工业配电设计中基于Excel的电气计算

工业配电设计中基于Excel的电气计算

【摘 要】工业配电设计中,电气计算是一项重要的工作。必要的电气计算一般有负荷计算、无功功率补偿计算、短路电流计算、单相接地电容电流计算、大电动机起动电压水平计算、电动机成批再起动电压水平计算、电力设备选择及校验计算、电线及电缆截面选择计算、高次谐波计算、接地阻抗计算、照度计算及继电保护整定计算等。通过上述各项计算,作为选择电气设备、校验电气设备各项性能、保护整定、确定电机启动方式等的重要依据。

【Abstract】Electrical calculation is an important work in industrial power distribution design. Necessary electrical have generally calculate load calculation, reactive power compensation calculation, short circuit current calculation, single phase grounding capacitive current calculation, starting voltage level of large motor calculation, and calculation of restarting voltage level of motor in batch, power equipment selection and checking calculation, electric wire and cable selection calculation, higher harmonic calculation, grounding impedance calculation, intensity of illumination calculation and relay protection setting calculation, etc. Through the above calculation, as an important basis for the selection of electrical equipment, electrical equipment performance verification, protection setting, determine the motor starting mode and so on.

【关键词】设计阶段;电气计算;用电负荷;Excel电子表格

【Keywords】design stage; electrical calculation; electrical load; Excel electronics form

【中图分类号】TM72 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069(2020)08-0172-02

1 常用电气计算及计算结果应用介绍

工业配电设计中,负荷计算是一项最基本的计算。通过负荷计算可得到以下几个结果:①计算(最大)负荷,为发热条件选择电器和导体的依据。②尖峰电流,作为计算电压损失、电压波动以及选择电器和保护元件等的依据;在校验瞬动元件时,还需考虑起动电流非周期分量。③平均负荷,作为计算电能消耗量和补偿电容器容量的依据。④变电所的总负荷情况,并由此确定变压器的容量。

通过无功补偿计算,可合理平衡无功功率,规定变电所无功功率补偿原则和补偿容量。通过短路电流计算可算出本变电所各短路点在最大、最小运行方式下的短路电流及短路容量,利用最大短路电流值以确定电气设备容量或额定参数,利用最小短路电流值可作为选择熔断器、整定继电保护装置和电动机起动时校验系统电压水平以及进行谐波电流计算的依据。而为了限制大型电动机起动时引起系统中各级母线的电压下降以保证电压水平,进而确定其起动方案,需进行大电动机起动电压下降计算。为保证电动机成批再起动时电力系统各级母线电压水平,需进行电动机成批再起动压降计算。通过高压电气设备选择及校验计算,可合理选择电气设备以保证电力系统安全可靠运行。为确定变电所电容电流补偿方案,需进行6kV(或10kV)系统单相接地电容电流计算。为限制系统中由于非线性负荷的接入而产生的谐波电流,在其注入电网后引起的电网电压正弦波形畸变率不超过所采用规范的规定值,需进行谐波控制计算。为经济合理地选择电力电缆要进行电力电缆截面选择计算。而合理的照明设计不但节省了建设投资,而且为安全生产、节能、管理维护提供方便,因此必须进行照明计算。通过建筑物防雷保护中接闪器的保护范围计算,可防止或减少雷击建筑物所发生的人身伤亡和财产损失,使建筑物的防雷设计安全可靠、技术先进、经济合理。通过接地计算使电气装置达到安全和功能的目的,即保证电力系统和电气设备的安全(免遭破坏)及可靠运行,对操作、维护、运行人员的人身安全,都起著很大的作用。为保证电力系统的保护装置能快速、可靠地切除故障而避免扩大停电范围,需进行继电保护整定计算。

在实际工程设计中,有时并不严格按照以上所述的各项要求来详细计算各项指标。但电气计算是一项比较烦琐的工作,在这个时期因为有许多因素的不确定性,从而造成负荷的有无及其数值的大小都存在着很大的不确定性,有时甚至多次变动。但是对于电气设计人员来说,应该及早准备有关电气计算工作,而这些电气计算工作都有不同程度的相关性,例如,用负荷计算所得的总负荷情况可确定变压器的容量及其相关参数,而负荷计算的结果及由此确定的变压器的容量、短路阻抗电压百分比又要在短路计算、电机起动和再起动压降计算及大电动机起动压降校验中用到,同样短路计算的结果也要在谐波计算、电机起动和再起动压降计算及大电动机起动压降校验等计算中用到,短路计算的结果甚至在详细设计阶段的继电保护计算及整定中要用到。对于这么多相关的计算,从设计时间上来说,等上游专业提供到比较确定的计算条件,电气专业剩下的时间也不多,因此电气计算应及早进行。 2 工程设计应用实例及分析

为了克服因为负荷后期的频繁变动对各项计算工作所造成的不利影响,Excel电子表格的应用能很好地解决这个问题。下面结合在实际工程设计中的应用,对其作详细阐述。

如实际工程中用需要系数法进行负荷计算,表中会列出计算中要用的相关参数如功率、功率因数及其需要系数等,这其中有些参数就是在后期的工作中有可能变化的。在设计过程中,对于有变化的参数,只需在相应单元格处修改有变化的参数,而最后的计算结果因为对相应的单元格数据的引用会随着变动。

经过计算,可得到本变电所总的负荷情况,如总的有功功率、无功功率、视在功率和未经无功功率补偿的功率因数等,这些计算结果就是确定变压器的容量及其相关参数、无功功率补偿的依据,另外,在随后的短路计算及其他有关计算中需对其进行数据引用。

还有各项目必用到的短路计算,其计算所得结果同样要在别的计算中引用,如高次谐波电流计算需引用短路计算结果的部分表格,工作表中会简述谐波计算的条件、计算方法和计算过程及结果,在计算中要用到的6(10)kV母线、380V母线的短路容量就是在短路计算中所得结果,在此引用短路计算所得最小运行方式下的短路容量即可,对应结果在单元格中所引用的具体内容可从表格的相关位置表达式清楚显示。另外,在谐波计算中,对于在运行中向公共连结点注入谐波电流的电气设备,其有关参数在基础设计阶段也有很大的不确定性,即以后变化的可能性较大,计算中也是通过对这些参数所在单元格的位置的引用而解决参数变化给整个计算带来不便这个问题的。这种逐级关联式的引用,在早期设计阶段带来很大的方便,因为以后一旦有了变动,只要修改变化参数即可,而在本工作表或其他工作表中与该变化参数有关联的计算结果都会随着改变。

图1所示为实际工程中用Excel电子表格进行各项电气计算的部分表格,表格下面各工作表的名称表明了该文件所包括的各种计算,当前所显示的是电机成批再启动压降校验计算,从表看出,在各计算中都加以相应的文字叙述以清楚表明所用的计算条件、计算方法、详细计算过程及结果,在设计过程中,当有负荷变动或各批再起动的电机容量需调整时,只需在有变动的单元格位置改变这些变化的参数即可,这样既便于做同一工程的其他设计人员用此进行计算的校审,在其他类似的工程中也可应用,只需在计算条件中相应的位置填入其他工程的具体条件即可,这样既能大大节省计算时间,又会减少由于条件的频繁变动而所需人工手动修改所致的错误,提高了设计效率。另外,各不同计算之间相互切换很容易进行,而且计算中不同工作表之间的数据引用也比较方便。

3 结论

①用电子表格进行电气计算,相对于目前各大集成设计软件,简单可靠,容易入手,方便经济。

②对于这种在基础设计阶段负荷的变动因素比较多的情况,用電子表格计算很方便修改,节省时间。

③不同的计算之间相互关联,当最初条件有变动时,只需变动初始条件即可,方便操作。

④计算中表明了具体的计算条件、计算方法、计算过程和结果,便于应用。

【参考文献】

【1】中国航空工业规划设计研究院等(主编).工业与民用配电设计手册(第四版)[M].北京:中国电力出版社,2016.

【2】HG 20551—1993化工厂电力设计常用计算规定[S].

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