新型多功能配电箱优化设计与试验验证

张华琳 林 健 廖闽龙

(国网邵武市供电公司,福建 南平 354000)

微小型企业是小型企业、微型企业、家庭作坊式企业的统称。近年来,随着电力市场开放,微小型企业如雨后春笋般激增,数量多、分布广,各种各样的电力设备不断地推陈出新,用电设备种类繁多,所需用电负荷也在日益增长(图1)。为切实解决企业实际问题,本文通过严格的调查统计,明确其需求,并在文献研究的基础上设计了一种多功能配电箱。

图1 微小型企业用户设备

1 微小型企业需求分析

据统计,2020年4—6月,邵武公司城郊镇供电所共有236个微小型企业(包含在78个配电台区内),所辖微小型企业共发生61起配电箱总断路器故障引起的停电事件,平均停电时长40min,较长且相对频繁的停电时间引起了用户投诉,影响公司供电可靠性指标。

通过调查发现,目前微小型企业广泛使用的是三相四线配电计量箱,其表后均只有简单的三相断路器。对微小型企业故障原因进行统计,总结其主要故障原因如下:

一是箱中一个断路器对应多条出线导致跳闸没有选择性,小故障因容量较大无法跳闸,故障扩大后跳闸导致所有出线一起失电;二是配电箱中同一断路器并线过多,在负荷过大引起断路器发热、触点氧化及接触不良的普遍情况下,极易导致断路器过热烧毁;三是用户设备增加,负荷增大,无申请报备增容,三相负荷分配不均;四是用户电机漏电、电源线或者绕组瞬时短路,导致断路器跳闸(图2)。

图2 不同故障类型企业数量及占比

新冠肺炎疫情暴发后,越来越多的微小型企业开始着眼于降本增效,对供电系统的可靠性和电压质量的要求越来越高。但用户侧未安装无功补偿设备,导致功率因数低下,电压波动虽在国家标准范围内,却仍达不到用户要求。

如图3所示,78个配电台区的电压偏差虽然仍处于国家标准范围内,但较大波动较大,而微小型企业的需求也集中于此,即稳定电压。如表1所示,在城郊镇供电所所辖236个微小型企业中,累计收到189个微小型企业要求稳定电压,以保证正常生产需要。因此,改善电压质量已经成为当务之急。

图3 电压平均波动情况统计图

表1 微小型企业稳定电压申请统计表

针对以上痛点,公司提出降低微小型企业配电箱总断路器故障率,降低农网低压台区的电压波动范围的要求。而通过多方市场调查,并未找到可以解决需求的产品,现有的技术和方法并不能满足此需求。因此,本文设计研制了一种拥有选择性、不会导致断路器过热烧毁、能够稳定电压波动的多功能配电箱。

2 文献研究及初步设计

基于微小型企业的需求,本文首先研究了已有的文献、设计方法等。吴锦虹等[1]提出了新型户外低压综合配电箱的设计理念,将功能不同的区域做隔室处理,采用分流方法来降低单个空开的负荷电流,降低发热量,发热量可降低至55℃以下;MOLDOVAN 等[2]提出了利用电容器无功补偿来提升电压,降低线路无功负荷的方法,提升功率因素,可有效稳定电压。

参考上述方法,本文初步提出了两项创新设计。一是将不同功能的区域用中隔板隔开,再通过“总—分断路器”的方法实现分级分流来降低单位时间内通过的电流量,从而降低发热量至55℃以下,理论上可以达到降低故障发生率的效果[3];二是利用并列电容器的方法来进行无功补偿,并列电容器降低线路的无功功率,从而提升视在功率,提高供电质量,理论上可以将电压稳定在220V±4%的范围内[4]。

3 设计目标及方案

3.1 设计目标

通过调查和统计明确微小型企业的切实需求后,本文的设计总目标设置为研制出适用于微小型企业的多功能配电箱,从而实现降低微小型企业配电箱总断路器故障率,降低农网低压台区的电压波动范围。微小型企业配电箱总断路器故障率计算公式如下:

(1)

式(1)中,η为微小型企业配电箱总断路器故障率;N1为微小型企业配电箱总断路器数量;N2为微小型企业配电箱总断路器故障数量。当前,微小型企业配电箱总断路器故障率η为25.85%,根据设计要求,需将该数值降至5%,而基于企业需求则要将电压波动控制在220V±4%,即211.2～228.8V范围内。

3.2 设计目标可行性验证

3.2.1 无功补偿提升电压质量

现场调查分析发现,大多微小型企业使用的都是三相异步电机,功率小,数量多,其电流计算公式如下[5]:

(2)

式(2)中,I为电机运行电流;P为电机运行功率;U为交流电压;cosφ为电机功率因数。由式(2)可知,当电网电压与所需功率一定时,电流的大小与功率因数成反比。也就是说,功率因数越大,线路负载电流越小;功率因数越小,线路负载电流越大。线路负载电流越大,导致线路导线及开关所承受的压力越大,开关烧毁的概率及导线升温的概率越大,影响电网的安全稳定运行。

此外,电网在进行功率传输的时候,电流会在线路等其他阻抗上产生电压损耗ΔU,计算公式如下:

(3)

式(3)中,P为线路传输的有功功率(MW);Q为线路传输的无功功率(Mvar);R为线路的电阻(Ω);UN为线路的额定电压(kV)。由式(3)可知,在电阻R和电抗X确定的情况下,电压损耗取决于输送无功功率的大小。如果需要输送的无功功率过多,则线路电压可能超过允许值,就会引起用户端电压偏低[6]。

如图4所示,感性负荷需要从电源中得到的无功功率为Q,在安装了无功补偿装置以后,由无功补偿装置提供的无功功率为Qc,则电源输出的无功功率就减少到Q′=Q-Qc,系统的功率因数则由cosφ提高到cosφ′,视在功率由补偿前的S减少到S′。当装设补偿电容后,线路的压降ΔU公式如下:

(4)

式(4)中,Qc为无功补偿装置提供的无功功率。由式(4)可知,当采取无功补偿措施以后,由于电网无功功率减少,限制了无功功率在电网中的传输,也减少了线路电压的损耗,提高了用户用电的电压质量。

图4 无功补偿原理图

3.2.2 功能分区分流负荷

以城郊镇供电所为例,环城配变配电箱断路器上共计接入了5条支路,不仅接线驳杂、铜铝混接,过多的接线还导致接入位置压合不均,相对接触面积小。在用电高峰时输出电流大,导致发热量过高引起断路器接头烧毁,进而导致整个配电箱烧毁,造成无法正常供电。当单条线路出现问题时,会跳开总断路器,导致所有支路失电,扩大了停电面积。

针对此类问题,本文在一个长宽高为110cm×45cm×80cm的标准配电箱中按保护区、无功补偿区、显示区等不同功能进行分区。实际比对后,各元器件均可安装,空间尚有富余,可正确实现总—分断路器的安装。

借鉴配电箱改进的思路,若将功能区合理进行分区,根据总容量选择使用多个适当电流大小的断路器,每个断路器各带一条线路,这样不仅可以解决多线路接入同一断路器导致的负荷电流大、发热严重、接触不良的问题,当单条线路出现问题时,也不会扩大停电面积,极大降低了故障发生率。

3.2.3 增添保护提高可靠性

基于以往故障原因的统计分析得知,除总断路器一带问题多发外,故障率高的原因还有保护装置单一和用户更新设备往往没有对线路进行同步升级等。因此,本文将采取不同的保护装置提升用电可靠性,保证用户安全用电。

3.3 设计方案

综上所述,本文提出了适用于微小型企业的多功能配电箱设计方案,如图5所示。该方案由箱体部分、保护装置部分、无功补偿单元和显示单元四部分组成,箱体部分可进行不同分区的设计;保护装置部分使用总—分断路器进行分流并添加各类保护,有效降低故障发生率;无功补偿单元中,控制器接收电压、电流信号,判断之后下达投切指令给电容器,实现实时补偿,起到提高功率因素、提升电压稳定性的作用。

图5 多功能配电箱设计方案示意图

3.4 多功能配电箱效果验证

根据上述方案制作样机,如图6所示。

图6 多功能配电箱样机示意图

对所制得样机进行如下测试,以检测其运行性能及是否能完成既定设计目标。

3.4.1 测试不同电流下断路器发热情况及电压的稳定性

此项测试的标准为220V电压偏差在±4%,即211.2～228.8V内,发热温度≤50℃,整体测试合格率>99%。试验中,将装置接入电流发生器,调整参数进行20次测试,模拟配电台区各种运行状态,查看偏差情况,结果如表2所示。

表2 整体测试结果

测试中,样机能够及时正确做出反馈,电压偏差稳定在±4%,即211.2～228.8V内,合格率100%,发热温度≤50℃,装置能对各类情况进行正确处理,整体测试合格率>99%。

3.4.2 目标值检查

为测试本文所研制的微小型企业多功能配电箱的实际应用效果,在多次试验后,按照相关规定要求,制定相应的组织措施、技术措施、安全措施,并经安监部门、专业部门同意,于2020年9—11月在城郊镇供电所所辖236个微小型企业(78个配电台区)中安装此装置进行整体试运行,并于11月底进行整体分析。城郊镇供电所所辖区域微小企业配电台区故障发生情况如表3所示。

表3 故障原因

在试运行期间,城郊镇供电所所辖236个微小型企业(78个配电台区)共发生故障17起。其中,因总断路器故障引起的故障报修情况仅发生4起,故障率为1.69%,小于5%,充分证明了该装置的有效性。

同时,对78个配电台区的电压波动情况进行统计,并与2020年4—6月的数据进行对比,结果如图7所示。由图7可知,在试运行期间,城郊镇供电所所辖236个微小型企业(78个配电台区)内,最大电压偏差值为-3.95%和+3.83%,平均电压偏差值为-3.81%和+3.74%,均在目标偏差值±4%范围内,充分证明了该装置的有效性。

图7 试运行前后电压波动数据对比

综上,微小型企业配电箱总断路器故障率得到明显的降低,电能质量也得到了改善。

4 结束语

本文基于调查统计,切实响应微小型企业对于电力系统可靠性、电能质量的要求,设计了一种多功能配电箱,并制作样机用于试验验证。该多功能配电箱采用无功补偿、功能分区和增添保护三种措施,实现降低微小型企业配电箱总断路器故障率,降低农网低压台区的电压波动范围的目的。试运行结果也表明,使用样机后能够明显降低微小型企业配电箱总断路器故障率,提升电能质量。

同时,本文所设计、制造的多功能配电箱兼具经济效益、社会效益和技术管理效益等,加之安装便捷、可靠性高等优点,可广泛应用于微小型企业的配网台区。