造紙車間供配電系統設計探討

【摘要】根據工藝特點對造紙車間供配電系統設計內容進行探討，包括負荷分類及統計、無功補償、變電所設置、高低壓配電系統等，力求造紙車間供配電系統安全、可靠、經濟、節能。

【關鍵詞】造紙車間;用電負荷;變電所;供配電系統

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

近年來，隨之我國經濟蓬勃發展，用紙需求快速增長，同時環保要求日益嚴格，落后產能不斷被淘汰，使得造紙業出現產能越來越集中，單機規模越做越大的現象。此外，為了節能、環保及工藝需求，大量新型工藝設備以及電氣裝置投入使用，電能質量也越來越受到人們關注。這些均對造紙車間供配電系統提出了更高要求。合理規劃供配電系統，對造紙企業降低投資、節能環保，運營維護至關重要。本文以某實際造紙工程為例，簡要闡述造紙車間供配電系統組成以及設計過程中應注意的一些問題。

1、負荷分類及統計

造紙車間用電設備繁多，負荷類型等級各有不同。有連續工作的傳動設備，也有斷續工作的水泵、攪拌器;有照明、通風等公用系統負荷，也有排煙風機等消防負荷。在進行負荷統計時通常采用需要系數法，剔除備用、檢修負荷以及平時不工作的消防負荷，按負荷工作時間及出力情況將設備功率乘以需要系數，再考慮各設備同時工作情況乘以同時系數，得出車間總計算負荷。即：

根據GB50052-2009《供配電系統設計規范》，制漿造紙生產為連續過程，中斷供電將給企業帶來較大經濟損失，因此造成車間主要生產負荷應按二級負荷考慮。車間一些軸流風機、卷簾門、崗位空調等停電影響不大的用電設備按三級負荷考慮。造紙車間通常情況無一級用電負荷。

2、無功補償

造紙車間用電設備多為籠型異步電動機，電機功率因數基本在0.8左右，無功補償的投入可以提高系統供電能力，節省電能，保證系統穩定運行。

造紙車間廣泛利用靜電電容器作為無功補償電源。采用分層分區，就地平衡的原則，分別對高低壓系統進線無功補償。使得補償后的電源總進線功率因數達到0.9以上。采用最大負荷計算補償容量公式如下。

3、變電所設置

變電所設置應充分考慮負荷分配、供電半徑、場地空間等因素，滿足車間負荷用電需求的同時，變電所應盡可能靠近負荷中心，以縮短供電半徑，減少電纜投資，降低能耗，以及簡化供配電系統。造紙車間負荷主要集中在造紙工段和制漿工段。因此，對于中等規模造紙工程，在制漿工段和造紙工段合適位置分別設置高壓配電室作為車間主供電源，較為常見。同時，在制漿工段、紙機濕部、紙機干部以及復卷工段分別設置變壓器室、低壓配電室以及傳動控制室。對于零散的用電負荷點，由就近電源點供電。

4、高低壓配電系統

按工藝流程來分，造紙工藝大致由備漿系統、配漿及流送系統、紙機傳動系統、清水、噴淋水、密封水、冷卻水系統、白水及纖維回收系統、蒸汽冷凝水系統、真空系統、損紙系統、化學品制備系統、膠料制備系統、紙機通風系統以及完成工段等組成。各個系統均配有相應用電設備。根據各系統設備的平面布置、運行工況、電機功率及啟動方式等設計合理的供配電系統，對造紙車間安全運行，節能環保以及降低投資至關重要。

本文以某中型造紙工程為例，對造紙車間供配電系統進行簡要分析。該車間總計算負荷約為50MW，車間總進線電源電壓為10kV。

4.1 高壓配電系統

高壓配系統主接線應兼顧安全、經濟、可靠的運行原則，同時考慮造紙車間運行特點，便于設備檢修維護以及遠期增產改造。

本工程在制漿工段和造紙工段分別設一高壓配電室，根據負荷劃分結果，制漿工段變電所計算負荷約為18MW，造紙工段變電所計算負荷約32MW。因此，在制漿車間高壓配電室引入兩回10kV電源，造紙車間高壓配電室引入四回10kV電源，10kV系統采用單母線分段接線，分列運行方式。每兩段母線進線電源互為暗備用。即每回10kV進線容量均考慮另一回中斷供電時，滿足兩段母線上的全部二級負荷供電要求。

高壓設備選擇應滿足所在回路額定電壓和額定電流以及動、熱穩定校驗要求?；芈烽_關設備選用真空斷路器，開斷能力滿足短路開斷要求。

造紙車間10kV線路均由電纜構成，單線接地電容電流由下式計算。

4.2 變壓器

變壓器總容量應考慮其中一臺變壓器退出運行后，其余變壓器能承擔全部二級負荷。本工程選用耐污性能好、過負荷能力高的油浸式變壓器，變壓器接線型式除傳動變壓器外均為Dyn11，可有效抑制諧波電流，提高低壓單相短路保護的靈敏性。

4.3 低壓配電系統

4.3.1常規低壓配電系統

常規低壓配電系統主要指除傳動系統外的用電設備的配電系統，如泵、攪拌器、碎漿機等。低壓系統配電宜先根據設備平面布置以及工藝流程對各變壓器下的負荷進行劃分，盡可能使各變壓器的容量得到充分利用同時減少過負荷情況發生。此外，根據負荷類型選擇不同配電型式，二級負荷采用專用回路放射式供電。三級負荷采用放射式與樹干式相結合的方式供電。低壓系統采用單母線接線方式，各母線間設置聯絡開關。

考慮事故停電或停機檢修仍有部分負荷需要用電，例如照明、檢修、行車等。一般會為該部分負荷設置雙電源低壓母線段，兩路進線電源來自不同變壓器。

對于排煙風機、防火卷簾門等火災時仍需正常工作的消防應急負荷，除正常電源外還需從消防母線段引一回應急電源。雙電源在供電末端實現自動切換。而消防母線段電源可引自柴油發電機或其他車間低壓母線段，也可引自本車間不同防火分區的低壓母線段。

低壓設備選擇應滿足所在回路額定電壓和額定電流以及動、熱穩定校驗要求。低壓主進線及聯絡斷路器選擇容量較大的框架斷路器，設過載長延時、短路短延時保護脫扣器。其他低壓斷路器選擇塑殼斷路器，設過載長延時、短路瞬時脫扣器，火災消防回路設分勵脫扣器，這些回路既可以在自動互投時，卸載部分負荷，防止變壓器過載，又可以在火災時，切斷火災場所非消防相關設備電源?？紤]短路電流的危害，低壓系統框架斷路器的額定運行短路分斷能力、短時耐受電流以及塑殼斷路器的極限運行短路分斷能力均應大于低壓側最大短路電流。因為框架斷路器主要用于進線回路和聯絡回路，更換斷路器會影響整條母線的負荷，因此框架斷路器不但應具備在短延時脫扣前的時間段內忍受相應短路電流的能力，還應在分斷短路電流后，仍可以正常工作。而塑殼斷路器一般裝在配電系統末端，更換斷路器影響不大，因此只要能瞬間分斷相應短路電流即可。

低壓系統接地型式選用零線及地線嚴格分開的TN-S系統，較為安全可靠。見圖1。

4.3.2紙機主傳動系統

造紙車間主傳動系統因其本身的特殊性，其配電系統會獨立于車間常規低壓配電系統。其特殊性主要在于（1）速度控制精度高。紙機傳動是多單元速度協同控制系統，從網部、壓榨部、前烘缸、后烘缸到壓光、卷曲等眾多傳動點，每個部分的速度都有著嚴格要求。在紙機傳動中，要對各傳動點進行高精度的速度控制，保證紙張按所限定的伸展率進行延展，從上漿到上卷的整個過程，要保持紙幅一定的速度級聯，否則紙張便會出現斷裂、卷曲、褶皺、壓痕等問題。（2）主傳動系統均為變頻電機，諧波含量高。調速變頻器由于其非線性元件存在使其成為傳動系統諧波主要來源。若不采取處理措施，該諧波會給其他用電設備帶來不利影響。

因此，紙機主傳動系統通常采用單獨的整流型變壓器供電。一般而言主傳動變壓器會選用Dy11和Dd0兩種接線型式交替組合，即將工作制度相同且整流型變壓器容量相等的傳動設備設為一組，一臺整流型變壓器采用Dy11接線，另一臺采用Dd0接線。成對的整流型變壓器與整流器組合成三相橋式12脈波整流電路，再通過公共直流母線將電流傳遞各個逆變器以驅動各傳動電機運轉。這種方式不但高效節能還可以大大減小系統諧波，也是紙機傳動系統常用的一種形式。

紙機傳動系統接地型式一般采用IT系統，因其供電可靠性高、安全性好，可以滿足傳動系統連續供電要求。

4.3.3復卷機傳動系統

復卷機是將紙機生產的原紙卷經過定寬分切、整理再復卷成成品紙卷的設備。主要有退紙輥、引導棍、縱切裝置、卷取底棍和壓紙棍等部分，各部分均配備相對應的傳動電機，復卷過程中各傳動點速度應相互配合，保持同步，否則便會出現有的傳動輸出不足，而有的傳動過負荷，最終導致斷紙。

復卷機傳動系統與紙機傳動系統的配電比較類似，為保證和其他低壓設備不相互影響，一般情況下也是由單獨變壓器配電。

結語：

造紙車間負荷較大，各負荷特點不一，在進行造紙車間供配電系統設計時，要充分考慮各負荷用電需求，做到變電所選址合理，供配電系統與工藝流程相協調，盡可能縮短供電半徑，嚴格遵守規范要求，使整個供配電系統安全、可靠、節能。

參考文獻：

[1]中國航空規劃設計研究總院有限公司組編.工業與民用配電設計手冊（第四版）[M].北京：中國電力初版社.2016.

[2]戈東方主編.電力工程電力設計手冊電氣一次部分[M].北京：中國電力出版社，2000.

作者簡介：陳輝華（1988.07-），男，工程師，碩士，研究方向：工業供配電設計工作。