隋為民

（中石化洛陽(yáng)工程有限公司，河南 洛陽(yáng)471003）

0 引言

在石油化工企業(yè)中低壓用電負(fù)荷應(yīng)用廣泛，低壓用電設(shè)備占主要部分，其安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行直接影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。石油化工企業(yè)低壓配電系統(tǒng)采用380／220V配電，配電線路采用放射式。由于生產(chǎn)裝置大多處于易燃、易爆場(chǎng)所，絕大多數(shù)機(jī)泵、風(fēng)機(jī)位于爆炸危險(xiǎn)區(qū)域之內(nèi)，通常變配電所只能布置在爆炸危險(xiǎn)區(qū)域之外，一般位于裝置一側(cè)，無(wú)法深入裝置低壓負(fù)荷中心。

隨著石油化工企業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，電動(dòng)機(jī)配電線路長(zhǎng)度增加，相當(dāng)數(shù)量的低壓電動(dòng)機(jī)受電電纜長(zhǎng)度達(dá)到或超過(guò)300m。線路長(zhǎng)度增加的主要原因?yàn)椋海?）裝置的大型化、深加工或聯(lián)合裝置要求使裝置的占地面積逐漸增加，供電半徑逐漸增大；（2）實(shí)行新的防火防爆設(shè)計(jì)規(guī)范，變電所與裝置設(shè)備之間的防爆防火距離加大了；（3）裝置內(nèi)電纜采用電纜橋架敷設(shè)，與電纜溝相比電氣距離加長(zhǎng)了；（4）工藝及總平面布置強(qiáng)調(diào)工廠模式改革，希望盡量少建變電所或?qū)⒆冸娝胁贾谩?/p>

通常電纜是根據(jù)負(fù)荷電流按電纜載流量選擇，以配電線路啟動(dòng)和正常工作電壓降及保護(hù)靈敏度來(lái)校核電纜截面，不滿足條件則放大電纜截面，但大范圍放大電纜截面是明顯不妥的，有時(shí)在技術(shù)上已不可能。工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)380V供電的弊端越顯突出，從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上衡量已很不合理且影響生產(chǎn)，只有提高供電電壓，才能有效提高供電能力，滿足企業(yè)供電要求。

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，供電電壓也在提高，早在20世紀(jì)60年代，660V電壓就作為一種標(biāo)準(zhǔn)電壓被列入國(guó)際電壓標(biāo)準(zhǔn)中，我國(guó)現(xiàn)行國(guó)家額定電壓標(biāo)準(zhǔn)中，660V電壓仍作為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)額定電壓。以下將以YB系列二極電動(dòng)機(jī)為例，分析380／220V、660／380V供電特點(diǎn)。

1 保護(hù)的靈敏系數(shù)分析

1.1 理論公式

短路保護(hù)的靈敏系數(shù)是電力系統(tǒng)最小運(yùn)行方式下，被保護(hù)設(shè)備末端短路時(shí)的短路電流與其保護(hù)設(shè)備的動(dòng)作值的比值?！兜蛪号潆娫O(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：“當(dāng)保護(hù)電器為符合《低壓斷路器》的低壓斷路器時(shí)，短路電流不應(yīng)小于低壓斷路器瞬時(shí)或短延時(shí)過(guò)電流脫扣器整定電流的1.3倍?！?/p>

在石油化工企業(yè)中，低壓供電半徑大都大于200m；線路末端單相接地短路電流無(wú)法使保護(hù)裝置動(dòng)作，一般采用專用的保護(hù)設(shè)備，這里不再闡述。

線路末端兩相短路電流按下式計(jì)算：

式中，I″為三相起始短路電流周期分量有效值；C為電壓系數(shù)，三相短路電流取1.05，兩相短路電流取1.0；Un為網(wǎng)絡(luò)標(biāo)稱電壓（線電壓）；Zk為短路電路總阻抗；I2″為兩相短路穩(wěn)態(tài)電流；Zs為高壓側(cè)系統(tǒng)阻抗；Zt為變壓器阻抗；Zm為變壓器低壓側(cè)母線阻抗；Zl為線路阻抗。

電動(dòng)機(jī)回路中，空氣斷路器瞬動(dòng)過(guò)電流脫扣器動(dòng)作電流按《通用用電設(shè)備配電設(shè)計(jì)規(guī)范》要求公式如下：

式中，Idz為空氣斷路器瞬動(dòng)過(guò)電流脫扣器動(dòng)作電流；Iq為電動(dòng)機(jī)全壓時(shí)啟動(dòng)電流；Ki為電動(dòng)機(jī)全壓時(shí)啟動(dòng)電流倍數(shù)；Pe為電動(dòng)機(jī)額定功率；Ue為電動(dòng)機(jī)額定電壓；COS為電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)；η為電動(dòng)機(jī)效率。

根據(jù)短路保護(hù)靈敏系數(shù)的定義，其計(jì)算公式如下：

式中，Km為短路保護(hù)的靈敏系數(shù)。

將公式（1）、（2）、（4）、（5）代入公式（6）整理得：

為了分析方便，假設(shè)短路電路總阻抗Zk不變。在一個(gè)供電系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)標(biāo)稱電壓Un與電動(dòng)機(jī)額定電壓Ue相等；對(duì)于電動(dòng)機(jī)而言，額定電壓為380V或660V，只是改變電動(dòng)機(jī)的接線形式，各個(gè)參數(shù)不發(fā)生變化 ，即COS、η、Ki、Pe不隨電壓變化。由此可得，短路保護(hù)的靈敏系數(shù)Km與電壓平方成正比，提高電壓將大大提高短路保護(hù)的靈敏系數(shù)。

1.2 Zk對(duì)短路保護(hù)靈敏系數(shù)的影響

在公式（3）中，高壓側(cè)系統(tǒng)阻抗Zs、變壓器低壓側(cè)母線阻抗Zm和線路阻抗Zl都是一個(gè)不隨電壓變化的參數(shù)；變壓器阻抗Zt計(jì)算公式如下：

式中，Uk%為變壓器阻抗百分?jǐn)?shù)；Ue為額定電壓；Se為額定容量。

根據(jù)公式（9）可以得出，當(dāng)變壓器阻抗占主導(dǎo)地位時(shí)，短路保護(hù)靈敏系數(shù)與電壓無(wú)關(guān)；當(dāng)變壓器阻抗不占主導(dǎo)地位時(shí)，短路保護(hù)靈敏系數(shù)與電壓的平方成正比。當(dāng)線路較長(zhǎng)、電纜截面小時(shí)，變壓器阻抗僅占短路電路總阻抗的不到10%，短路電路總阻抗主要是配電線路阻抗。而在裝置大型化以后，低壓配電線路較長(zhǎng)，線路阻抗起到主導(dǎo)作用；從后面的計(jì)算中可知，660V網(wǎng)絡(luò)中變壓器阻抗占總阻抗的1／4；當(dāng)變壓器容量為1 000kVA、線路長(zhǎng)度為300m時(shí)，將變壓器阻抗按固定值計(jì)算的短路電流最大誤差小于15%，在工程分析中可以忽略。

1.3 計(jì)算及分析

計(jì)算條件如下：

（1）系統(tǒng)短路容量取150MVA（系統(tǒng)電抗中阻抗占0.1）。Zs＝1.066 7mΩ；Rs＝0.106 67mΩ；Xs＝1.061 3mΩ。

（2）變壓器：Se＝1 000kVA；Uk%＝4；Pf＝10.3kW。380V時(shí)阻抗數(shù)值：Zt＝5.776mΩ；Rt＝1.487mΩ；Xt＝5.581mΩ。660V時(shí)阻抗數(shù)值：Zt＝17.424mΩ；Rt＝4.487mΩ；Xt＝16.836mΩ。

（3）母線阻抗取以下數(shù)值：Zm＝5.482mΩ；Rm＝0.75mΩ；Xm＝5.43mΩ。

（4）電纜線路：長(zhǎng)度取300m，電纜選用交聯(lián)聚乙烯電力電纜，電纜芯線工作溫度為80℃。

（5）短路保護(hù)的靈敏系數(shù)：根據(jù)《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定，計(jì)算中短路保護(hù)的靈敏系數(shù)取1.3。

1.3.1 電動(dòng)機(jī)采用同一規(guī)格供電線路時(shí)短路保護(hù)靈敏系數(shù)計(jì)算及分析

YB系列電動(dòng)機(jī)在上述計(jì)算條件下計(jì)算結(jié)果如表1所示。從中可以看出，采用同一電纜截面時(shí)，采用380V供電網(wǎng)絡(luò)，電動(dòng)機(jī)很大部分不滿足短路保護(hù)的靈敏系數(shù)要求（表中斜體部分）；而采用660V供電網(wǎng)絡(luò)，電動(dòng)機(jī)基本都滿足短路保護(hù)的靈敏系數(shù)要求。從而說(shuō)明提高供電網(wǎng)絡(luò)電壓，可以提高配電線路短路保護(hù)的靈敏系數(shù)。

表1 同一電纜截面不同電壓靈敏系數(shù)對(duì)比表

從表1可知，660V網(wǎng)絡(luò)有3臺(tái)電動(dòng)機(jī)不滿足短路保護(hù)的靈敏系數(shù)要求，380V網(wǎng)絡(luò)有12臺(tái)電動(dòng)機(jī)不滿足短路保護(hù)的靈敏系數(shù)要求。

1.3.2 按載流量不同電動(dòng)機(jī)采用不同規(guī)格供電線路時(shí)短路保護(hù)靈敏系數(shù)分析

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，提高供電網(wǎng)絡(luò)電壓，同容量電動(dòng)機(jī)的額定電流將下降，如果采用同樣的電纜截面就浪費(fèi)了。

2 線路電壓偏差分析

2.1 理論公式

電壓偏差是供電網(wǎng)絡(luò)中某點(diǎn)的實(shí)際電壓與網(wǎng)絡(luò)額定電壓之差，通常用百分?jǐn)?shù)表示。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)正常運(yùn)行情況下，用電設(shè)備端子處電壓偏差允許值（以額定電壓的百分?jǐn)?shù)表示）宜符合下列要求：電動(dòng)機(jī)為±5%。

引起電壓偏差的主要原因是網(wǎng)絡(luò)中負(fù)荷電流通過(guò)阻抗元件而造成電壓損失，在低壓配電網(wǎng)絡(luò)中，阻抗元件主要是變壓器和線路。在石油化工企業(yè)生產(chǎn)裝置中，由于變壓器阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于線路阻抗，且在運(yùn)行中通過(guò)改變變壓器分接頭可以調(diào)整變壓器二次電壓，保證變壓器在運(yùn)行負(fù)荷情況下二次電壓在網(wǎng)絡(luò)額定電壓以上，故線路電壓偏差滿足規(guī)范要求，網(wǎng)絡(luò)電壓偏差就能滿足規(guī)范要求。電動(dòng)機(jī)回路線路電壓損失計(jì)算公式如下：

式中，ΔU為線路電壓偏差相對(duì)值；Un為網(wǎng)絡(luò)標(biāo)稱電壓（線電壓）；R0為線路單位長(zhǎng)度阻抗值；X0為線路單位長(zhǎng)度電抗值；COS為電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)；I為電動(dòng)機(jī)電流；L為線路長(zhǎng)度；P為電動(dòng)機(jī)功率。

對(duì)于電動(dòng)機(jī)而言，額定電壓為380V或660V，只是改變電動(dòng)機(jī)的接線形式，各個(gè)參數(shù)不發(fā)生變化，即COS、η、Ki、Pe不隨電壓變化。由此可得，線路電壓偏差ΔU與電壓平方成反比，提高電壓將大大降低線路電壓損失；當(dāng)滿足線路電壓偏差ΔU要求時(shí)，輸送距離與網(wǎng)絡(luò)標(biāo)稱電壓（線電壓）Un的平方成正比，提高電壓將大大增加送電距離。

2.2 計(jì)算及分析

計(jì)算條件如下：

（1）電纜線路：長(zhǎng)度取300m，電纜選用交聯(lián)聚乙烯電力電纜，電纜芯線工作溫度為80℃。

（2）路線電壓偏差允許值：根據(jù)《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，線路電壓偏差允許值取5%。

2.2.1 電動(dòng)機(jī)采用同一規(guī)格供電線路時(shí)線路電壓偏差計(jì)算及分析

電動(dòng)機(jī)采用同一規(guī)格電纜截面、不同供電電壓時(shí)電壓偏差比較如表2所示。采用380V網(wǎng)絡(luò)供電時(shí)，電壓偏差最大值為12.3%；采用660V網(wǎng)絡(luò)供電時(shí)，電壓偏差最大值為4.08%。提高供電電壓有利于降低線路上的電壓偏差。

表2 同一電纜截面不同供電電壓的電壓偏差比較表

2.2.2 按載流量不同電動(dòng)機(jī)采用不同電纜截面時(shí)線路電壓偏差計(jì)算及分析

同容量電動(dòng)機(jī)供電電壓不同，額定電流不同；敷設(shè)條件相同時(shí)，電纜截面不同。表3給出了對(duì)應(yīng)的電壓偏差值，其中380V供電網(wǎng)絡(luò)中有6項(xiàng)不符合要求，660V供電網(wǎng)絡(luò)中有3項(xiàng)不符合要求。為滿足電壓偏差要求，需加大電纜截面，降低線路阻抗。

3 660V設(shè)備情況

驅(qū)動(dòng)設(shè)備：YB系列電動(dòng)機(jī)已經(jīng)有適應(yīng)于380／660V兩種電壓等級(jí)的設(shè)備。該系列電動(dòng)機(jī)采用不同的接線來(lái)適應(yīng)不同電壓的要求，三角形接線適應(yīng)于380V供電，星形接線適應(yīng)于660V供電，其他參數(shù)不變。

配電線路及控制元件：石油化工企業(yè)的低壓配電線路采用電纜，我國(guó)電纜的額定電壓為1 000V，控制電纜額定電壓為500V；660V系統(tǒng)中相電壓為380V，控制回路設(shè)備可以設(shè)在380V電壓下工作或單設(shè)控制變壓器。配電線路及控制元件不存在問(wèn)題。

配電設(shè)備及一次元件：電壓配電設(shè)備內(nèi)相間絕緣是靠空氣，加大相間間距可以滿足絕緣要求。電氣元件中合資企業(yè)ABB、施耐德電器公司的低壓元件適應(yīng)多種電壓要求，國(guó)產(chǎn)元件中常熟開關(guān)廠的低壓元件適應(yīng)多種電壓要求。

照明設(shè)備：在石油化工企業(yè)中，為延長(zhǎng)照明設(shè)備的使用壽命，動(dòng)力供電系統(tǒng)與照明供電系統(tǒng)分開。照明采用專用變壓器，照明供電系統(tǒng)可采用380／220V供電。

另外，660／380V供電系統(tǒng)在我國(guó)的其他行業(yè)已有應(yīng)用。

表3 不同電纜截面不同供電電壓的電壓偏差比較表

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在現(xiàn)代石油化工企業(yè)生產(chǎn)裝置低壓供電系統(tǒng)中采用660V供電，在滿足保護(hù)裝置靈敏系數(shù)、線路電壓偏差要求上比380V供電有著明顯的優(yōu)越性，并且可減少網(wǎng)絡(luò)損耗，但在斷流能力上還需做工作。

［1］劉介才.工廠供電［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［2］中國(guó)航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.3版.北京：中國(guó)電力出版社，2005.