工業(yè)配電設(shè)計(jì)中基于Excel的電氣計(jì)算

萬收蘭

【摘? 要】工業(yè)配電設(shè)計(jì)中，電氣計(jì)算是一項(xiàng)重要的工作。必要的電氣計(jì)算一般有負(fù)荷計(jì)算、無功功率補(bǔ)償計(jì)算、短路電流計(jì)算、單相接地電容電流計(jì)算、大電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電壓水平計(jì)算、電動(dòng)機(jī)成批再起動(dòng)電壓水平計(jì)算、電力設(shè)備選擇及校驗(yàn)計(jì)算、電線及電纜截面選擇計(jì)算、高次諧波計(jì)算、接地阻抗計(jì)算、照度計(jì)算及繼電保護(hù)整定計(jì)算等。通過上述各項(xiàng)計(jì)算，作為選擇電氣設(shè)備、校驗(yàn)電氣設(shè)備各項(xiàng)性能、保護(hù)整定、確定電機(jī)啟動(dòng)方式等的重要依據(jù)。

【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.

【關(guān)鍵詞】設(shè)計(jì)階段;電氣計(jì)算;用電負(fù)荷;Excel電子表格

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

【中圖分類號(hào)】TM72? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2020）08-0172-02

1 常用電氣計(jì)算及計(jì)算結(jié)果應(yīng)用介紹

工業(yè)配電設(shè)計(jì)中，負(fù)荷計(jì)算是一項(xiàng)最基本的計(jì)算。通過負(fù)荷計(jì)算可得到以下幾個(gè)結(jié)果：①計(jì)算（最大）負(fù)荷，為發(fā)熱條件選擇電器和導(dǎo)體的依據(jù)。②尖峰電流，作為計(jì)算電壓損失、電壓波動(dòng)以及選擇電器和保護(hù)元件等的依據(jù);在校驗(yàn)瞬動(dòng)元件時(shí)，還需考慮起動(dòng)電流非周期分量。③平均負(fù)荷，作為計(jì)算電能消耗量和補(bǔ)償電容器容量的依據(jù)。④變電所的總負(fù)荷情況，并由此確定變壓器的容量。

通過無功補(bǔ)償計(jì)算，可合理平衡無功功率，規(guī)定變電所無功功率補(bǔ)償原則和補(bǔ)償容量。通過短路電流計(jì)算可算出本變電所各短路點(diǎn)在最大、最小運(yùn)行方式下的短路電流及短路容量，利用最大短路電流值以確定電氣設(shè)備容量或額定參數(shù)，利用最小短路電流值可作為選擇熔斷器、整定繼電保護(hù)裝置和電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)校驗(yàn)系統(tǒng)電壓水平以及進(jìn)行諧波電流計(jì)算的依據(jù)。而為了限制大型電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)引起系統(tǒng)中各級母線的電壓下降以保證電壓水平，進(jìn)而確定其起動(dòng)方案，需進(jìn)行大電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電壓下降計(jì)算。為保證電動(dòng)機(jī)成批再起動(dòng)時(shí)電力系統(tǒng)各級母線電壓水平，需進(jìn)行電動(dòng)機(jī)成批再起動(dòng)壓降計(jì)算。通過高壓電氣設(shè)備選擇及校驗(yàn)計(jì)算，可合理選擇電氣設(shè)備以保證電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。為確定變電所電容電流補(bǔ)償方案，需進(jìn)行6kV（或10kV）系統(tǒng)單相接地電容電流計(jì)算。為限制系統(tǒng)中由于非線性負(fù)荷的接入而產(chǎn)生的諧波電流，在其注入電網(wǎng)后引起的電網(wǎng)電壓正弦波形畸變率不超過所采用規(guī)范的規(guī)定值，需進(jìn)行諧波控制計(jì)算。為經(jīng)濟(jì)合理地選擇電力電纜要進(jìn)行電力電纜截面選擇計(jì)算。而合理的照明設(shè)計(jì)不但節(jié)省了建設(shè)投資，而且為安全生產(chǎn)、節(jié)能、管理維護(hù)提供方便，因此必須進(jìn)行照明計(jì)算。通過建筑物防雷保護(hù)中接閃器的保護(hù)范圍計(jì)算，可防止或減少雷擊建筑物所發(fā)生的人身傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，使建筑物的防雷設(shè)計(jì)安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理。通過接地計(jì)算使電氣裝置達(dá)到安全和功能的目的，即保證電力系統(tǒng)和電氣設(shè)備的安全（免遭破壞）及可靠運(yùn)行，對操作、維護(hù)、運(yùn)行人員的人身安全，都起著很大的作用。為保證電力系統(tǒng)的保護(hù)裝置能快速、可靠地切除故障而避免擴(kuò)大停電范圍，需進(jìn)行繼電保護(hù)整定計(jì)算。

在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，有時(shí)并不嚴(yán)格按照以上所述的各項(xiàng)要求來詳細(xì)計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)。但電氣計(jì)算是一項(xiàng)比較煩瑣的工作，在這個(gè)時(shí)期因?yàn)橛性S多因素的不確定性，從而造成負(fù)荷的有無及其數(shù)值的大小都存在著很大的不確定性，有時(shí)甚至多次變動(dòng)。但是對于電氣設(shè)計(jì)人員來說，應(yīng)該及早準(zhǔn)備有關(guān)電氣計(jì)算工作，而這些電氣計(jì)算工作都有不同程度的相關(guān)性，例如，用負(fù)荷計(jì)算所得的總負(fù)荷情況可確定變壓器的容量及其相關(guān)參數(shù)，而負(fù)荷計(jì)算的結(jié)果及由此確定的變壓器的容量、短路阻抗電壓百分比又要在短路計(jì)算、電機(jī)起動(dòng)和再起動(dòng)壓降計(jì)算及大電動(dòng)機(jī)起動(dòng)壓降校驗(yàn)中用到，同樣短路計(jì)算的結(jié)果也要在諧波計(jì)算、電機(jī)起動(dòng)和再起動(dòng)壓降計(jì)算及大電動(dòng)機(jī)起動(dòng)壓降校驗(yàn)等計(jì)算中用到，短路計(jì)算的結(jié)果甚至在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的繼電保護(hù)計(jì)算及整定中要用到。對于這么多相關(guān)的計(jì)算，從設(shè)計(jì)時(shí)間上來說，等上游專業(yè)提供到比較確定的計(jì)算條件，電氣專業(yè)剩下的時(shí)間也不多，因此電氣計(jì)算應(yīng)及早進(jìn)行。

2 工程設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)例及分析

為了克服因?yàn)樨?fù)荷后期的頻繁變動(dòng)對各項(xiàng)計(jì)算工作所造成的不利影響，Excel電子表格的應(yīng)用能很好地解決這個(gè)問題。下面結(jié)合在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，對其作詳細(xì)闡述。

如實(shí)際工程中用需要系數(shù)法進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算，表中會(huì)列出計(jì)算中要用的相關(guān)參數(shù)如功率、功率因數(shù)及其需要系數(shù)等，這其中有些參數(shù)就是在后期的工作中有可能變化的。在設(shè)計(jì)過程中，對于有變化的參數(shù)，只需在相應(yīng)單元格處修改有變化的參數(shù)，而最后的計(jì)算結(jié)果因?yàn)閷ο鄳?yīng)的單元格數(shù)據(jù)的引用會(huì)隨著變動(dòng)。

經(jīng)過計(jì)算，可得到本變電所總的負(fù)荷情況，如總的有功功率、無功功率、視在功率和未經(jīng)無功功率補(bǔ)償?shù)墓β室驍?shù)等，這些計(jì)算結(jié)果就是確定變壓器的容量及其相關(guān)參數(shù)、無功功率補(bǔ)償?shù)囊罁?jù)，另外，在隨后的短路計(jì)算及其他有關(guān)計(jì)算中需對其進(jìn)行數(shù)據(jù)引用。

還有各項(xiàng)目必用到的短路計(jì)算，其計(jì)算所得結(jié)果同樣要在別的計(jì)算中引用，如高次諧波電流計(jì)算需引用短路計(jì)算結(jié)果的部分表格，工作表中會(huì)簡述諧波計(jì)算的條件、計(jì)算方法和計(jì)算過程及結(jié)果，在計(jì)算中要用到的6（10）kV母線、380V母線的短路容量就是在短路計(jì)算中所得結(jié)果，在此引用短路計(jì)算所得最小運(yùn)行方式下的短路容量即可，對應(yīng)結(jié)果在單元格中所引用的具體內(nèi)容可從表格的相關(guān)位置表達(dá)式清楚顯示。另外，在諧波計(jì)算中，對于在運(yùn)行中向公共連結(jié)點(diǎn)注入諧波電流的電氣設(shè)備，其有關(guān)參數(shù)在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)階段也有很大的不確定性，即以后變化的可能性較大，計(jì)算中也是通過對這些參數(shù)所在單元格的位置的引用而解決參數(shù)變化給整個(gè)計(jì)算帶來不便這個(gè)問題的。這種逐級關(guān)聯(lián)式的引用，在早期設(shè)計(jì)階段帶來很大的方便，因?yàn)橐院笠坏┯辛俗儎?dòng)，只要修改變化參數(shù)即可，而在本工作表或其他工作表中與該變化參數(shù)有關(guān)聯(lián)的計(jì)算結(jié)果都會(huì)隨著改變。

圖1所示為實(shí)際工程中用Excel電子表格進(jìn)行各項(xiàng)電氣計(jì)算的部分表格，表格下面各工作表的名稱表明了該文件所包括的各種計(jì)算，當(dāng)前所顯示的是電機(jī)成批再啟動(dòng)壓降校驗(yàn)計(jì)算，從表看出，在各計(jì)算中都加以相應(yīng)的文字?jǐn)⑹鲆郧宄砻魉玫挠?jì)算條件、計(jì)算方法、詳細(xì)計(jì)算過程及結(jié)果，在設(shè)計(jì)過程中，當(dāng)有負(fù)荷變動(dòng)或各批再起動(dòng)的電機(jī)容量需調(diào)整時(shí)，只需在有變動(dòng)的單元格位置改變這些變化的參數(shù)即可，這樣既便于做同一工程的其他設(shè)計(jì)人員用此進(jìn)行計(jì)算的校審，在其他類似的工程中也可應(yīng)用，只需在計(jì)算條件中相應(yīng)的位置填入其他工程的具體條件即可，這樣既能大大節(jié)省計(jì)算時(shí)間，又會(huì)減少由于條件的頻繁變動(dòng)而所需人工手動(dòng)修改所致的錯(cuò)誤，提高了設(shè)計(jì)效率。另外，各不同計(jì)算之間相互切換很容易進(jìn)行，而且計(jì)算中不同工作表之間的數(shù)據(jù)引用也比較方便。

3 結(jié)論

①用電子表格進(jìn)行電氣計(jì)算，相對于目前各大集成設(shè)計(jì)軟件，簡單可靠，容易入手，方便經(jīng)濟(jì)。

②對于這種在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)階段負(fù)荷的變動(dòng)因素比較多的情況，用電子表格計(jì)算很方便修改，節(jié)省時(shí)間。

③不同的計(jì)算之間相互關(guān)聯(lián)，當(dāng)最初條件有變動(dòng)時(shí)，只需變動(dòng)初始條件即可，方便操作。

④計(jì)算中表明了具體的計(jì)算條件、計(jì)算方法、計(jì)算過程和結(jié)果，便于應(yīng)用。

【參考文獻(xiàn)】

【1】中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院等（主編）.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊（第四版）[M].北京：中國電力出版社，2016.

【2】HG 20551—1993化工廠電力設(shè)計(jì)常用計(jì)算規(guī)定[S].