大型石油化工企业低压660V供电的可行性分析

隋为民

（中石化洛阳工程有限公司，河南 洛阳471003）

0 引言

在石油化工企业中低压用电负荷应用广泛，低压用电设备占主要部分，其安全、经济运行直接影响企业的经济效益。石油化工企业低压配电系统采用380／220V配电，配电线路采用放射式。由于生产装置大多处于易燃、易爆场所，绝大多数机泵、风机位于爆炸危险区域之内，通常变配电所只能布置在爆炸危险区域之外，一般位于装置一侧，无法深入装置低压负荷中心。

随着石油化工企业生产的发展，电动机配电线路长度增加，相当数量的低压电动机受电电缆长度达到或超过300m。线路长度增加的主要原因为：（1）装置的大型化、深加工或联合装置要求使装置的占地面积逐渐增加，供电半径逐渐增大；（2）实行新的防火防爆设计规范，变电所与装置设备之间的防爆防火距离加大了；（3）装置内电缆采用电缆桥架敷设，与电缆沟相比电气距离加长了；（4）工艺及总平面布置强调工厂模式改革，希望尽量少建变电所或将变电所集中布置。

通常电缆是根据负荷电流按电缆载流量选择，以配电线路启动和正常工作电压降及保护灵敏度来校核电缆截面，不满足条件则放大电缆截面，但大范围放大电缆截面是明显不妥的，有时在技术上已不可能。工程实践中发现380V供电的弊端越显突出，从经济上、技术上衡量已很不合理且影响生产，只有提高供电电压，才能有效提高供电能力，满足企业供电要求。

随着工业技术的发展，供电电压也在提高，早在20世纪60年代，660V电压就作为一种标准电压被列入国际电压标准中，我国现行国家额定电压标准中，660V电压仍作为国家标准额定电压。以下将以YB系列二极电动机为例，分析380／220V、660／380V供电特点。

1 保护的灵敏系数分析

1.1 理论公式

短路保护的灵敏系数是电力系统最小运行方式下，被保护设备末端短路时的短路电流与其保护设备的动作值的比值。《低压配电设计规范》规定：“当保护电器为符合《低压断路器》的低压断路器时，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。”

在石油化工企业中，低压供电半径大都大于200m；线路末端单相接地短路电流无法使保护装置动作，一般采用专用的保护设备，这里不再阐述。

线路末端两相短路电流按下式计算：

式中，I″为三相起始短路电流周期分量有效值；C为电压系数，三相短路电流取1.05，两相短路电流取1.0；Un为网络标称电压（线电压）；Zk为短路电路总阻抗；I2″为两相短路稳态电流；Zs为高压侧系统阻抗；Zt为变压器阻抗；Zm为变压器低压侧母线阻抗；Zl为线路阻抗。

电动机回路中，空气断路器瞬动过电流脱扣器动作电流按《通用用电设备配电设计规范》要求公式如下：

式中，Idz为空气断路器瞬动过电流脱扣器动作电流；Iq为电动机全压时启动电流；Ki为电动机全压时启动电流倍数；Pe为电动机额定功率；Ue为电动机额定电压；COS为电动机功率因数；η为电动机效率。

根据短路保护灵敏系数的定义，其计算公式如下：

式中，Km为短路保护的灵敏系数。

将公式（1）、（2）、（4）、（5）代入公式（6）整理得：

为了分析方便，假设短路电路总阻抗Zk不变。在一个供电系统中，网络标称电压Un与电动机额定电压Ue相等；对于电动机而言，额定电压为380V或660V，只是改变电动机的接线形式，各个参数不发生变化 ，即COS、η、Ki、Pe不随电压变化。由此可得，短路保护的灵敏系数Km与电压平方成正比，提高电压将大大提高短路保护的灵敏系数。

1.2 Zk对短路保护灵敏系数的影响

在公式（3）中，高压侧系统阻抗Zs、变压器低压侧母线阻抗Zm和线路阻抗Zl都是一个不随电压变化的参数；变压器阻抗Zt计算公式如下：

式中，Uk%为变压器阻抗百分数；Ue为额定电压；Se为额定容量。

根据公式（9）可以得出，当变压器阻抗占主导地位时，短路保护灵敏系数与电压无关；当变压器阻抗不占主导地位时，短路保护灵敏系数与电压的平方成正比。当线路较长、电缆截面小时，变压器阻抗仅占短路电路总阻抗的不到10%，短路电路总阻抗主要是配电线路阻抗。而在装置大型化以后，低压配电线路较长，线路阻抗起到主导作用；从后面的计算中可知，660V网络中变压器阻抗占总阻抗的1／4；当变压器容量为1 000kVA、线路长度为300m时，将变压器阻抗按固定值计算的短路电流最大误差小于15%，在工程分析中可以忽略。

1.3 计算及分析

计算条件如下：

（1）系统短路容量取150MVA（系统电抗中阻抗占0.1）。Zs＝1.066 7mΩ；Rs＝0.106 67mΩ；Xs＝1.061 3mΩ。

（2）变压器：Se＝1 000kVA；Uk%＝4；Pf＝10.3kW。380V时阻抗数值：Zt＝5.776mΩ；Rt＝1.487mΩ；Xt＝5.581mΩ。660V时阻抗数值：Zt＝17.424mΩ；Rt＝4.487mΩ；Xt＝16.836mΩ。

（3）母线阻抗取以下数值：Zm＝5.482mΩ；Rm＝0.75mΩ；Xm＝5.43mΩ。

（4）电缆线路：长度取300m，电缆选用交联聚乙烯电力电缆，电缆芯线工作温度为80℃。

（5）短路保护的灵敏系数：根据《低压配电设计规范》中的相关规定，计算中短路保护的灵敏系数取1.3。

1.3.1 电动机采用同一规格供电线路时短路保护灵敏系数计算及分析

YB系列电动机在上述计算条件下计算结果如表1所示。从中可以看出，采用同一电缆截面时，采用380V供电网络，电动机很大部分不满足短路保护的灵敏系数要求（表中斜体部分）；而采用660V供电网络，电动机基本都满足短路保护的灵敏系数要求。从而说明提高供电网络电压，可以提高配电线路短路保护的灵敏系数。

表1 同一电缆截面不同电压灵敏系数对比表

从表1可知，660V网络有3台电动机不满足短路保护的灵敏系数要求，380V网络有12台电动机不满足短路保护的灵敏系数要求。

1.3.2 按载流量不同电动机采用不同规格供电线路时短路保护灵敏系数分析

在实际设计中，提高供电网络电压，同容量电动机的额定电流将下降，如果采用同样的电缆截面就浪费了。

2 线路电压偏差分析

2.1 理论公式

电压偏差是供电网络中某点的实际电压与网络额定电压之差，通常用百分数表示。国家标准正常运行情况下，用电设备端子处电压偏差允许值（以额定电压的百分数表示）宜符合下列要求：电动机为±5%。

引起电压偏差的主要原因是网络中负荷电流通过阻抗元件而造成电压损失，在低压配电网络中，阻抗元件主要是变压器和线路。在石油化工企业生产装置中，由于变压器阻抗远远小于线路阻抗，且在运行中通过改变变压器分接头可以调整变压器二次电压，保证变压器在运行负荷情况下二次电压在网络额定电压以上，故线路电压偏差满足规范要求，网络电压偏差就能满足规范要求。电动机回路线路电压损失计算公式如下：

式中，ΔU为线路电压偏差相对值；Un为网络标称电压（线电压）；R0为线路单位长度阻抗值；X0为线路单位长度电抗值；COS为电动机功率因数；I为电动机电流；L为线路长度；P为电动机功率。

对于电动机而言，额定电压为380V或660V，只是改变电动机的接线形式，各个参数不发生变化，即COS、η、Ki、Pe不随电压变化。由此可得，线路电压偏差ΔU与电压平方成反比，提高电压将大大降低线路电压损失；当满足线路电压偏差ΔU要求时，输送距离与网络标称电压（线电压）Un的平方成正比，提高电压将大大增加送电距离。

2.2 计算及分析

计算条件如下：

（1）电缆线路：长度取300m，电缆选用交联聚乙烯电力电缆，电缆芯线工作温度为80℃。

（2）路线电压偏差允许值：根据《供配电系统设计规范》规定，线路电压偏差允许值取5%。

2.2.1 电动机采用同一规格供电线路时线路电压偏差计算及分析

电动机采用同一规格电缆截面、不同供电电压时电压偏差比较如表2所示。采用380V网络供电时，电压偏差最大值为12.3%；采用660V网络供电时，电压偏差最大值为4.08%。提高供电电压有利于降低线路上的电压偏差。

表2 同一电缆截面不同供电电压的电压偏差比较表

2.2.2 按载流量不同电动机采用不同电缆截面时线路电压偏差计算及分析

同容量电动机供电电压不同，额定电流不同；敷设条件相同时，电缆截面不同。表3给出了对应的电压偏差值，其中380V供电网络中有6项不符合要求，660V供电网络中有3项不符合要求。为满足电压偏差要求，需加大电缆截面，降低线路阻抗。

3 660V设备情况

驱动设备：YB系列电动机已经有适应于380／660V两种电压等级的设备。该系列电动机采用不同的接线来适应不同电压的要求，三角形接线适应于380V供电，星形接线适应于660V供电，其他参数不变。

配电线路及控制元件：石油化工企业的低压配电线路采用电缆，我国电缆的额定电压为1 000V，控制电缆额定电压为500V；660V系统中相电压为380V，控制回路设备可以设在380V电压下工作或单设控制变压器。配电线路及控制元件不存在问题。

配电设备及一次元件：电压配电设备内相间绝缘是靠空气，加大相间间距可以满足绝缘要求。电气元件中合资企业ABB、施耐德电器公司的低压元件适应多种电压要求，国产元件中常熟开关厂的低压元件适应多种电压要求。

照明设备：在石油化工企业中，为延长照明设备的使用寿命，动力供电系统与照明供电系统分开。照明采用专用变压器，照明供电系统可采用380／220V供电。

另外，660／380V供电系统在我国的其他行业已有应用。

表3 不同电缆截面不同供电电压的电压偏差比较表

4 结语

综上所述，在现代石油化工企业生产装置低压供电系统中采用660V供电，在满足保护装置灵敏系数、线路电压偏差要求上比380V供电有着明显的优越性，并且可减少网络损耗，但在断流能力上还需做工作。

［1］刘介才.工厂供电［M］.北京：机械工业出版社，2011.

［2］中国航空工业规划设计研究院.工业与民用配电设计手册［M］.3版.北京：中国电力出版社，2005.