玻璃生产线中工业厂房供配电设计原则

张 丽

(中国建材国际工程集团有限公司，上海 200063)

1 配电设计负荷分类及供电需求

在供配电设计中，电力负荷分类要根据供电可靠性要求、供电中断对人身安全造成的影响以及经济损失的不同，将负荷分为三类。若满足中断供电将引发人身伤害、用电单位生产中断及严重经济损失的负荷视为一级负荷。对于一级负荷，我们通常考虑双回路电源供电来满足其供电可靠性的要求。此外，一级负荷中，供电中断会引起人身伤亡、中毒、火灾或重大设备严重损坏以及特殊场所不能断电的负荷，则要视为一级负荷中特别重要负荷，比如生产电源中断时停产处理所需的应急照明、通信以及自动控制装置等[1]。对于一级负荷中特别重要的负荷，我们可以专门设置不间断电源来提高该类用电负荷的供电可靠性，同时，严格禁止其他负荷接入，并且，供电电源切换时间必须符合标准。二级负荷是指中断供电可能影响重要用电单位工作及造成较大程度经济损失的用电负荷。除一、二级负荷以外的负荷属于三级负荷。对此，通常考虑单回路电源供电即可。为确保应急电源的专用性，其与正常电源间要进行防并列运行处理，比如应用机械或电气互锁等方式来保证当电源故障后，应急电源不会出现向正常电源倒送电的情况。同时还需防止继电器有可能误动而造成应急电源与正常电源误并网。

2 配电设计低压电器选择及线路保护

对于玻璃生产线配电设计来说，还需要考虑一个安全因素即低压配电线路保护及低压电器的选择。低压电器是用于额定电压交流1 000 V或者直流1 500 V以下回路中起保护、控制、调节、转换和通断作用的电器。我们需要根据工作条件、保护选择性、使用环境等多方面的因素结合去选择可靠的低压电器来确保配电线路通断不会陷入异常。低压配电线路是电力传输中不可或缺的媒介，其危险事故发生率极高，大大地增加了低压配电系统发生安全事故的频率。应按GB50054—2011《低压配电设计规范》的要求装设过负荷和短路保护以及故障防护，用以发出故障报警信号并且及时通断电流。过负荷保护是指保护电器在过负荷电流引起导体周围元器件受损前，分断该电流。短路保护是指保护电器在短路电流对导体及相连结处由于热效应烧毁电路前，对此电流进行分断。保护选择性以电力系统中的各种自动保护装置为保护对象，如果电力系统发生故障，那么，故障点处的保护设备将动作，其上级保护设备不发生动作，此处包含完全与部分选择性两种情况。对于电力系统，往往出现在线路发生故障时，电源侧保护器在负载侧保护器动作前误动，无法精准切断问题负荷的情况。故对于一个安全可靠的配电系统来说，低压配电线路上下级保护电器须有选择性的动作，各级之间应能协调配合，使得出现故障时，仅靠近故障点的电路断开，停电范围最小。如断路器的保护性选择及时间选择上，下、上级断路器的脱扣时间有所延时，做到下级断路器优先脱扣。短路保护电流的整定值比值>1.5； 能量选择性上，如果检测到大短路电流存在，下级断路器可以做到迅速限流，使上级断路器的电能可供其脱扣，断路器的电流比>2.5[2]。 故选择合适的低压电器以及有效的上下级配合，对于保证供电线路的可靠性来说非常重要，即使发生事故，也可以尽量提高人身安全，减少企业经济损失。

3 配电设计节能措施

在满足供电需求安全可靠的前提下，应采取有效的节能措施。在进行准确的负荷计算后，按电源及负荷特点合理确定变电所(站、室)的位置，配置无功功率补偿，选择节能型电气设备。首先，应该尽量让变电所(站)位置靠近负荷中心，在保证负荷供电需求的前提下，做到尽可能减少变压器级数，缩短供电半径，可以避免多次压降。目前设计的大部分玻璃生产线项目一般不超过3级压降即35/10/0.38 kV或者110/10/0.38 kV。同时在低压配电过程中，不可避免地存在单相负荷，如果出现单相不平衡或者单相负荷不同期的现象，会造成变压器中性点偏移，最终造成各项电压不平衡，降低了供电质量，还带来了较大的电能损耗，故在配电设计过程中，应进一步优化供电分配从而实现能耗降低的目的。节能节电对于提高功率因数是至关重要的。对于输电线路来说，在线路电压和所输送的有功功率P一定的情况下，提高电力线路输送负荷的功率因素，可以减少线路损耗。对于变压器来说，提高变压器二次侧的功率因素，可以减少变压器的铜损，增加发配电设备的供电能力，减小线路的截面及变压器容量，节约设备投资。对于玻璃生产线这类工业用户，国家电网要求功率因素应大于0.9，在35～220 kV变电站中，在主变压器最大负荷时，一次侧功率因素要在0.95及以上，在低谷负荷时，则满足功率因素在0.95及以下。10 kV电压等级额定容量30～2 500 kVA干式配电变压器能效等级按GB20052—2013《三相配电变压器能效限定值及能效等级》规定，能效等级分为3级，1级能效最低，3级能效最高。在工程设计中选择变压器时，多选择空载损耗和负载损耗能效为2级或者1级的变压器。

4 配电设计原则在玻璃生产线上的实际运用

根据以上工业厂房配电设计原则，结合玻璃生产线的工艺特性，以及多个不同项目案例的实际经验，关于玻璃工业厂房配电设计，总结了以下的设计心得。

4.1 玻璃生产线配电设计中变压器选择

通常由上级供电电源点的两段母线上分别配出两路10 kV电源到联合车间变电所及公用变电所,对于变压器的容量选择采取“N-1”原则,即当其中一路发生故障时,另一路可以带起全部生产用所需负荷，这对于整个厂区配电需求的可靠性来说得到了满足。并且，根据业主要求及项目实际情况，部分生产线还会设置柴油发电机组作为备用电源可以满足突发情况下的保窑或者保生产需求。考虑到玻璃工艺生产状况及工艺性质，往往设备装机容量较大,但正常生产时实际运行负荷较轻,只在30%左右。如果选择过大变压器容量，这样增加了不需要的经济投资，为此进行了深入地探讨研究。经过长期监视、测控玻璃生产线上各变电所变压器的运行方式和运行负荷,综合分析对比后，提出以下措施：在联合车间两侧辅房的中间位置设置车间变电所，使其尽量位于整个生产线的负荷中心，缩短了供电半径，提高供电的可靠性，减少了缆线成本，方便施工。其次，对于变压器数量和容量的选择，考虑到只有在烤窑期间、或者突发锡槽断板或满槽事故时、再或者8 年左右一次冷修期时，才会开启锡槽电加热对锡槽加温，此时会接近满负荷运行，故在此情况下，变压器容量无需互为备用，只有当正常生产时，才考虑变压器互为备用的情况。这样的考虑可以大大减少变压器的不必要投入，降低了投资成本，在保证供电需求的情况下，充分地利用了变压器的容量。由于玻璃生产线上大部分的用电设备均为感性，时常出现功率因素过低的情况，在用电设备的功率因素不满足要求时，采用无功补偿是提高功率因素最好的办法。通常我们会在35 kV/10 kV及变压器低压侧设置无功补偿。微机控制的低压补偿电容器柜，根据无功负荷波动情况，对投入的电容器组数量实时改变调整，从而实现跟踪补偿，使得各配电变压器低压负荷总功率因素提升，能在一定程度上降低配电网和配电变压器的能耗损失，使得负荷侧的电压水平提升，达到较为理想的补偿效果。

4.2 玻璃生产线配电设计中导线、电缆选择

为了确保工业厂房供配电真正处于安全稳定的运行状态，应重视电缆和导线的选择，须充分考虑到供配电线路的温升条件、电损程度、电缆抗损强度、允许的电压降落、敷设环境、敷设方式和负载保护等多方面因素。一般情况下，配电线路都会先按照发热情况来选择截面，以确保导体的实际工作温度不会超过允许值，导体按发热条件的允许长期工作电流(或称载流量)不应小于线路的工作电流。在选择完截面以后再校验机械的强度和电压损耗程度。此外，对于用电设备电子端来说，若电压偏离额定值时，其性能将大大受到影响，比如一些风机水泵可能出现无法正常启动的情况。所以，对于一些较远距离的配电线路来说，还需要考虑其电压降落，可以适当放大电缆的截面积来减少线路上的电压损耗。另外，在一些特定场所，还需要用一些特殊材质的电缆，如在火灾危险场所，我们需要改用耐火电缆、阻燃电缆等来进行敷设。在电缆直埋地敷设时，当有可能承受较大电压或者存在机械损伤危险时，应采用钢带铠装电缆或者铝合金连锁铠装电缆。只有选择合适的电缆，方能保证供配电线路可靠传输，工业厂房才能安全生产。

4.3 玻璃生产线配电设计中防雷接地措施

为防止或者减少由于雷击对于工业厂房产生的人身伤亡和财产损失，以及雷击电磁脉冲引发的电气和电子系统的损坏，应该因地制宜地对工业厂房及建筑物采取防雷措施。根据建筑物的重要性、使用性质、发生雷击事故后可能性的不同，对于第一、二、三类防雷建筑物分别采取不同的防雷措施[3]。对于彩钢屋面的建筑物，宜利用屋面彩钢板本身作为接闪器，对于混凝土屋面，则需要在屋面敷设接闪带，其形成的网格尺寸需满足相关规范值。利用建筑物结构钢立柱或者混凝土立柱中两根直径不小于φ10的主筋作为引下线，并采用建筑物的钢筋基础做环形接地体。防雷和电气接地共用基础接地体时，接地电阻要符合国家标准，当实际测量的电阻值不符合标准要求时，则要加设人工接地极。此外，对于存贮、输送易燃气体或液体的罐体及管道，须作防静电接地处理，接地电阻也应该符合相关专业的国家规范值。此外，当有低压电源进线从户外引来时，该进线柜必须装设电涌保护器[4]。

5 结 论

近几年来玻璃生产线新建数量迅猛增长，遍布在中国各地,且大部分业主多为先进企业。在玻璃工业不断进步的同时,对电气设计的要求也越来越高,大部分业主对于电气设计提出了安全、节能、高效、智能化等多方面要求。如上所述，工业厂房供配电系统设计是一项涵盖多领域知识的重要综合性设计工作，要求设计者在日常项目中仔细观察，反复对比，不断优化供配电系统设计，真正实现一次投资及后续环节成本最小化，最大化地减少供配电损耗，确保工厂的产品平均耗电量达到最低水平，更好地满足企业持续稳定发展的需求。