砂石加工系统的供配电设计优化

李炳松

（葛洲坝集团第五工程有限公司，湖北　宜昌　443002）

摘 要：砂石加工系统是建设工程，尤其是水利水电建设工程中常见的加工作业系统。它有着建设工程施工现场的一般性特点，又有其工厂化作业、程序化加工的特点。故在设计其供配电系统时，既要考虑供配电及电气控制一般性规范的要求，也要考虑建设工程施工现场及工厂供配电的特殊要求。本文将根据作者的设计经验，就此问题作一些总结和探讨。

关键词：砂石加工系统　供配电　设计

建设工程的砂石加工系统一般由业主提供10kV供电点 （终端杆或变电站供电回路），故本文只考虑10kV及以下供配电线路、变配电设备设施，主要讨论以下方面的问题：负荷计算、配电所、10kv配变电、0.4kv配电、照明、防雷及接地。

1 负荷计算

负荷计算是供配电设计的基础。砂石加工系统用电负荷通常是按车间 （或施工部位）相对集中分布，每一个或数个车间设一个配电所。根据各配电所的用电设备的负荷特点，可计算出各等级电压用电总功率，在此基础上方可进行下一步的供配电设计。

砂石系统的主要用电负荷为生产设备的电动机负荷，其余负荷主要为照明及检修负荷。事实上，照明及检修负荷总功率不会超过总负荷的5%，故计算时通常可先忽略，在选取变压器和配电回路时再作考虑。负荷功率计算公式如下：

Pj=K∑(K1P1+K2P2+K3P3+……)

其中：Pj——总计算功率；

Pi——各类生产设备装机功率；

Ki——负荷系数；

K——同时系数。

通常Ki取0.5～0.7，根据经验，破碎机负荷系数约0.5、筛分机负荷系数约0.7、胶带机负荷系数约0.6、给料机负荷系数约0.8，计算时可根据实际情况综合选取。

K取0.8～0.9，可根据系统工艺流程设计的设备备用情况选取。

根据上述计算结果，可确定各个配电所的高低压负荷的计算功率，从而确定配电总体方案，为配电线路、设备的各级计算和选取提供基本的依据。

2 配电所设计

2.1 概述

根据系统负荷的分布，通常一或数个车间设置一个配电所。如果该配电所仅有低压负荷，则配电所包括变压器台、低压配电室、值班室；如果该配电所既有低压负荷又有高压负荷，则配电所包括高压配电室、变压器台、低压配电室、值班室；有些用电部位仅仅需用少量低压负荷，用电设备基本上都是高压负荷，则可设高压配电所 （低压用电从其他配电部位接引），所内含高压室和值班室。

2.2 变压器

①变压器一般装设于平台上，变压器平台应高出地面0.5m，其四周应装设高度不小于1.7m的围栏。围栏与变压器外廓的距离不得小于1m。

②室外变压器的高压侧应装设高压熔断器或六氟化硫断路器；熔断器或六氟化硫断路器距地面的垂直距离不宜小于4.5m。各相熔断器间的水平距离不应小于0.5m。

2.3 配电所的设置及要求

①配电所应靠近大负荷附近，并应设在道路畅通的地方。

②配电所和控制室应能自然通风，并应采取防止雨雪和动物进入的措施。

③配电所布置应符合下列要求：

a. 配电柜正面的操作通道宽度，单列布置或双列背对背布置不小于1.5m，双列面对面布置不小于2m；

b. 配电柜后面的维护通道宽度，单列布置或双列面对面布置不小于0.8m；双列背对背布置不小于1.5m，个别地点有建筑物结构凸出的地方，则此点通道宽度可减少0.2m；

c. 配电柜侧面的维护通道宽度不小于1m；

d. 配电所的顶棚与地面的距离不低于3m；

e. 配电所内设值班室或检修室时，该室边缘距配电柜的水平距离大于1m，并采取屏障隔离；

f. 配电所内的裸母线与地面垂直距离小于2.5m时，采用遮栏隔离，遮栏下面通行通道的高度不小于1.9m；

g. 配电装置的上端距顶棚不小于0.5m；

h. 配电所的门向外开，并配锁。

3 10kV配变电

3.1 概述

10kV电源一般由业主从专用变电站或终端杆 （以下统称10kV供电点） 提供，经10kV线路，分别送至各10kV配电所 （或10/0.4kV配电变压器）。

3.2 户外装置

在10kV供电点，对每回线路，一般应加设隔离开关、柱上断路器和避雷器。如果供电点处产权分界点以上已设隔离开关、柱上断路器和避雷器 （或该回线路直接由变电站出线柜接引出），也可不设。但为了检修及使用的便利，建议重复设置。事实上，从成本而言，增加的投入很微小，而带来的便利是显而易见的。柱上断路器建议选用六氟化硫断路器 （如果选用带隔离开关的六氟化硫断路器，则无需另设防隔离开关）；避雷器建议选取用投切式，这样可大大缩短避雷器击穿时更换的时间。

10kV线路的受电侧，如果直接接引到电力变压器，若变压器容量等于或大于800kVA，则变压器的进线侧需加装隔离开关、柱上断路器和避雷器 （若容量小于800kVA，可不设断路器而代之以跌落式熔断器，考虑到雷电流的影响时，按变压器一次测额定电流的3倍左右来选配侧熔丝）；如果接引至高压配电所的进线柜，则无须加装隔离开关和避雷器。如果某配电所同时设高压室和低压室，则可在高压室设立变压器出线柜，变压器的进线可从该出线柜接引，相应的保护可在该出线柜实现。

3.3 10kV线路

只要场地空间等条件允许，通常距离大于100m的线路均优先选择架空线路，这主要是出于两个方面的考虑，一是经济；二是故障时故障点明显，易于发现和处理。不能架设架空线路或距离很短时，方考虑采用高压电缆。

架空线路通常选用LGJ型钢芯铝绞线；电缆线路通常选用YJV22型铠装交联电缆；移动高压设备如电动正、反铲、电动移动式破碎站等则通常用高压橡套电缆。

线路截面的选取按经济电流密度计算，按安全载流量、电压损失、短路热稳定校验（架空线路还须按机械强度校验）。

经济电流密度表和安全载流量表在各种电工手册或设计规范（如GB 50052-95电力工程电缆设计规范、SDJ161-85电力系统设计技术规程等） 中可以很容易查到，这里不再赘述。

电压损失计算有很多种方法，近年来也出现了不少计算软件，但各种计算方法的计算结果往往有较大区别，这里介绍一种最直接的三相电压损失计算公式：

△U%= （1.732×Ig×ρ×L） / （Ue×S）

其中△U%为电压损失率、Ig为计算电流、ρ为阻抗率，即单位长度每单位面积（mm2） 的阻抗值、L为线路长、Ue为额定电压、S为导体截面。这个公式实际上是直接将流过导体的电流乘以该导体的阻抗得出电压损失，是最直接的计算方法。阻抗率通常可通过电阻率估算，而电阻率可在手册中查到。铜的电阻率为0.0175Ω/mm2·m，考虑无功因素，对于铜导线，ρ一般可取0.0206Ω/mm2·m。

有些电线电缆产品手册中给出了产品单位长度每通过1A电流时的电压降值这一参数，则通过上述计算方法更易计算出电压降。

短路热稳定计算很复杂，需要取得电网参数，一般较难精确计算，像砂石系统这样非特别重要负荷，也可不做热稳定校验。有些资料介绍一种简单的处理方法，即按载流量和电压损失校验后选取的导体截面乘以1.3作为考虑短路热稳定后选取的截面，这种方法是粗略和近似的。

高压电缆的敷设尽可能采用电缆沟敷设。电缆根数不多时也可直埋敷设，直埋敷设时深度宜在0.7m以上并做铺沙盖砖保护。一般不提倡直接沿地面明敷。

3.4 配电变压器

因高压供电电源是10kV的，故配电变压器采用10/0.4kV电压规格，变压器的容量按下式计算：S≥1.05Pj/cosφ，Pj是计算功率 （如前述）；cosφ是功率因数，一般取0.85。

配变选用S9或S9以上系列，接线组别宜选用“D，ynll”方式。这是因为《GB 50194-93建设工程施工现场供用电安全规范》要求建设工程施工现场采用TN-S或TT接地方式，而《JG J46-2005施工现场临时用电安全技术规范》则要求施工现场必须采用TN-S接地方式。而这两种接地方式下，D，ynll结线组别优于Y，yn0结线组别，虽然我国现行10/0.4kV变压器以Y，yn0结线组别为主。这在《GB 50052-95供配电系统设计规范》的说明条文中有详细的论述。

通常对每个配电所尽可能设两台等容量的变压器且容量稍考虑些裕量，这样可以在一回线路或设备故障时另一回线路可部分供应故障回路的用电。

3.5 10kV开关柜及10kV电动机

砂石系统中经常有大于300kW的大功率电动机。出于安全的考虑，西方国家很少使用高压电动机，但在中国10kV和6kV的电动机是很常见的。砂石系统中处理量大的破碎机、大功率水泵很多就是由国内生产的高压电动机配套。

通常450kW以下的笼型高压电机是直接启动的，一般在高压配电所为每台高压电机设一台高压开关柜，在开关柜和电动机之间串接高压接触器以适用于高压电机的频繁启停。450kW以上的笼型高压电机通常串电抗启动，启动柜经常和开关柜做成一体。而绕线式电动机通常采用转子串频敏变阻器启动，像直接启动的电动机一样，需设置高压开关柜和高压接触器。所有电动机的高压开关柜在柜内设过负荷、速断、零序保护。

高压开关柜多用XGN型。

4 0.4kV配电

4.1 砂石加工系统的工厂化特点

谈到砂石加工系统的0.4kV配电设计，不得不考虑以下四个规范：

①GB 50052-2009 供配电系统设计规范；

②GB 50054-2011 低压配电设计规范；

③GB 50194-2002 建设工程施工现场供用电安全规范；

④JG J46-2005 施工现场临时用电安全技术规范。

之所以首先提出这几个规范，是因为出于整体设计的考虑，首先确定砂石加工系统的低压用电是不是属于“施工现场临时用电”，是不是必须遵守JG J46-2005《施工现场临时用电安全技术规范》，这是个十分重要的设计前提。

出于对施工安全用电的严格考虑，建设部于二〇〇五年三月十七日颁布了《JG J46-2005施工现场临时用电安全技术规范》以替代《JG J46-88施工现场临时用电安全技术规范》，该规范提出的“三级配电、两级保护”原则、开关箱“一机、一闸、一漏、一箱”原则和动力、照明配电分设原则已成为建设工程适用广泛和几乎人尽皆知的常识。

按照一般的理解，建设工程的砂石系统无疑是属于“施工现场”的，其用电期限通常也只有3、5年，很少数有超过8年的，也符合“临时用电”的性质。据此，JGJ46-2005是必须严格遵守的。问题在于，现代化的大型砂石系统都由数百台套设备组成的，正常运行时都是集中自动控制的。

①对这种大量集中自动控制的设备群的每台设备，都实行“一闸、一箱”没有实质意义也必会大大增加控制线路的复杂性。

②对如此大量的设备都实行“三级配电”必会增加一次线路的复杂性，且大大增加配电成本。事实上，国内前几年及现今大型砂石系统的设计实践中，大多采用“两级配电”，很少有达到三级配电的。

基于上述理由及砂石加工系统相对一般的施工现场而言，工况条件更加接近工厂特点，其作业管理也更接近工厂模式，故笔者认为对于建设工程的砂石加工系统，严格遵守上述第1、2、3条规范即可，对于第4条规范，可作为参考。当然，JG J46-2005规定的安全原则是遵守的，系统建设期的用电更是必须严格按规范执行的。

4.2 低压配电柜及设备开关箱

砂石加工系统的一级配电柜常见的选型有GGD型和GCK型。GGD型柜应用广泛，经济，配电方案更加灵活；GCK柜相对应用少些，但其是抽屉式结构，维修时可采用更换备用抽屉的方法从而大大缩短故障处理时间，这对连续运行的砂石加工系统是很重要的，缺点是该柜型相对于GGD柜型而言，同样的配电方案增加成本约30%。

现场配电柜通常选用XL21户外型，按现场需要，一般做成非标配电方案。(www.xing528.com)

砂石加工系统的开关箱 （启动柜、启动器） 分两种方式，一种是设备厂家配套的，如破碎机、棒磨机等，无需另行设计；另一种是设备不配套的，如胶带机、筛分机、洗砂机等。一般55kW以下的设备做成直接启动器，可按QC型磁力启动器选型设计。55kW及以上的电动机采用降压启动。前几年，普遍采用JJ1B型自耦变压器降压启动柜，近来则逐渐被启动平稳且故障率极低的软启动器所替代。

按照《JG J46-2005施工现场临时用电安全技术规范》要求，开关箱必须设一级漏电保护，漏保动作电流不大于30mA、动作时间不大于0.1s。

除集中控制外，各单台设备可在开关箱就地控制启停 （在集控台允许的前提下），除开关箱的按钮之外，常常设置设备的事故关机开关，该开关一般设在操作人员最易就近操作的部位，胶带机则沿机身每20m左右设置一个 （有些砂石系统则沿胶带机机身拉绳开关），最常使用的是HZ10型气密式组合开关。

4.3 低压电力电缆

砂石加工系统中最常用的低压电缆型号为VV型、YJV型、YC型。VV型电缆价格最便宜，使用最为广泛。YJV型价格稍贵，但同样截面的载流量比VV型大，故同等条件下可选用比VV型小一级的截面，总体说来电缆成本与VV型是相近的。YC型是橡套软电缆，载流量与YJV型相近，可承受一定的轴向拉力，在移动设备或较长距离时的垂直敷设时经常选用。

电缆截面的计算与上述2.3节所述相同。根据一般的计算和实践经验，在距离小于200m时，通常每1kW的电动机负荷需用接近并稍小于1mm2的电缆截面。

砂石系统内部的电缆敷设根据现场场地的不同，可选用电缆沟、电缆桥架、电缆挂钩等方式。在电缆沟或电缆桥架内，如果有多种用途的电缆，则按层次分别敷设按电压等级由高至低的电力电缆、强电至弱电的控制和信号电缆、通信电缆的顺序排列。电缆沟应有良好的排水能力，电缆桥架应做良好的电气连接和接地。在敷设电缆线路时，尽可能选择距离最短的线路；同时应顾及已有的和拟建的房屋建筑位置，尽量减少或避免穿越各种管道、道路和弱电电缆的次数。在电缆线路经过的地方尽可能保证电缆不致受到各种外力损伤 （机械损伤、化学损伤、地下电流电腐蚀等）。

因为采用TN-S接地方式，大量的电力电缆将采用五芯电缆。

4.4 电气主接线

根据负荷计算结果及选定柜型和电缆后，即可据此配置电气主接线。通常在配电所内设置一级配电柜，一级配电柜不能直接作为设备的开关箱，无论如何，任何设备的配电不能少于两级。

配电开关一般按近进线柜侧大，远进线柜侧小的原则排列，这样可减少流经母线的电流。

具有3个回路以上的配电柜应设总刀开关及分路刀开关。每一分路刀开关不应接2台或2台以上电气设备，不应供2个或2个以上作业组使用。照明、动力合一的配电箱应分别装设刀开关。

每回路的保护装置设定按“过负荷保护电流≤线路允许持续电流的0.8倍、短路保护电流≤线路允许持续电流的1.1倍”取。

4.5 低压无功补偿

砂石系统的主要负荷是电动机负荷，且单台电机正常运行时大多数只有额定负荷50%～70%负荷量，故功率因数是很低的，无论从保证电网的电能质量还是从经济角度出发，在低压侧加装无功补偿装置是必需的。无功补偿可降低无功分量，从而且降低损耗。

无功补偿的电容容量按无功功率曲线或无功补偿计算方法确定，无功功率曲线可从计算手册中查知。这里介绍工程上多数采用的无功补偿计算方法确定补偿容量，计算公式如下：

式中：QC——人工补偿的无功功率，kvar；

Pca——有功计算负荷 （kW）；

tgφ1——补偿前用电单位自然功率因数角正切；

tgφ2——补偿后用电单位功率因数角正切值；

砂石系统中，一般取cosφ1=0.75、cosφ2=0.9，经计算，qc=tgφ1－tgφ2=0.398，即每1kW的计算负荷约需0.398kvar的补偿电容。如果按前述计算方法确定变压器的容量，通常补偿电容kvar数约为变压器容量数的1/3。

5 照明

砂石加工系统运行期间照明涉及采石场开挖、石料堆场、廊道、人行道及弃渣道路、空压站、水泵房、机械加工及机电修配车间、砂石加工车间、物资设备仓库、办公室、调度室、值班室、配电所和实验中心等项目。

5.1 光源、灯具及线缆的选择

根据现场的实际情况，对于大面积露天堆场、生产作业区主要选用镝灯、卤钨灯；对人行道和弃渣运输道路，选用白炽灯或高压钠灯；物资设备仓库、办公室、调度室、值班室、配电所和实验中心选用日光灯；胶带机沿机身设工矿白炽灯；其余部位选用白炽灯。

照明电缆一般选用YC型电缆、电线一般选用BV型和BVR型。

5.2 照明度

各照明点最低照明度满足表1规定的数值。

表1 各照明点最低照明度规定数值表

5.3 照明供电网络

照明网络采用380/220V中心点接地的三相四线制系统，电源取自各配电所照明回路，在廊道等处设供安全通行用的事故照明。灯用电压以220V为主，部分采用380V （如镝灯），在廊道内等潮湿和易触及带电体、危险而又不便于工作的狭长地点选用36V或24V电压。

照明线路的敷设按环境条件、安装维护方便等来决定，室内照明线路以沿墙穿管暗敷为主；廊道及砂石加工车间主要通过角钢支架明敷；其余部位采用电缆明敷。

所有正常不带电的电气设备金属外壳、金属构架等均按规程要求可靠接地。

6 防雷及接地

6.1 防雷

6.1.1 砂石加工系统防雷装置包括避雷器、避雷网 (或避雷针) 和消雷塔

①避雷器用于保护电力线路、电力变压器和电动机，防止雷电侵入室内。其接地引下线与被保护设备的外壳及低压零线相连接后共同接地。为防止发生反击事故，配电所内外的接地装置连成一个整体，做成环状接地网，不允许出现开口，以降低跨步电压和接触电压。

②避雷网用于建、构筑物的防雷。由于最可能受雷击的地方常常是山墙、屋脊、烟窗、通风管道，沿房屋边沿或屋顶敷设接地金属带构成避雷网，并充分利用钢筋混凝土屋面中的钢筋做接闪器。通常高度在20m以上的设备或构筑物须设避雷网。避雷网用避雷针做接闪器时，一般长度1～2m。

③消雷塔：砂石系统如果有较大面积的平面作业面 （如采场），通常可设若干个消雷塔，各消雷塔的接地用扁钢或圆钢相互连接。

6.1.2 防雷设计还需注意如下几点

①架空进出线的杆上绝缘上铁角等须作防雷接地；

②接闪器防雷覆盖范围的计算方法采用滚球法计算；

③所有防雷装置的冲击接地电阻不得大于30Ω；

④安装避雷针 （接闪器） 的机械设备，所用固定的动力、控制、照明、信号及通信路线，宜采用钢管敷设，钢管与该机械设备的金属结构体做电气连接；

⑤做防雷接地机械上的电气设备，所连接的PE线必须同时做重复接地，同一台机械电气设备的重复接地和机械的防雷接地可共用同一接地体，但接地电阻应符合重复接地电阻值的要求。

6.2 接地

6.2.1 一般原则

砂石系统采用TN-S接零保护方式，即工作零线和保护零线分开设置，工作零线 （N线） 必须通过总漏电保护器，保护零线 （PE线） 必须由电源进线零线重复接地处或总漏电保护器电源侧零线处引出。工作零线和保护零线在总漏电保护器后不得再做电气连接，保护零线 （PE线） 须单独设置。

TN系统的在电力变压器处的工作接地其接地电阻一般不应大于4Ω。

架空线路终端、总配电盘及区域配电箱与电源变压器的距离超过50m以上时，其保护零线 （PE线） 应作重复接地，重复接地电阻不应大于10Ω。

保护零线和相线的材质应相同，保护零线的最小截面应符合表2的规定。

表2 保护零线最小截面

6.2.2 接地体及接地网

各配电所、各加工车间均设置接地系统，接地系统一般绕配电所做环行连接，一般垂直接地体用75mm镀锌角钢、水平接地体用镀锌40mm扁钢，垂直接地体距离不小于5m、水平接地体埋深不小于800mm。

廊道等混凝土结构物的钢筋网经常用来作为接地网 （接地或重复接地） 的一部分。

如果土壤电阻率较大时可使用降阻剂降阻，若使用降阻剂仍不能达到电阻要求时，可将各单体接地系统通过接地网干线互连形成接地网。

6.2.3 PLC及中控系统接地

对PLC及中控系统，当电气接地网接地电阻≤1Ω时，则直接接至电气接地网；当电气接地网接地电阻较大时，则需独立设置接地系统，单独安排接地，接地电阻要求≤1Ω。弱电系统接地分保护接地和屏蔽接地，所有的操作员机柜、控制站机柜、端子柜等均接保护地，而屏蔽地可以把信号传输时所受到的干扰屏蔽掉，提高信号质量，保护接地和屏蔽接地连线使用铜芯绝缘电线或电缆连接到电气专用接地网或弱电系统独立接地系统。

7 砂石加工系统设计常用的设计规范

砂石系统供配电设计像任何设计一样，依据和遵循规范是根本的基础，现将最常用的规范目录汇总如下，以供参考。

①GB 50052-2009 供配电系统设计规范；

②GB 50053-94 10kV及以下变电所设计规范；

③GB 50054-2011 低压配电设计规范；

④GB 50055-2011 通用用电设备配电设计规范；

⑤GB 50194-2002 建设工程施工现场供用电安全规范；

⑥JG J46-2005 施工现场临时用电安全技术规范；

⑦GB 50054-2011 低压配电设计规范；

⑧GB 50060-2008 3～110kV高压配电装置设计规范；

⑨GB 50217-2007 电力工程电缆设计规范；

⑩GB 50034-2004 建筑照明设计标准。

8 结语

砂石加工系统供配电的设计，既涉及多种标准、规程规范；又要考虑砂石系统工况和工艺流程特点、机械设备选型状况；还要依据主电源点 （10kV开关站等） 及地形地貌的不同等，在此基础上进行综合分析、优中选优，才能找到满足砂石系统工艺和工况要求、符合电气规程规范、经济合理的最佳方案。随着科技的不断进步和发展，砂石加工系统供配电方案也将不断改进和完善，还会有更好更优更新颖的设计方案需要人们发掘和探讨。

◎作者简介：

李炳松，男，高级工程师，葛洲坝五公司埃塞俄比亚分公司副总经理。