張華琳 林 健 廖閩龍

(國網(wǎng)邵武市供電公司,福建 南平 354000)

微小型企業(yè)是小型企業(yè)、微型企業(yè)、家庭作坊式企業(yè)的統(tǒng)稱。近年來,隨著電力市場開放,微小型企業(yè)如雨后春筍般激增,數(shù)量多、分布廣,各種各樣的電力設(shè)備不斷地推陳出新,用電設(shè)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(yè)實際問題,本文通過嚴格的調(diào)查統(tǒng)計,明確其需求,并在文獻研究的基礎(chǔ)上設(shè)計了一種多功能配電箱。

圖1 微小型企業(yè)用戶設(shè)備

1 微小型企業(yè)需求分析

據(jù)統(tǒng)計,2020年4—6月,邵武公司城郊鎮(zhèn)供電所共有236個微小型企業(yè)(包含在78個配電臺區(qū)內(nèi)),所轄微小型企業(yè)共發(fā)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(diào)查發(fā)現(xiàn),目前微小型企業(yè)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(yè)故障原因進行統(tǒng)計,總結(jié)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(fā)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(shè)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(yè)數(shù)量及占比

新冠肺炎疫情暴發(fā)后,越來越多的微小型企業(yè)開始著眼于降本增效,對供電系統(tǒng)的可靠性和電壓質(zhì)量的要求越來越高。但用戶側(cè)未安裝無功補償設(shè)備,導致功率因數(shù)低下,電壓波動雖在國家標準范圍內(nèi),卻仍達不到用戶要求。

如圖3所示,78個配電臺區(qū)的電壓偏差雖然仍處于國家標準范圍內(nèi),但較大波動較大,而微小型企業(yè)的需求也集中于此,即穩(wěn)定電壓。如表1所示,在城郊鎮(zhèn)供電所所轄236個微小型企業(yè)中,累計收到189個微小型企業(yè)要求穩(wěn)定電壓,以保證正常生產(chǎn)需要。因此,改善電壓質(zhì)量已經(jīng)成為當務(wù)之急。

圖3 電壓平均波動情況統(tǒng)計圖

表1 微小型企業(yè)穩(wěn)定電壓申請統(tǒng)計表

針對以上痛點,公司提出降低微小型企業(yè)配電箱總斷路器故障率,降低農(nóng)網(wǎng)低壓臺區(qū)的電壓波動范圍的要求。而通過多方市場調(diào)查,并未找到可以解決需求的產(chǎn)品,現(xiàn)有的技術(shù)和方法并不能滿足此需求。因此,本文設(shè)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(wěn)定電壓波動的多功能配電箱。

2 文獻研究及初步設(shè)計

基于微小型企業(yè)的需求,本文首先研究了已有的文獻、設(shè)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(shè)計理念,將功能不同的區(qū)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(fā)熱量,發(fā)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(wěn)定電壓。

參考上述方法,本文初步提出了兩項創(chuàng)新設(shè)計。一是將不同功能的區(qū)域用中隔板隔開,再通過“總—分斷路器”的方法實現(xiàn)分級分流來降低單位時間內(nèi)通過的電流量,從而降低發(fā)熱量至55℃以下,理論上可以達到降低故障發(fā)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(zhì)量,理論上可以將電壓穩(wěn)定在220V±4%的范圍內(nèi)[4]。

3 設(shè)計目標及方案

3.1 設(shè)計目標

通過調(diào)查和統(tǒng)計明確微小型企業(yè)的切實需求后,本文的設(shè)計總目標設(shè)置為研制出適用于微小型企業(yè)的多功能配電箱,從而實現(xiàn)降低微小型企業(yè)配電箱總斷路器故障率,降低農(nóng)網(wǎng)低壓臺區(qū)的電壓波動范圍。微小型企業(yè)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(yè)配電箱總斷路器故障率;N1為微小型企業(yè)配電箱總斷路器數(shù)量;N2為微小型企業(yè)配電箱總斷路器故障數(shù)量。當前,微小型企業(yè)配電箱總斷路器故障率η為25.85%,根據(jù)設(shè)計要求,需將該數(shù)值降至5%,而基于企業(yè)需求則要將電壓波動控制在220V±4%,即211.2～228.8V范圍內(nèi)。

3.2 設(shè)計目標可行性驗證

3.2.1 無功補償提升電壓質(zhì)量

現(xiàn)場調(diào)查分析發(fā)現(xiàn),大多微小型企業(yè)使用的都是三相異步電機,功率小,數(shù)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(shù)。由式(2)可知,當電網(wǎng)電壓與所需功率一定時,電流的大小與功率因數(shù)成反比。也就是說,功率因數(shù)越大,線路負載電流越小;功率因數(shù)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(guān)所承受的壓力越大,開關(guān)燒毀的概率及導線升溫的概率越大,影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

此外,電網(wǎng)在進行功率傳輸?shù)臅r候,電流會在線路等其他阻抗上產(chǎn)生電壓損耗ΔU,計算公式如下:

(3)

式(3)中,P為線路傳輸?shù)挠泄β?MW);Q為線路傳輸?shù)臒o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(tǒng)的功率因數(shù)則由cosφ提高到cosφ′,視在功率由補償前的S減少到S′。當裝設(shè)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(wǎng)無功功率減少,限制了無功功率在電網(wǎng)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(zhì)量。

圖4 無功補償原理圖

3.2.2 功能分區(qū)分流負荷

以城郊鎮(zhèn)供電所為例,環(huán)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(fā)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(xiàn)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(qū)、無功補償區(qū)、顯示區(qū)等不同功能進行分區(qū)。實際比對后,各元器件均可安裝,空間尚有富余,可正確實現(xiàn)總—分斷路器的安裝。

借鑒配電箱改進的思路,若將功能區(qū)合理進行分區(qū),根據(jù)總?cè)萘窟x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(fā)熱嚴重、接觸不良的問題,當單條線路出現(xiàn)問題時,也不會擴大停電面積,極大降低了故障發(fā)生率。

3.2.3 增添保護提高可靠性

基于以往故障原因的統(tǒng)計分析得知,除總斷路器一帶問題多發(fā)外,故障率高的原因還有保護裝置單一和用戶更新設(shè)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(shè)計方案

綜上所述,本文提出了適用于微小型企業(yè)的多功能配電箱設(shè)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(qū)的設(shè)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(fā)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(xiàn)實時補償,起到提高功率因素、提升電壓穩(wěn)定性的作用。

圖5 多功能配電箱設(shè)計方案示意圖

3.4 多功能配電箱效果驗證

根據(jù)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(shè)計目標。

3.4.1 測試不同電流下斷路器發(fā)熱情況及電壓的穩(wěn)定性

此項測試的標準為220V電壓偏差在±4%,即211.2～228.8V內(nèi),發(fā)熱溫度≤50℃,整體測試合格率>99%。試驗中,將裝置接入電流發(fā)生器,調(diào)整參數(shù)進行20次測試,模擬配電臺區(qū)各種運行狀態(tài),查看偏差情況,結(jié)果如表2所示。

表2 整體測試結(jié)果

測試中,樣機能夠及時正確做出反饋,電壓偏差穩(wěn)定在±4%,即211.2～228.8V內(nèi),合格率100%,發(fā)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(yè)多功能配電箱的實際應用效果,在多次試驗后,按照相關(guān)規(guī)定要求,制定相應的組織措施、技術(shù)措施、安全措施,并經(jīng)安監(jiān)部門、專業(yè)部門同意,于2020年9—11月在城郊鎮(zhèn)供電所所轄236個微小型企業(yè)(78個配電臺區(qū))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(zhèn)供電所所轄區(qū)域微小企業(yè)配電臺區(qū)故障發(fā)生情況如表3所示。

表3 故障原因

在試運行期間,城郊鎮(zhèn)供電所所轄236個微小型企業(yè)(78個配電臺區(qū))共發(fā)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(fā)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(qū)的電壓波動情況進行統(tǒng)計,并與2020年4—6月的數(shù)據(jù)進行對比,結(jié)果如圖7所示。由圖7可知,在試運行期間,城郊鎮(zhèn)供電所所轄236個微小型企業(yè)(78個配電臺區(qū))內(nèi),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(nèi),充分證明了該裝置的有效性。

圖7 試運行前后電壓波動數(shù)據(jù)對比

綜上,微小型企業(yè)配電箱總斷路器故障率得到明顯的降低,電能質(zhì)量也得到了改善。

4 結(jié)束語

本文基于調(diào)查統(tǒng)計,切實響應微小型企業(yè)對于電力系統(tǒng)可靠性、電能質(zhì)量的要求,設(shè)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(qū)和增添保護三種措施,實現(xiàn)降低微小型企業(yè)配電箱總斷路器故障率,降低農(nóng)網(wǎng)低壓臺區(qū)的電壓波動范圍的目的。試運行結(jié)果也表明,使用樣機后能夠明顯降低微小型企業(yè)配電箱總斷路器故障率,提升電能質(zhì)量。

同時,本文所設(shè)計、制造的多功能配電箱兼具經(jīng)濟效益、社會效益和技術(shù)管理效益等,加之安裝便捷、可靠性高等優(yōu)點,可廣泛應用于微小型企業(yè)的配網(wǎng)臺區(qū)。