浅谈节能型低压配电系统设计

陈伟权

摘 要：在节能理念深入人心的今天，节能型的配电系统越来越受到重视。根据低压配电的特点，介绍了低压配电系统的节能类型和广义节能的措施和必要性，并探讨了低压配电系统短路保护工程中与广义节能相关的设计，以为相关类型的设计提供参考。

关键词：低压配电；电气设备；节能设计；输配电损耗

中图分类号：TM76 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.20.118

随着社会经济的迅速发展，电气设备越来越多，配电技术性能日趋复杂，人们对配电系统低耗能的用电服务有了更高的要求。如果低压配电系统在设计施工中出现误差，将会产生安全隐患。因此，设计节能型配电系统十分必要，而广义节能作为节能方式类型中更为全面的一种，将逐渐占据主导地位。

1 节能型低压配电系统概述

1.1 节能与全生命周期节能

节能类型分为狭义节能和广义节能两种。狭义节能是指直接看得见的节能，或者说是有形的节能。这里的“有形”或者“直接看得见”的含义可以直接用能源消耗量（例如多少吨煤或油）或能量消耗量（例如多少度电）来统计或计量。这一概念考虑的范围较小，不全面。广义节能是指完全的节能，它既包括直接的、看得见的节能，又包括间接的、看不见的节能。对于配电系统来说，这种完全的节能更加重要。这里无形的能源消耗很难简单地用能源消耗量来统计或计量，尤其是在系统全生命周期范围内的节能。

1.2 配电系统的耗能与节能

1.2.1 输配电损耗

输配电损耗包括供电源与配电点之间输送电力以及向消费者配送电力过程中产生的损耗。

1.2.2 经济电流法介绍

电缆截面的选择既要考虑经济性，又要考虑功能性。导体的截面偏小，则线路初始投资较小，但线路损耗较大；导体截面偏大，则线路损耗降低，但会增加线路的初始投资。

1.2.3 经济电流法的局限性

依据商业、办公、住宅等类型的民用建筑的用电特点，其年最大负荷运行时间与工业行业相比要小得多，年最大负荷损耗小时t也小得多。由经济电流密度j的计算公式可知，经济电流截面随着t的增加而增加，并随用电价格的增加而加大。

1.3 推广广义节能概念的必要性

对于配电系统来说，如果经过系统设计的优化，降低了配电系统的电能损耗，节约了若干千瓦时电，这个数字就是狭义节能的数字。而与此同时，此种系统优化采用的措施（例如加大电缆截面、采用更复杂的设备）也是在开采、冶炼、加工和运输等的一系列环节中都需消耗一定的能量而获得的，它应当与某个

数量的能源等价。另外，在设计中降低了材料（例如铜材）的使用量，这个部分的节能效果则体现在减少了开采、冶炼、加工和运输等一系列环节中消耗的能量，因此也相当于节能。采用不同的配电系统所付出的设备安装、后期维护的劳动力也是不同的，此部分劳动力以劳务费来体现，但是工作人员得到的劳务费系用于衣、食、住、行，进而与能源消耗间接挂钩。

2 短路保护（热稳定）校验与广义节能

下面介绍短路电流大小、切断短路电流时间与电缆（导线）截面选择的对应关系。

2.1 热稳定校验的必要性

《低压配电设计规范》（GB 50054—2011）第6.2.1条要求，“配电线路的短路保护电器应在短路电流对导体和连接处产生的热作用和机械作用造成危害之前切断电源”。

《电力工程电缆设计规范》（GB 50217—2007）第3.7.7条要求，“对非熔断器保护回路，应按满足短路热稳定条件确定电缆导体允许最小截面”，第3.7.8条要求，“短路点应选取在通过电缆回路最大短路电流可能发生处”。

随着经济的发展，新建项目规模越来越大，其配电变压器容量普遍较大，由低压柜配出线路的短路电流自然也较大。因此，热稳定校验是低压配电设计中普遍面临的问题。

2.2 短路切断时间与电缆选择的关系

《低压配电设计规范》（GB 50054—2011）第6.2.3条规定，“当短路持续时间小于等于5 s时，绝缘导体的截面积应符合本规范公式3.2.14中的要求……短路持续时间小于0.1 s时，校验绝缘导体截面积应计入短路电流非周期分量的影响”。

校验式为：

S≥ . （1）

公式（1）中：S为导体截面积，mm2；I为三相短路电流有效值，A；t为短路电流持续作用时间，s；K的取值有两种——PVC绝缘电缆，K=115；XLPE绝缘电缆，K=143.

即KxSx（导体热承受能力）>Ixt（短路电流的热效应）。当断路器切断时间较长（同样通过断路器的短路电流的热效应较大）时，相应的导体截面要求也越大。

未采用快速开断及限流断路器时，短路电流大。当断路器切断时间较长（同样通过断路器的短路电流的热效应较大）时，相应的导体截面要求也越大。例如某短路点三相短路电流为48 kA，选择YJV电缆，K取143，断路器短路开断时间取20 ms，按导体热稳定计算，则S=48×1 000× /143=47.5 mm2。

采用快速开断和限流断路器时，短路电流大小与导体截面选择和全周期耗能的关系。当断路器切断时间较短（允许通过断路器的短路电流的热效应受到限制）时，相应的导体截面要求就大为降低。例如应用某具有限流作用的断路器时，由其热应力限制曲线查得其Id=50 kA处It<7×105（A2s），再次计算，得出S> /143=5.4 mm2。因此，通过采用具有快速开断并具有限流作用的断路器，使断路器保护下的配电导体尖峰电流（kA峰值）和通过能量I2dt都得到降低，并合理减小配电导体截面，达到节材、节能的目的。

3 短路保护校验与低压配电系统的广义节能

短路电流大小、断路器脱扣特性与电缆（导线）截面选择的对应关系。按照《低压配电设计规范》（GB 50054—2011）第6.2.4条的要求，“短路电流不应小于低压断路器瞬时或短延时过电流脱扣器整定电流的1.3倍”。

对于TN系统的低压网络，单相接地故障电流Id（1）可用下式计算：

. （2）

公式（2）中：R2php、X2php为短路电路的相保电阻、相保电抗，mΩ。

在工程设计中，采用过电流保护电器兼作接地故障保护时，需根据电缆末端接地故障电流Imin判断过电流保护是否能可靠分断，满足要求。对于长距离电缆配电，电缆线路末端短路电流过小，采用普通的热磁脱扣器时，由于热磁脱扣型断路器瞬时分断由电磁脱扣器完成，长延时分断由热脱扣器来完成，因此其短路动作电流倍数往往不可调或倍数较大，达不到保护灵敏度的要求。

不采用短延时技术时，配电距离与电缆（导线）截面选择和广义节能关系。常用微型断路器脱扣曲线为B＼C＼D曲线，其中，B型脱扣曲线脱扣电流为3～5 In、C型脱扣曲线脱扣电流为5～10 In、D型脱扣曲线脱扣电流为10～14 In。表1为采用

微型断路器时，满足短路保护灵敏度的配电距离与导体截面的选择关系。

计算不采用具有短延时功能的电子脱扣器的塑壳断路器（其电磁脱扣器瞬动倍数按10倍取值）配电距离与导体截面的选择关系。

采用短延时技术时，短路电流大小与电缆（导线）截面选择和广义节能关系。下面讨论采用具有短延时功能的电子脱扣器的塑壳断路器（以短延时倍数5倍为例）配电距离与导体截面的选择关系。

由于所采用计算公式的线性特点，当配电线路电缆截面不变（即单位长度阻抗不变），而上级断路器短路脱扣电流由I1减小为I2时，相应的出线电缆最大供电半径R2max按下式换算即可：

R2max=R1max×l1/l2. （3）

例如5×16电缆对应Is=500 A断路器，Is=10 In电磁脱扣器的最大供电半径为102 m，则由公式（3）可简单计算出5×16电缆对应Is=300 A断路器（Is=6 In电磁脱扣器）的最大供电半径为R2max=102×500/300=170 m。即采用带短延时脱扣器的断路器时，能显著增加相同截面导体满足短路保护（灵敏度）的供电距离。针对配电距离较长的电缆配电回路，如果所选的电缆截面已满足电压偏差和热稳定要求，可采用此方式在满足短路保护的条件下通过节省材料消耗有效减少总费用，由此达到节能的目的。

4 结束语

综上所述，电力是一种应用面广、使用方便的能源，在整个节能工作中具有重要的地位。在设计时，合理选择方案、合理选用用电设备和加强其他节能措施对节约电能是十分重要的。对此，发展节能型低压配电系统势在必行，而广义节能这种在系统全生命周期范围内的节能方式更应得到大力推广。

参考文献

[1]雷葵叶.浅谈某中心商场低压配电系统设计[J].广西城镇建设，2005（11）.

[2]孟琦，蔺海峰.通信局用低压配电系统设计方案[J].通信管理与技术，2010（05）

〔编辑：王霞〕