瑣的工作量，并且確保配電系統(tǒng)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)？我想這也是每一個(gè)電氣設(shè)計(jì)師關(guān)心的話題。那么，一個(gè)輔助的配電設(shè)計(jì)工具軟件是必不可少的。西門(mén)子配電設(shè)計(jì)軟件SIMARIS design 能夠設(shè)計(jì)從中壓進(jìn)線、到低壓配電直到終端配電系統(tǒng)，協(xié)助配電規(guī)劃設(shè)計(jì)人員，管理配電設(shè)計(jì)各個(gè)階段，極大減少電氣設(shè)計(jì)時(shí)間，同時(shí)，得到一個(gè)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的配電系統(tǒng)。

1 工業(yè)和民用配電設(shè)計(jì)需求

設(shè)計(jì)工業(yè)和民用配電項(xiàng)目，需要考慮很多方面，其中有幾個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)要求如下：

1）負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

負(fù)荷總體來(lái)說(shuō)可以分為兩大類：動(dòng)力負(fù)荷和照明負(fù)荷。動(dòng)力負(fù)荷主要是以馬達(dá)帶動(dòng)相關(guān)用電負(fù)載的動(dòng)力設(shè)備，通過(guò)統(tǒng)計(jì)工廠車間、各個(gè)樓層等的動(dòng)力負(fù)荷，以及考慮負(fù)荷的需用系數(shù)和同時(shí)系數(shù)，最終確定項(xiàng)目總體動(dòng)力負(fù)荷的大小。照明負(fù)荷主要是各類照明和插座，依據(jù)各個(gè)場(chǎng)所照度的要求，結(jié)合相應(yīng)的應(yīng)用面積，估算照明負(fù)荷的大小。最終，確定項(xiàng)目總的負(fù)荷需求。

2）短路電流計(jì)算

配電系統(tǒng)短路電流計(jì)算是為了進(jìn)行正確合理的配電設(shè)備選型以及優(yōu)化配電保護(hù)設(shè)備的保護(hù)整定靈敏度，因此，此工作在電氣設(shè)計(jì)中是必不可少，也是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。依據(jù)系統(tǒng)不同運(yùn)行方式，計(jì)算出線路或者用電設(shè)備可能發(fā)生短路故障的電網(wǎng)參數(shù)，比如，三相短路、兩相短路、單相以及相間短路等。

3）電壓降計(jì)算

電力流過(guò)電力線路和設(shè)備，會(huì)產(chǎn)生電壓損失。對(duì)于用電設(shè)備來(lái)說(shuō)，比如，動(dòng)力負(fù)荷和照明，當(dāng)電壓損失太多時(shí)，將影響用電設(shè)備的正常工作。因此，電壓降計(jì)算工作對(duì)于電氣設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，也是個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)。

4）功率因數(shù)計(jì)算

用電單位通常會(huì)和電力公司簽訂購(gòu)電合同，合理的功率因數(shù)指標(biāo)是電力公司要求用電單位的一個(gè)方面。因此，電氣設(shè)計(jì)師在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段，依據(jù)項(xiàng)目負(fù)荷的狀況，計(jì)算變電所內(nèi)變壓器低壓側(cè)的功率因數(shù)，再計(jì)算出補(bǔ)償電容器的規(guī)格和數(shù)量，來(lái)提供無(wú)功功率，改善功率因數(shù)，達(dá)到供電部門(mén)的要求。

5）設(shè)備選型

綜合負(fù)荷計(jì)算、短路電流計(jì)算、選擇性配合等電網(wǎng)參數(shù)和要求，選擇合理的配電設(shè)備，比如，斷路器、熔斷器、隔離開(kāi)關(guān)、母線、電纜、避雷器、互感器、開(kāi)關(guān)柜等。并根據(jù)需要進(jìn)行動(dòng)熱穩(wěn)定檢驗(yàn)。

6）選擇性配合

當(dāng)配電保護(hù)設(shè)備選擇好后，需要設(shè)定保護(hù)設(shè)備的整定值，比如，過(guò)載定值、短延時(shí)定值、瞬動(dòng)定值等。在整定保護(hù)定值的過(guò)程中，需要綜合考慮當(dāng)前線路或者設(shè)備的保護(hù)，以及上下級(jí)保護(hù)設(shè)備之間整定值的配合問(wèn)題。

2 SIMARIS design 設(shè)計(jì)功能

工業(yè)和民用配電設(shè)計(jì)需要綜合考慮不同的供電方案和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，需要做大量而細(xì)致的負(fù)荷統(tǒng)計(jì)工作，需要進(jìn)行復(fù)雜而煩瑣的電網(wǎng)參數(shù)計(jì)算，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合配電系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行合理的設(shè)備選型。

配電設(shè)計(jì)選型軟件SIMARIS design 設(shè)計(jì)選型遵行IEC 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，它的主設(shè)計(jì)界面如圖1所示，主要功能如下。

1）電網(wǎng)參數(shù)計(jì)算：負(fù)荷電流計(jì)算；短路電流計(jì)算；線路電壓降計(jì)算；無(wú)功補(bǔ)償計(jì)算；電纜載流量計(jì)算；有功功率/無(wú)功功率/視在功率/功率因數(shù)計(jì)算。

2）設(shè)備選型：斷路器；熔斷器；隔離開(kāi)關(guān)；電纜/母線槽；變壓器/發(fā)電機(jī)。

3）選擇性配合評(píng)估

當(dāng)一個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)完好后，軟件能夠輸出全部的設(shè)計(jì)文檔，包括各類網(wǎng)絡(luò)單線圖、負(fù)荷清單、選擇性整定值清單、短路電流清單以及和AUTOCAD 兼容的DXF/DWG 格式輸出文件。軟件能夠輸出一個(gè)接口文件，該文件信息導(dǎo)入SIMARIS project，很快自動(dòng)生成低壓柜的排列布置圖，得出配電柜以及所占空間的需求。

圖1 SIMARIS design 設(shè)計(jì)界面

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)工業(yè)和民用配電系統(tǒng)

當(dāng)前，在工業(yè)和民用配電設(shè)計(jì)過(guò)程中，在一些關(guān)鍵設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，確實(shí)還存在著如下一些問(wèn)題：電氣網(wǎng)絡(luò)計(jì)算不精確，選型不合理，保護(hù)整定沒(méi)有做好等。這些環(huán)節(jié)沒(méi)有做好，就可能會(huì)導(dǎo)致配電項(xiàng)目投資過(guò)大、配電系統(tǒng)存在安全隱患。下面重點(diǎn)介紹配電設(shè)計(jì)軟件SIMARIS design 優(yōu)化配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的幾個(gè)方面。

3.1 全面詳細(xì)的短路電流計(jì)算

目前無(wú)論工業(yè)還是民用配電設(shè)計(jì)，低壓短路電流計(jì)算普遍存在著短路電流計(jì)算不夠精細(xì)，主要體現(xiàn)在如下方面。

1）沒(méi)有計(jì)算分配電回路的短路電流。低壓配電系統(tǒng)分支回路很多，計(jì)算工作量很大，并且項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中，技術(shù)參數(shù)變動(dòng)頻繁，使得電氣設(shè)計(jì)師很難有這個(gè)時(shí)間去做精確地計(jì)算。

2）沒(méi)有計(jì)算最小短路電流。計(jì)算最小短路電流對(duì)于低壓配電來(lái)說(shuō)，也是非常繁瑣和很大的工作量，對(duì)于廣大電氣設(shè)計(jì)師也是很難在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行全面和精確的計(jì)算。

3）沒(méi)有計(jì)算電動(dòng)機(jī)反饋電流。

如果這些短路電流值不計(jì)算會(huì)產(chǎn)生哪些后果呢？

1）配電設(shè)備選型偏大，增加不必要的投資。

2）配電設(shè)備選型偏小，出現(xiàn)短路故障，損壞配電設(shè)備，甚至影響人身安全和火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。

3）保護(hù)設(shè)備的靈敏度整定缺乏依據(jù)，存在越級(jí)跳閘隱患，擴(kuò)大故障范圍。

SIMARISdesign 計(jì)算短路電流遵循IEC60909 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。在配電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)搭建完成，輸入負(fù)荷參數(shù)，設(shè)定系統(tǒng)供電方式后，軟件能夠自動(dòng)計(jì)算各級(jí)配電系統(tǒng)的短路電流，在短路電流單線圖上顯示各級(jí)的最大和最小短路電流，以及電動(dòng)機(jī)的反饋電流，見(jiàn)如圖2所示。圖2單線圖上顯示的IKmax為最大短路電流，比如，進(jìn)線IKmax=3164A；Ikmin為最小短路電流，比如，進(jìn)線Ikmin=1244A；對(duì)于電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，還會(huì)計(jì)算反饋電流IKmotor，比如，電機(jī)負(fù)載IKmotor=158A。有些這些參數(shù)，斷路器的選型和整定就有了科學(xué)的依據(jù)。

圖2 短路電流單線圖

3.2 全面詳細(xì)的電壓降計(jì)算

在工業(yè)和民用配電設(shè)計(jì)中，需用計(jì)算配電設(shè)備和線纜的電壓損失，確保電壓偏差滿足負(fù)荷正常運(yùn)行的需求。在工業(yè)系統(tǒng)中，有大量的電動(dòng)機(jī)負(fù)荷，如果電動(dòng)機(jī)側(cè)的電壓太低，就有可能影響電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)運(yùn)行。對(duì)于一般的固定負(fù)載，計(jì)算線路的靜態(tài)電壓降也就可以了，但對(duì)于電動(dòng)機(jī)負(fù)載，還得考慮啟動(dòng)時(shí)刻的動(dòng)態(tài)電壓降。

當(dāng)前工業(yè)和民用配電設(shè)計(jì)，往往很多情況下，只核算最長(zhǎng)的線路電壓降，認(rèn)為把最極端情況考慮了就算了。因此，也是普遍存在著電壓降計(jì)算不夠全面精細(xì)的問(wèn)題，尤其是需要考慮電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)期間動(dòng)態(tài)壓降問(wèn)題。

配電設(shè)計(jì)軟件SIMARIS design 在計(jì)算配電線路電壓降時(shí)，除了能夠計(jì)算各級(jí)配電線路累計(jì)的靜態(tài)電壓降外，針對(duì)電動(dòng)機(jī)負(fù)載，還能夠計(jì)算電動(dòng)機(jī)側(cè)的動(dòng)態(tài)電壓降。當(dāng)配電網(wǎng)絡(luò)搭建好，軟件自動(dòng)計(jì)算得出各級(jí)配電系統(tǒng)的線路電壓降。圖3為網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷單線圖，在該圖上可以看到配電柜進(jìn)線側(cè)累積的電壓降為5.27%，負(fù)載L 1.1A.1.1 累積的靜態(tài)電壓降為5.62%，電機(jī)負(fù)載M 1.1A.1.3 累積的靜態(tài)電壓降為6.24%，考慮電機(jī)起動(dòng)電流情況的動(dòng)態(tài)電壓降為12.6%。

圖3 網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷單線圖

3.3 無(wú)功優(yōu)化計(jì)算

無(wú)功補(bǔ)償對(duì)節(jié)能降損，提高設(shè)備出力，改善電壓質(zhì)量等方面有重要作用。SIMARIS design 軟件可非常方便改變負(fù)載，調(diào)整線路參數(shù)，優(yōu)化電能消耗和電能質(zhì)量的相關(guān)參數(shù)，動(dòng)態(tài)仿真和測(cè)試未來(lái)的運(yùn)行工況。

運(yùn)行SIMARIS design 軟件后，可從軟件界面的單線圖上察看每一回路的能量消耗、功率因數(shù)和電壓降,如發(fā)現(xiàn)無(wú)功功率偏大、功率因數(shù)偏低、線路電壓降超限、不能滿足電能質(zhì)量基本要求時(shí)，可通過(guò)軟件對(duì)整個(gè)系統(tǒng)或局部配出回路進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償，添加相應(yīng)的電容補(bǔ)償線路，通過(guò)軟件快速計(jì)算，在單線圖界面上將立即顯示無(wú)功補(bǔ)償?shù)男ЧＨ鐖D4所示，每一步投入的無(wú)功功率為25kVAr，電容器模塊數(shù)為10，投入的模塊數(shù)為6，計(jì)算出補(bǔ)償后的功率因數(shù)為0.955，當(dāng)然，這些參數(shù)根據(jù)實(shí)際需求可以調(diào)整，計(jì)算出滿足要求的功率因數(shù)。無(wú)功補(bǔ)償除了可以提供功率因數(shù)外，同時(shí)也降低線路電壓降、減少負(fù)荷電流。

圖4 無(wú)功補(bǔ)償計(jì)算

3.4 合理的設(shè)備選型

在配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，當(dāng)電網(wǎng)參數(shù)都計(jì)算好后，正常設(shè)計(jì)需要花大量時(shí)間進(jìn)行設(shè)備選型。當(dāng)前配電設(shè)計(jì)選型結(jié)果，參數(shù)通常偏大，比如所選擇的斷路器的額定電流、分?jǐn)嗄芰?。為了配電系統(tǒng)的可靠性，考慮設(shè)計(jì)余量是可以理解的。但是，如果網(wǎng)絡(luò)計(jì)算不精確，配電選型不合理就不可避免了。舉例，末端配電系統(tǒng)使用的小型斷路器，分?jǐn)嗄芰νǔＳ?.5kA，6kA，10kA，15kA 等更多，如果沒(méi)有計(jì)算末端配電箱進(jìn)線側(cè)的短路電流，就無(wú)法選擇合適的分?jǐn)嗄芰Α?/p>

使用SIMARIS design 軟件，設(shè)備選型變得很容易完成，且合理。線路保護(hù)設(shè)備的選型除考慮與額定電壓、額定電流、額定頻率、使用場(chǎng)所的環(huán)境相適應(yīng)等情況外，還必須考慮短路條件下的動(dòng)穩(wěn)定和熱穩(wěn)定的要求，必須同時(shí)滿足以下條件：

1）安裝點(diǎn)的最大短路電流I”scmax小于斷路器的斷路器額定極限分?jǐn)嗄芰cu。

2）安裝點(diǎn)的最小短路電流I”scmin大于斷路器的短路短延時(shí)電流Isd或者瞬動(dòng)電流Ii。

3）斷路器短路接通能力Icm 必須大于安裝點(diǎn)的短路電流的峰值Ip。

4）B 類斷路器必須能夠在一段時(shí)間內(nèi)承受安裝點(diǎn)發(fā)生的短路電流，此短路電流和時(shí)間用于考核斷路器的Icw。

5）短路條件下的動(dòng)穩(wěn)定和熱穩(wěn)定要求：S2K2＞=I2t。

圖5為SIMARIS design 的產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)界面，當(dāng)配電網(wǎng)絡(luò)搭建好后，軟件依據(jù)饋線負(fù)荷電流、短路電流等條件，自動(dòng)選出合理、經(jīng)濟(jì)的配電線路保護(hù)設(shè)備，當(dāng)軟件的自動(dòng)選型在有必要調(diào)整的情況下，再進(jìn)入SIMARIS design 的產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整選型。

圖5 產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)

3.5 優(yōu)化配電系統(tǒng)選擇性

優(yōu)化選擇性配合在工業(yè)和民用配電系統(tǒng)中尤其重要。當(dāng)前，很多配電設(shè)計(jì)沒(méi)有進(jìn)行詳細(xì)的短路電流計(jì)算，尤其是算出每個(gè)回路的最小短路電流，因此，配電保護(hù)設(shè)備之間的選擇性優(yōu)化就很難做到。優(yōu)化配電系統(tǒng)的選擇性需要綜合考慮當(dāng)前線纜上會(huì)發(fā)生的最大和最小短路電流，以及上級(jí)配電保護(hù)設(shè)備下限的保護(hù)包絡(luò)線，和下級(jí)保護(hù)設(shè)備的上限的保護(hù)包絡(luò)線。

選擇性的類別主要有：電流選擇性（電流級(jí)差配合）、時(shí)間選擇性（時(shí)間級(jí)差配合）和ZSI（區(qū)域選擇性聯(lián)鎖）。驗(yàn)證配電系統(tǒng)的選擇性必須在配電系統(tǒng)計(jì)算基礎(chǔ)之上，綜合考慮過(guò)載、短路、接地（漏電）、電壓降、失電等故障情況下保護(hù)設(shè)備之間的配合。

圖6 選擇性配合曲線

圖6是SIMARIS design 直觀明了的選擇性配合特性曲線，配電單線圖上選型的斷路器是3WL，在右邊的時(shí)間電流坐標(biāo)上，顯示有藍(lán)色、綠色和紅色三條保護(hù)曲線，其中，綠色保護(hù)曲線代表當(dāng)前3WL 斷路器的保護(hù)特性曲線，藍(lán)色代表中壓進(jìn)線開(kāi)關(guān)的保護(hù)特性曲線，紅色代表下級(jí)所有線路保護(hù)設(shè)備的保護(hù)特性曲線的上線包絡(luò)線。在坐標(biāo)軸上還顯示了當(dāng)前線路的最大和最小短路電流。在進(jìn)行選擇性配合的時(shí)候，首先比較當(dāng)前的短路短延時(shí)電流和線路最小短路電流，然后，比較各個(gè)曲線的電流大小，最后，再進(jìn)行時(shí)間比較，實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)的選擇性配合。從圖上可以看到，短路短延時(shí)電流 32kA＜ 44.95kA，滿足要求；然后比較電流大小可以看出也是滿足要求的；最后，短延時(shí)的時(shí)間為0.4s，遠(yuǎn)大于下級(jí)包絡(luò)線時(shí)間，滿足要求。

4 結(jié)論

針對(duì)當(dāng)前工業(yè)和民用配電設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題，比如，設(shè)計(jì)計(jì)算不夠精細(xì)、選型不合理、選擇性沒(méi)有優(yōu)化等，電氣設(shè)計(jì)師可以利用西門(mén)子配電設(shè)計(jì)選型軟件SIMARIS design，全面優(yōu)化配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，獲得一個(gè)安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的配電系統(tǒng)。并且，它非常方便于項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程不斷變化和深化，可以作為一個(gè)項(xiàng)目管理工具，應(yīng)用于項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)階段開(kāi)始，管理項(xiàng)目設(shè)計(jì)一直到施工和運(yùn)行維護(hù)。