工厂供配电系统设计的基本原则及要点分析研究

郝昱磊

(华陆工程科技有限责任公司，陕西 西安 710065)

1 概 述

高效清洁、容易控制和便于转换是电能独特的优点，生产生活的各个领域都离不开电能。近年来，我国工业产业发展迅猛，需要更加充足、可靠的电力能源供应，同时，各类工厂规模日趋集中化、大型化，生产工艺流程逐渐多样化、复杂化，工厂供配电系统也随之变得更加复杂，一旦供配电系统出现问题，就会影响整个系统，导致供电系统故障，严重时直接影响到工厂设备及人员安全，所以工厂对供配电系统的本质安全、成本控制、电能质量等方面都有了更高的要求。在设计工厂供配电系统时，要尽可能把握设计原则，统筹技术要点和经济指标，科学合理地制定设计方案，从而保障工厂平稳可靠运行，高效生产。

2 工厂供配系统设计的基本原则

(1)合法合规原则。供配电系统设计必须严格执行国家相关法规、规范和有关方针政策。

(2)满足需要原则。供配电系统应符合工厂用电负荷等级，承受工厂生产设备设施的用电功率，满足工厂生产工艺安全稳定的电能质量，兼顾生活用电需求。

(3)安全可靠原则。供配电系统应能在正常情况下，连续、可靠地向工厂各个区域进行供电，并能根据工厂各区域用电量的差异，进行不同程度的调度。同时有特殊生产要求的工厂，如玻璃制品工厂、化工厂、钢铁厂等，设备运行需要保证不间断的供电需求。在遇到设备检修或故障时，能快速中断对故障设备供电，从而使工厂设备及工作人员的安全得到有效保障，减少对工厂造成影响和损害。

(4)经济节能原则。通过系统性的设计和对关键技术节点的把控，使整个供配电系统结构清晰简单，操作简便快捷，工程造价合理，减少能源损耗，在进行设备选型、材料选定时，要考虑后期运营维护成本，降低费用。

(5)持续发展原则。供配电系统设计要全面考量行业发展前景、技术发展趋势、工厂发展规划，在工厂近期用电需求得到满足的基础上，还要兼顾工厂将来扩大规模、引进新工艺、新设备的需要。

3 工厂供配电系统设计要点分析与研究

3.1 用电负荷等级及负荷量

应根据工厂类型及性质、供电可靠性需求及国家相关法律法规、政策要求来确定工厂用电负荷等级。

GB 50052—2009《供配电设计规范》提出根据断电后果的严重程度，将负荷等级分为一级负荷、二级负荷、三级负荷。不同负荷等级的工厂对供电安全可靠性的要求不同，在设计时要严格按照规范要求进行设计。

应根据工厂实际需求来确定工厂用电负荷。供配电系统设计中最重要的一项基础数据就是工厂用电负荷，工厂设备设施以及导线的规格型号的选择与确定都受到负荷计算的影响。只有正确进行负荷计算才能合理选择设备、电缆等电气设备设施。

需要系数法、二项式法是近年来国内主要使用的2种计算负荷量方法，后来又发展出新需要系数法和新二项式法，新的计算方法计算更加简便，结果更加精确[1]。

3.2 主接线方案

电气主接线主要有有母线的主接线和无母线的主接线2种形式[2]。表1是电气主接线方式的主要形式和优缺点对比。

表1 电气主接线方式的主要形式优缺点对比及适用范围

主接线是整个供配电系统的源头，决定着供配电系统的可靠性，对供配电系统的稳定性、灵活度、经济性也有重要意义，在设计时要充分考虑投资运营成本、日常运行维护操作、设备故障影响以及减少后期改造的情况，选择合理的主接线方式。

3.3 短路电流计算

短路故障是电力系统故障中常见的一种故障类型，会造成局部乃至全厂设备断电，甚至可能导致设备烧毁损坏和电气火灾，后果十分严重，所以在供配电设计中要高度重视短路电流计算。

标么值法和欧姆法是常用的计算短路电流方法。标么值法用在高压供电系统中；欧姆法用在低压供电系统中[4]。不同时刻的短路数据可以应用于电气设备及导线的校验项目，例如正确选择和校验电气设备、导线，正确选择和整定继电保护装置，确定系统中性点接地方式，确定接地装置的设计等。

3.4 电气设备选型

选择电气设备时，需要考虑其额定电压、额定电流、动稳定性、热稳定性及断流能力等基础性能以及设备运行环境情况，如温度、湿度、风速等气候条件[5]。

表2给出了关键设备的选择条件的和校验项目。同时还要考虑到电动机等供电设备在使用过程中可能出现的感应磁场引起的电能损耗，选择合理的电气设备和电缆，使电能损耗降低。

表2 主要电气设备的选择和校验项目

3.5 中性点接地方式选择

电力系统中性点接地主要是用来保障供配电系统稳定及相关设备的安全，其影响范围广，可能会扰乱继电保护装置的选择性，降低配电系统的过电压水平，影响保护整定，造成人员触电，影响通信等[6]。中性点接地方式分为中性点有效接地和中性点非有效接地(如图1所示)，这2种接地方式各有优缺点，前一种接地系统故障电流大，接地线路比较容易被发现，但故障会使线路跳闸，供电可靠性较差；后一种接地系统故障电流较小，对系统电压影响不大，用户可短时间内继续运行，供电可靠性高，但不容易发现故障点[7]。单项接地故障问题是设计中性点接地方式时要重点关注的一点，应解决好因单项接地故障问题产生的跨步电压和接触电压及其对设备绝缘、设备通讯的影响，在设计中性点接地方式时，进行系统性考量，最大程度地降低单项接地故障产生的不良后果，减少运行费用及安全风险。

图1 中性点有效接地和中性点非有效接地

3.6 继电保护

工厂运行时间增加，设备及其运行环境也会变差，操作人员也会产生懈怠心理，出现误操作的行为，使得电气故障和非正常运行状态时有发生，而供配电系统又是一个互联互通、互相影响的整体，一处故障可能会造成整个工厂停止运行。继电保护装置能够将系统内的这些非正常状态指示出来并进行有效控制，迅速切除故障，减小故障的影响。为满足上述的要求，继电保护装置必须具有反应灵敏、动作迅速、选择切断等可靠性质。应根据工厂继电保护的设备要求配置继电保护方案，以达到经济、可靠的要求。

图2 继电保护示例

3.7 工厂防雷

雷击是工厂较为常见的一种事件，一旦遭受雷击，其后果往往较为严重，可能会导致电气设备失灵、损坏，甚至会使工作人员遭到雷击。因此，应将防雷设计作为供配电系统设计的一个重点，在设计阶段就应当考察当地气象材料，了解周边雷击事故案例，合理布置防雷设施。

工厂供配电系统的雷击防护主要包括直击雷的防护和雷电波侵入的防护。

防范直击雷主要使用避雷针(线)。在避雷针设计时应重点注意以下两点。

(1)避雷针(线)的保护范围。通常使用滚球法来计算，所有需要被保护的建筑和设备都应该包含在保护范围内。

(2)防雷装置与被保护物之间的安全距离。如果两者之间距离过近，被保护物就会因雷电在接地体上产生的高电位反击，造成次生损害。GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范要求》给出了防雷装置与被保护物之间安全距离(如图3所示)的计算公式，通过计算可以得到所需的安全距离，但最小不得小于3 m。

图3 防雷装置至被保护物的间隔距离

防止雷电波侵入主要使用避雷器。避雷器的类型主要有管型避雷器、阀型避雷器及金属氧化物避雷器。在选择避雷器时，应仔细了解避雷器的特性参数，选择合适的规格型号，采用并联的方式安装在靠近被保护装置的地方。金属氧化物避雷器与传统的避雷器相比，具有结构简单、安装方便、防护特性好等许多优点，被广泛用于各类电气设备的防护[8]。

3.8 应急电源

一些高危行业的工厂以及一、二级负荷等级的企业，在工厂事故停电状态时，可能会导致设备损坏，甚至会导致火灾、爆炸乃至人员伤亡[9]。例如，蒸汽锅炉在运行时，突然遭遇停电，所有相关设备、仪表都不能正常使用，如果操作不当或不及时，可能会造成锅炉报废甚至爆炸的严重后果。因此应急电源是保障工厂安全生产的最后一道防线，必须予以高度重视。但目前部分企业对应急电源的配备还存在不少隐患，如在事故停电状态下不能迅速启动或切换，应急电源的容量达不到要求的供电时间，需要接入应急电源的设备未接入等。GB 50052—2009《供配电系统设计规范》也对应急电源的设置提出了明确要求。常用应急电源主要有：发电机组、备用供电线路、蓄电池等，在设计时可根据不同设备、允许中断供电时间的要求选用不同的应急电源。

表3 应急电源适用的允许中断供电时间及供电对象

4 结 语

科学合理的工厂供配电系统对工厂是否能够安全可靠、高效平稳、经济环保地运行起到了至关重要的作用，也是工厂最基本的需求，本文总结了供配电设计中的基本思路、基础工作和关键技术要点。

(1)要把握好设计原则。设计方向正确，方案会更加符合实际需要。

(2)重视负荷量、短路电流、防雷保护范围及安全间距等基础数据、关键数据的计算及精度。计算负荷量时，设备多，功率差别小，采用新需要系数法，设备少、功率差别大，采用新二项式法；计算短路电流时，在高压供电系统中采用标么值法，在低压供电系统中采用欧姆法；计算防雷保护范围采用滚球法，计算防雷安全距离可查阅防雷设计规范公式。

(3)关注继电保护、中性点接地、应急电源等在系统故障状态下的保证设备、人员安全的防护措施的设计，同时日常使用中应加强维护，确保各项措施完好有效。

(4)在选择主接线方式、设备选型时，不但要考虑设计方案的可行性，还要关注投入运行后的运行维护操作的经济性和便捷性。