淺談電焊設(shè)備的配電設(shè)計

梁 靜

（中國航空規(guī)劃建設(shè)發(fā)展有限公司，北京100120）

0 引言

工業(yè)廠房的配電設(shè)計往往不同于一般民用建筑，在完成了某大型焊接廠房設(shè)計后，筆者總結(jié)了電焊機(jī)配電的一些特點，在下面將進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 電焊機(jī)配電設(shè)計

1.1 電焊機(jī)的設(shè)備功率

一般情況下我們只能從電焊機(jī)產(chǎn)品手冊或銘牌上得到其額定容量，由于其自身的運行特點，電焊機(jī)工作周期很短，一般都小于1min，負(fù)載持續(xù)率很低，所以配電時電焊機(jī)的設(shè)備功率應(yīng)是將額定容量換算到負(fù)載持續(xù)率ε＝100%時的有功功率。根據(jù)文獻(xiàn)［1］，其換算公式為：

式中，Sr為電焊機(jī)的額定容量（kVA）；εr為負(fù)載持續(xù)率（%）；cosφr為額定功率因數(shù)，見文獻(xiàn)［1］表1－1、表1－7。

電焊機(jī)種類不同，其負(fù)載持續(xù)率也各不相同，設(shè)計時應(yīng)根據(jù)工藝專業(yè)提供的電焊設(shè)備額定容量，將其換算到負(fù)載持續(xù)率ε＝100%時的有功功率。

1.2 電焊機(jī)保護(hù)電器的選擇

電焊機(jī)配電設(shè)計中關(guān)鍵之一就是保護(hù)電器的選擇。當(dāng)我們確定了某臺電焊機(jī)的有功功率以后，下一步就是根據(jù)有功功率計算出合適的保護(hù)電器。根據(jù)相關(guān)設(shè)計規(guī)范和文獻(xiàn)［1］，電焊機(jī)保護(hù)電器的選擇應(yīng)滿足以下要求：

（1）每臺電焊機(jī)的配電線路應(yīng)裝設(shè)隔離電器和短路保護(hù)電器。

（2）短路保護(hù)宜采用熔斷器或低壓斷路器的瞬時脫扣器。采用熔斷器時：Irr≥KcIrh槡εr（適用于交流弧焊變壓器、弧焊整流器、電渣焊機(jī)）；Irr≥0.7Irh（適用于電阻焊機(jī)）。采用斷路器時：

式中，Irr為熔斷器的額定電流（A）；Iset3為低壓斷路器瞬時脫扣器的整定電流（A）；Irh為電焊機(jī)一次側(cè)額定電流（A）；εr為電焊機(jī)額定負(fù)載持續(xù)率（%）；Kc為計算系數(shù)，一般取1.25；Kc3為低壓斷路器瞬時脫扣器計算系數(shù)（查文獻(xiàn)［1］得）。

（3）采用低壓斷路器的長延時脫扣器做過載保護(hù)時：

式中，Iset1為低壓斷路器長延時脫扣器的整定電流（A）；Irh為電焊機(jī)一次側(cè)額定電流（A）；εr為電焊機(jī)額定負(fù)載持續(xù)率（%）；Kc1為低壓斷路器長延時脫扣器計算系數(shù)（查文獻(xiàn)［1］得）。

1.3 配電導(dǎo)線或電纜的選擇

選擇配電導(dǎo)線或電纜時，既要考慮導(dǎo)體載流量與保護(hù)電器的配合，也要考慮到電焊設(shè)備工作周期這一因素。

根據(jù)《低壓配電設(shè)計規(guī)范》，導(dǎo)體允許持續(xù)載流量IZ應(yīng)大于低壓斷路器整定電流In（當(dāng)Iset1＞In時，即IZ＞Iset1）。由于電焊機(jī)屬于斷續(xù)工作用電設(shè)備，工作周期一般不超過1min，斷續(xù)負(fù)載下電纜和導(dǎo)線的允許載流量應(yīng)為長期負(fù)載下允許載流量乘以校正系數(shù)，校正后的載流量應(yīng)不小于用電設(shè)備在額定負(fù)載持續(xù)率下的額定電流（即Irh）。校正系數(shù)Kj的計算公式為：

式中，T為斷續(xù)負(fù)載的工作周期；εr為負(fù)載持續(xù)率；t為電纜或?qū)Ь€的發(fā)熱時間常數(shù)。

校正系數(shù)的計算比較復(fù)雜，文獻(xiàn)［1］直接給出了不同情況下導(dǎo)線或電纜校正后的載流量，實際應(yīng)用中可以直接在文獻(xiàn)［1］上查表得到。

1.4 單相負(fù)荷的換算

在設(shè)計時我們經(jīng)常會遇到一些單相電焊設(shè)備，單相用電設(shè)備應(yīng)均勻分配到三相上，使各相的計算負(fù)荷盡量相近。當(dāng)單相負(fù)荷與三相負(fù)荷同時存在時，應(yīng)將單相負(fù)荷換算為等效三相負(fù)荷再與三相負(fù)荷相加。換算方法如下：

（1）單相負(fù)荷為線間負(fù)荷時：

式中，Pd為等效三相負(fù)荷；PUV＞PVW＞PWU為線間負(fù)荷。

當(dāng)只有PUV時，Pd＝1.73PUV。

（2）只有相負(fù)荷時，等效三相負(fù)荷取最大相負(fù)荷的3倍。

（3）當(dāng)多臺單相用電設(shè)備功率小于計算范圍內(nèi)三相負(fù)荷設(shè)備功率的15%時，可不進(jìn)行換算，按三相平衡負(fù)荷計算。

1.5 計算實例

下面分別以弧焊機(jī)和點焊機(jī)為例，對比一下?lián)Q算到負(fù)載持續(xù)率為100%時與不換算時保護(hù)電器和導(dǎo)線的選擇（表1）。

通過以上對比可看出，按換算到ε＝100%時的有功功率選擇的保護(hù)電器和導(dǎo)線要比直接按額定容量選擇的保護(hù)電器和導(dǎo)線小，且ε越小以上特點越明顯。例如上面第二個例子，點焊機(jī)εr＝0.2，如果不換算需選擇整定電流為400A的低壓斷路器，框架電流選擇400A以上；而換算后只需選擇整定電流為200A的低壓斷路器就可滿足電焊機(jī)的正常工作，斷路器框架電流選擇200A或250A即可。這樣就減小了斷路器外型尺寸，從而減小了配電箱的尺寸及數(shù)量。所以設(shè)計時首先要將電焊機(jī)的額定容量換算為ε＝100%時的有功功率，這樣既節(jié)省了導(dǎo)線又保證了電焊機(jī)的正常工作，還合理選擇了保護(hù)電器。

通過以上兩個例子我們可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)按照導(dǎo)體允許持續(xù)載流量IZ應(yīng)大于低壓斷路器整定電流In選擇導(dǎo)線或電纜時，將其換算成斷續(xù)負(fù)載下導(dǎo)線允許載流量都大于用電設(shè)備在額定負(fù)載持續(xù)率下的額定電流Irh，所以在設(shè)計時可以只按低壓斷路器整定電流In來選擇導(dǎo)線。

表1 保護(hù)電器和導(dǎo)線的選擇

2 電焊機(jī)電壓波動問題

電壓波動是衡量電能質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，屬于電壓波動范疇的電壓偏差是指供電系統(tǒng)在正常運行方式下各點的實際電壓對系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的偏差。用電設(shè)備端子電壓實際值偏離額定值時，其性能將直接受到影響。當(dāng)電壓正偏差過大時，電阻焊機(jī)出熱量會過大而造成焊件過熔，負(fù)偏差過大時會焊接熱量不足而造成虛焊。

解決電壓波動問題一般有以下幾種措施：（1）減少系統(tǒng)阻抗來減小用電設(shè)備端的電壓偏差。當(dāng)單臺電焊機(jī)設(shè)備容量很大并且大容量設(shè)備位置比較集中時，建議采用插接式母線配電。（2）設(shè)置專用變壓器并合理補(bǔ)償無功功率。當(dāng)電焊設(shè)備總安裝容量很大時，建議為電焊機(jī)配電設(shè)置專用變壓器，在其低壓側(cè)母線段采用可控硅動態(tài)無功補(bǔ)償，使線路及變壓器電壓損失減少，從而使用電設(shè)備的電壓偏差減少。為電焊機(jī)配電設(shè)置專用變壓器，同時還可以避免電焊機(jī)工作時的沖擊性負(fù)載對其他用電設(shè)備的干擾，如照明設(shè)備等。（3）為設(shè)備配置穩(wěn)壓電源，可減少電壓波動對焊接設(shè)備的影響。

對于一些精密的電焊設(shè)備，為保證其焊接精度，建議配置專用穩(wěn)壓電源。

3 變壓器容量的選擇及無功功率補(bǔ)償方法

（1）大型焊裝廠房電焊設(shè)備比較多，單臺電焊設(shè)備額定容量大。在這種情況下對廠房內(nèi)電焊設(shè)備單獨設(shè)置變壓器比較合適。某大型焊裝廠房電焊設(shè)備總安裝容量將近4 000kVA，換算到負(fù)載持續(xù)率為100%時的總有功功率為2 427kW，同時使用系數(shù)為0.5，這時選用兩臺1 000kVA的變壓器，將用電負(fù)荷平均分配后，變壓器的負(fù)荷率在67%左右。如果直接按照電焊設(shè)備總安裝容量來選擇變壓器，同時使用系數(shù)為0.5，這時則需選用兩臺1 250kVA的變壓器。目前實際運行的變壓器無論其負(fù)荷率大小，供電部門均按其安裝容量收取一定的基本電價費。全國大部分地區(qū)基本電價費均為15元／kVA·月，比較下來單這一項，選用兩臺1 000kVA變壓器每年就可以節(jié)省90 000元，另外還減少了投資。以上對比進(jìn)一步說明了電焊設(shè)備配電設(shè)計時一定要將其安裝容量換算到負(fù)載持續(xù)率為100%時的有功功率，這樣才能選擇合理的變壓器容量。

（2）大部分電焊機(jī)屬于沖擊性負(fù)載，負(fù)載持續(xù)率低，負(fù)載功率因數(shù)也比較低。電焊設(shè)備負(fù)載變化范圍大、變化速度快，這時對系統(tǒng)的無功功率補(bǔ)償就比較重要了。在大型焊裝廠房采用可控硅動態(tài)無功功率補(bǔ)償是一種比較好的方式，其由無功功率發(fā)生電源與可控硅動態(tài)無功功率補(bǔ)償器相結(jié)合，對沖擊負(fù)荷、時變負(fù)荷能夠?qū)崟r監(jiān)測、動態(tài)補(bǔ)償，同時還可以動態(tài)抑制諧波，降低變壓器損耗。

4 結(jié)語

本文結(jié)合實際工程，著重介紹了在電焊設(shè)備配電設(shè)計中應(yīng)重視的幾個問題：首先，電焊機(jī)的額定安裝容量不能直接用于保護(hù)電器和導(dǎo)線的選擇，必須將其轉(zhuǎn)換為負(fù)載持續(xù)率ε＝100%時的有功功率，再進(jìn)行相關(guān)計算；其次，導(dǎo)線選擇時既要滿足導(dǎo)體允許持續(xù)載流量大于低壓斷路器整定電流，又要滿足導(dǎo)體允許斷續(xù)載流量不小于用電設(shè)備在額定負(fù)載持續(xù)率下的額定電流；最后，設(shè)計時還應(yīng)考慮電壓偏差、無功功率補(bǔ)償?shù)葐栴}，并采取有效措施以及合理選擇變壓器。

［1］中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計研究院.工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊［M］.3版.北京：中國電力出版社，2005.