工厂供配电发展研究论文

题目：低压网功率因数对供电企业的影响系部：专业：电气工程及其自动化姓名：班级：学号：指导教师：摘要随着我国电力的不断发展，对于供用电的要求也越来越严格，它是我们日常生活中不可缺少的部分，是整个国民经济的重要组成部分，它直接影响着工农业生产的发展和人民生活的提高，是当今社会经济发展和人民群众日常生活不可缺少的主要能源。对广大供电企业来说，用户功率因数的高低，直接关系到电力网中的功率损耗和电能损耗，关系到供电线路的电压损失和电压波动，而且关系到节约用电和整个供电区域的供电质量，这是众所周知的道理。因此，提高电力系统的功率因数，已成为电力工业中一个重要课题，而提高电力系统的功率因数，首先就要提高各用户的功率因数。文中简要集中探讨了影响电网功率因数的主要因素以及低压无功补偿的几种使用方法，以及确定无功补偿容量从而提高电力系统功率因数的一般方法。[关键词] 功率因数 影响因素 补偿方法 容量确定目录一、绪论 4二、主要内容： 61、影响功率因数的主要因素 、电感性设备和电力变压器是耗用无功功率的主要设备 、供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大影响 、电网频率的波动也会对异步电动机和变压器的磁化无功功率造成一定的影响 72、低压网的无功补偿 、低压网无功补偿的一般方法 、 随机补偿 、 随器补偿 、跟踪补偿 、 采用适当措施，设法提高系统自然功率因数 、合理选用电动机 、 提高异步电动机的检修质量 、 采用同步电动机或异步电动机同步运行补偿 、 正确选择变压器容量提高运行效益 113、 功率因数的人工补偿 、 变电站最常用的安装并联电容器组 并联补偿移相电容器，应满足以下电压和容量的要求 分相补偿 13三、结束语 14四、参考文献 15一、绪论许多用电设备均是根据电磁感应原理工作的，如配电变压器、电动机等，它们都是依靠建立交变磁场才能进行能量的转换和传递。为建立交变磁场和感应磁通而需要的电功率称为无功功率，无功功率是恒量能量转换规模的物理量；因此在供用电系统中除了需要有功电源外，还需要无功电源，两者缺一不可。在功率三角形中，有功功率P与视在功率S的比值，称为功率因数COSφ，其计算公式为：COSφ=P/S 在电力网的运行中，功率因数反映了电源输出的视在功率被有效利用的程度，我们希望的是功率因数越大越好。这样电路中的无功功率可以降到最小，视在功率将大部分用来供给有功功率，从而提高电能输送的功率。用户功率因数的高低，对于电力系统发、供、用电设备的充分利用，有着显著的影响。无功功率补偿，又叫就地补偿，适当提高用户的功率因数，不但可以充分的发挥发、供电设备的生产能力、减少线路损失、改善电压质量，而且可以提高用户用电设备的工作效率和为用户本身节约电能。因此，对于全国广大供电企业，不但可以减轻上一级电网补偿的压力，改善提高用户功率因数，而且能够有效地降低电能损失，减少用户电费。其社会效益及经济效益都会是非常显著的。二、主要内容：1、影响功率因数的主要因素、电感性设备和电力变压器是耗用无功功率的主要设备大量的电感性设备，如异步电动机、感应电炉、交流电焊机等设备是无功功率的主要消耗者。据有关的统计，在工矿企业所消耗的全部无功功率中，异步电动机的无功消耗占了60％～70％；而在异步电动机空载时所消耗的无功又占到电动机总无功消耗的60％～70％。所以要改善异步电动机的功率因数就要防止电动机的空载运行并尽可能提高负载率。电力变压器消耗的无功功率一般约为其额定容量的10％～15％，它的空载无功功率约为满载时的1/3。因而，为了改善电力系统和企业的功率因数，变压器不应空载运行或长期处于低负载运行状态。、供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大影响当供电电压高于额定值的10%时，由于磁路饱和的影响，无功功率将增长得很快，据有关资料统计，当供电电压为额定值的110％时，一般无功将增加35％左右。当供电电压低于额定值时，无功功率也相应减少而使它们的功率因数有所提高。但供电电压降低会影响电气设备的正常工作。由Q=UI*Sin?推出Sin?=Q∕UI,所以，应当采取措施使电力系统的供电电压尽可能保持稳定。、电网频率的波动也会对异步电动机和变压器的磁化无功功率造成一定的影响综上所述，我们知道了影响电力系统功率因数的一些主要因素，因此我们要寻求一些行之有效的、能够使低压电力网功率因数提高的一些实用方法，使低压网能够实现无功的就地平衡，达到降损节能的效果。2、低压网的无功补偿、低压网无功补偿的一般方法低压无功补偿我们通常采用的方法主要有三种：随机补偿、随器补偿和跟踪补偿。下面简单介绍这三种补偿方式的适用范围及使用该种补偿方式的优缺点。、 随机补偿随机补偿就是根据个别用电设备对无功的需要量将单台或多台低压电容器组分散地与用电设备并接，它与用电设备共用一套断路器。通过控制、保护装置与电机同时投切。随机补偿适用于补偿个别大容量且连续运行(如大中型异步电动机)的无功消耗，以补励磁无功为主。此种方式可较好地限制农网无功峰荷。随机补偿的优点是：用电设备运行时，无功补偿投入，用电设备停运时，补偿设备也退出，不会造成无功倒送，而且不需频繁调整补偿容量。具有投资少、占位小、安装容易、配置方便灵活、维护简单、事故率低等优点。、 随器补偿随器补偿是指将低压电容器通过低压开关接在配电变压器二次侧，以无功补偿配电变压器空载无功的补偿方式。配变在轻载或空载时的无功负荷主要是变压器的空载励磁无功，配变空载无功是农网无功负荷的主要部分，对于轻负载的配变而言，这部分损耗占供电量的比例很大，从而导致电费单价的增加，不利于电费的同网同价。随器补偿的优点：接线简单、维护管理方便、能有效地补偿配变空载无功，限制农网无功基荷，使该部分无功就地平衡，从而提高配变利用率，降低无功网损，具有较高的经济性，是目前无功补偿中常用的手段之一。、跟踪补偿跟踪补偿是指以无功补偿投切装置作为控制保护装置，将低压电容器组补偿在大用户母线上的补偿方式。适用于100KVA以上的专用配电用户，可以替代随机、随器两种补偿方式，补偿效果好。跟踪补偿的优点是运行方式灵活，运行维护工作量小，比前两种补偿方式寿命相对延长、运行更可靠。但缺点是控制保护装置复杂、首期投资相对较大。但当这三种补偿方式的经济性接近时，应优先选用跟踪补偿方式。、 采用适当措施，设法提高系统自然功率因数提高自然功率因数是不需要任何补偿设备投资，仅采取各种管理上或技术上的手段来减少各种用电设备所消耗的无功功率，这是一种最经济的提高功率因数的方法。下面将对提高自然功率因数的措施做一些简要的介绍。、合理选用电动机合理选择电动机，使其尽可能在高负荷率状态下运行。在选择电动机时，既要注意它们的机械特性，又要考虑它们的电气指标。举例说，三相异步电动机（100KW）在空载时功率因数仅为，1/2负载时约为，而满负载时可达。所以核算负荷小于40%的感应电动机，应换以较小容量的电动机，并合理安排和调整工艺流程，改善运行方式，限制空载运转。故从节约电能和提高功率因数的观点出发，必须正确合理的选择电动机的容量。、 提高异步电动机的检修质量实验表明，异步电动机定子绕组匝数变动和电动机定、转子间的气隙变动是对异步电动机无功功率的大小有很大影响。因此检修时要特别注意不使电动机的气隙增大，以免使功率因数降低。、 采用同步电动机或异步电动机同步运行补偿由电机原理可知，同步电动机消耗的有功功率取决于电动机上所带机械负荷的大小，而无功取决于转子中的励磁电流大小，在欠激状态时，定子绕组向电网“吸取”无功，在过激状态时，定子绕组向电网“送出”无功。因此，只要调节电机的励磁电流，使其处于过激状态，就可以使同步电机向电网“送出”无功功率，减少电网输送给工矿企业的无功功率，从而提高了工矿企业的功率因数。异步电动机同步运行就是将异步电动机三相转子绕组适当连接并通入直流励磁电流，使其呈同步电动机运行状态，这就是“异步电动机同步化”。因而只要调节电机的直流励磁电流，使其呈过激状态，即可以向电网输出无功，从而达到提高低压网功率因数的目的。、 正确选择变压器容量提高运行效益对于负载率比较低的变压器，一般采取“撤、换、并、停”等方法，使其负载率提高到最佳值，从而改善电网的自然功率因数。如：对平均负荷小于30%的变压器宜从电网上断开，通过联络线提高负荷率。通过以上一些提高加权平均功率因数和自然功率因数的叙述，或许我们已经对“功率因数”这个简单的电力术语有了更深的了解和认识。知道了功率因数的提高对电力企业的深远影响，下面我们将简单介绍对用电设备进行人工补偿的方式和对补偿容量的确定方法。3、 功率因数的人工补偿功率因数是工厂电气设备使用状况和利用程度的具有代表性的重要指标，也是保证电网安全、经济运行的一项主要指标。供电企业仅仅依靠提高自然功率因数的办法已经不能满足工厂对功率因数的要求，工厂自身还需要装设补偿装置，对功率因数进行人工补偿。、 变电站最常用的安装并联电容器组 从上图可以看出，在原来的电路中根据基尔霍夫定律，流入的电流等于流出的电流，但是并联接入电容器，在相量图中得知?角明显小于原来的角，因此，能提高功率因数，提高线路电能传输能力，减少线路上的损耗。 并联补偿移相电容器，应满足以下电压和容量的要求Ue?c≥Ug?cnQg?c≥Qc式中Ue?c——电容器的额定电压（KV）Ug?c——电容器的工作电压（KV）n——并联的电容器总数Qg?c——电容器的工作容量（Kvar）Qc——电容器的补偿容量（Kvar） 分相补偿在民用建筑中大量使用的是单相负荷，照明、空调等由于负荷变化的随机性大，容易造成三相负载的严重不平衡，尤其是住宅楼在运行中三相不平衡更为严重。由于调节补偿无功功率的采样信号取自三相中的任意一相，造成未检测的两相要么过补偿，要么欠补偿。如果过补偿，则过补偿相的电压升高，造成控制、保护元件等用电设备因过电压而损坏；如果欠补偿，则补偿相的回路电流增大，线路及断路器等设备由于电流的增加而导致发热被烧坏。这种情况下用传统的三相无功补偿方式，不但不节能，反而浪费资源，难以对系统的无功补偿进行有效补偿，补偿过程中所产生的过、欠补偿等弊端更是对整个电网的正常运行带来了严重的危害。 对于三相不平衡及单相配电系统采用分相电容自动补偿是解决上述问题的一种较好的办法，其原理是通过调节无功功率参数的信号取自三相中的每一相，根据每相感性负载的大小和功率因数的高低进行相应的补偿，对其它相不产生相互影响，故不会产生欠补偿和过补偿的情况。三、结束语本文浅谈了功率因数对广大供电企业的影响以及提高功率因数所带来的经济效益和社会效益，尤其是最重要的线损（最为重要的是降损，分为技术降损和管理降损），介绍了影响功率因数的主要因素以及提高功率因数的一般方法，还阐述了如何确定无功功率的补偿容量及无功功率的三种人工补偿的具体方式。我们只有端正自己的认知态度，很好的去归纳，总结这些知识的重要部分，做好自己的本质工作，并且能在此基础上再更上一个台阶，用自己的实际行动，为供电事业贡献出自己的微薄之力。四、参考文献1、运新，《电监察》水利电力出版社 2、靳龙章 丁毓山，《网无功补偿实用技术》国水利水电出版社

工厂供电，是指将电能通过输配电装置安全、可靠、连续、合格的销售给工厂用户，满足广用户经济建设和生活用电的需要。下面是由我整理的工厂供电技术3000字论文，希望能对大家有所帮助！

[摘 要]如果有人问你21世纪是什么时代，你的脑海里浮现的是信息时代、电子时代还是技术时代?我想在我的世界里，21世纪应该是一个绿色节能时代，一方面，在科技、经济、技术高速发展的时代面前，人们开始更多的关注可持续发展，更多的关注节能环保，另一方面，21世纪属于市场经济，对于市场经济而言利润是唯一的驱动力，厂商或者工厂要想实现利润最大化，必须尽可能的缩小成本，而电能的使用在厂商的成本 中占据着很大的一部分比例，因此，供电系统节能方法研究成为每一个厂商不得不关注的问题。

本着发现问题，分析问题，解决问题的研究方法对工厂供电系统节能问题进行研究，首先谈谈什么是工厂供电系统，所谓供电系统就是由能产生电能的电源系统输送给用电的输配电系统共同构成。其次，我们不得不思考为什么会产生工厂供电系统的消耗，具体而言，我认为有俩方面原因，从技术角度来看，我国工厂在变压器的选择，功率因数补偿以及检测与维修方面都存在漏洞。从管理模式来看，我们并没有形成一套完整的领导负责，员工尽责的体系。因此，我们的研究应该深入这俩个方面，究其根源，寻找解决思路。

1.在管理方面存在的漏洞

从总体上来看，我们在管理方面并没有形成完善的体系，没有突出强调领导与员工的责任，我们曾一度对张瑞敏管理海尔的理念津津乐道，也曾一度对乔布斯的管理思想赞不绝口，但是，在我们看到这些顶级的管理者带领一个企业走向全球，走向伟大时，我们是否思考了管理对一个企业成长的重要性。缩小视角，就工厂供电系统节能方面，我们都存在众多缺陷。从一个角度而言，我们没有建立相关的奖惩机制，这使得加强工厂供电节能管理这件本身富有挑战的事情对领导与管理者而言缺乏迎接挑战的动力。其次，即使一些管理者看到了节能管理的重要性，但由于缺乏相关领域的培训与研究，使得其对工厂供电节能管理的效果并不明显。从另一个角度来看，员工缺乏浓厚的 企业 文化 底蕴，缺乏家的归属感，并没有把自己当为企业的主人，不能把节约企业能源视为自己应尽的责任，这一方面不利于企业的成本降低、节能环保与可持续发展，另一方面更落空了习不断强调的建设一个勤俭质朴的社会理念。因此，从管理角度来分析，我认为一方面是我们的相关体制还不完善，另一方面，我认为是我们的相关企业文化形成以及 企业管理 培训还存在众多问题。

2.在技术方面存在的问题

从技术层面来看，首先，我们很难大量引进节能增效设备，这不仅是因为我国目前节能增效设备技术并没有达到一定水平，无法批量生产，这使得节能增效设备成本高，工厂将其投入使用未必就能收回成本。其次，节能增效设备操作较为复杂，没有相关知识与技术难以熟练掌握，因此工厂出于经济与技术利益方面考虑，将其弃之不用。再次，电力产品质量以及部分供应商供应的设备并不合格，时常导致不明故障。最后，相关检测与维修人员技术能力有限，由于供电系统具有复杂性、专业技术性强等特点，一旦发生故障无法及时检测出问题并做出有效的修复。

从技术层面具体来看，电压器选择具有重要意义，根据调查显示，变压器消耗的无功功率占整个供电系统无功消耗的百分之二十左右。尽管变压器效率高，但从这个调查数据中，我们可以清晰看到其总损耗仍然不小。因此，如何有效的减少变压器的无功损耗，正确合理的选择变压器型号，科学的运行，就成为了我们在技术上必须解决的难题。

其次，就是有关功率因数的问题，减少企业供电系统损耗，提高企业用电效率一个极其重要的技术层面就是功率因数补偿问题，如何有效的提高供电系统各部分的功率因数，降低设备容量，使用电设备合理的运行，从而减少损耗，实现工厂供电节能又成为我们不得不面对的技术难题。

最后，就是能否有效提高检测与 修理 技术，任何机器，即使世界最领先的机器也有出现问题的时候，任何机器，即使刚刚投入使用，也有定期检测的必要性，因此如果我国工厂相关人员的检测与维修技术无法令人满意，这对企业来说就是巨大的损失。一方面，如果无法定期有效的对设备进行检测，可能造成部分设备老化，从而加大能源消耗与损失。另一方面，当设备出现问题时，不能及时的找到问题，解决问题，恢复设备的正常运转，这不仅是对工厂的资源闲置与浪费，更造成了企业很大的经济损失。因此，提高检测与维修技术，不仅是供电节能的有效 措施 ，更能减少企业的很多不必要的经济损失。

3.管理方面的解决思路

从宏观角度来分析，企业要构建完善的管理制度，实现领导负责，员工尽责的理念。一方面，加强奖罚制度的建立与推广，完善激励机制，对那些具有企业归属感，具有企业文化精神，并将这些文化底蕴有效运用到工厂生产与节能的实践中去的员工，给予一定的精神与物质奖励，从而达到树立先进模范的作用。另一方面，对领导进行节能管理的培训，使得管理者不光从心里具有供电节能的理念，更能在通过学习与培训后，在实践中取得明显的效果。与此同时，对员工也要给予企业归属感，使得员工视企业为自己的家，为企业节约能源，为企业进行供电节能，就是为自己未来着想，更是自己应尽的责任。

4.技术方面的解决思路

首先，做好设备检测与维修工作，这不仅可以减少停电次数与时长，更能防止或减少电能泄漏，从而有效的实现供电节能的目的。具体来说，应该定期更换用电设备的绝缘子，对电路进行检测，并测量接头电阻，及时发现问题，及时解决问题。其次，从变压器角度出发，应该选择那些效率高、损耗低的优质新型节能的变压器，除此之外，还应该保证科学合理的变压器运行方式，通过研究可得，当负荷为变压器功率的百分之七十五时，变压器运行最经济。因此，合理的选择变压器以及科学的运行变压器都对工厂降低电能损耗具有重要的意义。最后，我们还要关注功率因数补偿问题，如果我们可以有效的提高供电系统各部分的功率因数，充分利用变压器的容量，降低设备容量，使设备科学合理的运行，从而减少用电系统的功率损耗来实现工厂供电节能的目标。

综上所述，造成工厂供电消耗的因素是多样的，所以为了最大化工厂供电节能的效果，我们既需要抓管理层面的问题，又不能放过技术层面的漏洞，双管齐下，才能有效的解决问题，实现工厂的可持续发展。

参考文献

[1] 李健.工厂供电系统节能方法研究.科技创业家，2013(02).

[2] 王伯韬.供电系统节能降耗措施探讨.应用科技.

摘要：根据高等 教育 对自动化专业的重视及新时代高等教育对工厂供电课程的需求， 文章 从教学思路，教学内容，教学方式以及课程设计等方面分析了工厂供电课程的 教学方法 。

关键词：自动化;工厂供电;教学改革;工程实践

工厂供电课程是难度较大的一门课程，该课程与大学生之前学过的基础理论课，如高等数学、大学物理以及专业课如自动控制原理、电机拖动之类的课程有很大的不同，一般的课程都有一套理论，而供电课更多的是依靠 经验 公式、查表，各章节之间缺乏必然的联系，使得学生学习困难，缺乏兴趣。因此，探究一种合适的教学方法显得非常重要。

一、理论结合实际，启发式教学

由于学生没有实际经验，直接照本宣科肯定会让学生觉得枯燥，因此教学可结合社会情况以及教师的工程实践经历来激发学生的学习兴趣。如在介绍电力系统的构成之前可先介绍一下中外电力系统的发展史，为什么最初是直流输电，为什么现在是交流输电为主，直流与交流输电各自的优缺点是什么。介绍为什么发电厂发电后要升压进行远距离传输的时候，先告诉学生目前铜是多少钱一吨，帮助学生理解为什么要节省有色金属。在讲负荷计算的章节时，结合具体的计算机电量监测项目直观地说明什么叫三班倒的工作方式，日负荷曲线在工厂中的作用，传统抄表方式的误差以及计算机连续采集的优点。介绍工厂供配电系统的一次接线和二次接线时，教师应带领学生到校变电所，让学生实际观察隔离开关、断路器、高压开关柜、功率表等，对单母线分段形式有一个直观认识。在介绍需用系数法时，可以日常生活中电用具为例，如一盏灯是多少瓦，让学生对教室的灯盏数进行计算，投影仪计算机各是多大功率，根据观察让学生计算出教室应该选多大的空开，应该选多大的变压器等等。通过这些理论结合实际的教学方式，学生的学习兴趣会大大提高，有益于学习效率的提高。

二、对教学内容重新做合理的分配

因供电课更多的是依靠经验公式、查表，容易让人感到枯燥，而课程的顺序一般也是依照工厂供配电初步设计的步骤进行的，教程对有一定实际经验的工作人员可能效果会更好，但对基本没有动手能力的大学生来说，非常容易理论脱离实际，尤其对于仅有32学时的课程设置，更应有所取舍。比如工厂供配电系统的一次接线一章，对于变压器的台数容量选择原则以及变电所一次主接线应该详细介绍，而电压偏移及改善措施需要花较多的时间才能讲透，这种相对不太重要的内容简单介绍即可。还有短路电流一章，分析了短路过程的暂态过程之后直接介绍标么值法求取短路电流，学生很多都不太理解，如果先给学生介绍了有名值法，然后通过实例让学生了解了用有名值法在不同电压等级电抗还要换算，而用标么值法则省去了这个步骤，加深了学生对学习内容的理解。

三、多种教学方式相结合

工厂供配电课的内容较为繁杂，虽然难度不高，但涉及的内容很多，既有公式，又有图表，单一的板书式授课或纯粹的多媒体教学都不能够满足其要求。应灵活教学，以电气设备及其选择为例，如介绍电弧的基本知识时，采用视频资料，不仅能形象展示知识，学生的兴趣也会提高。介绍高压开关电器，则需要通过视频与课件相结合的方式让学生了解断路器，隔离开关以及开关柜的外形、结构、动作原理。介绍断路器的控制回路的时必须展开接线图才能为学生分析合闸过程与分闸过程，这种涉及实物、构造、动作过程等内容的课，用课件和视频结合会取得很好的效果。而当推导一些公式时，用板书推导更能让学生对公式的思路有更清楚的认识，比如三相短路过程的简化分析，单相负荷的计算等内容。因此教学应采取多种方式，才能取得更好的效果。

四、课程设计指导

课程设计是对所学知识一次综合性的 总结 ，对自动化专业的学生来说，课程设计是将理论与实践有机联系起来的一个重要环节，使学生对工厂供配电设计的知识有更加系统的认识，同时也能够培养学生独立思考的能力和实践动手能力。一般来说供电课程设计多是针对变电所的设计，要求学生以电气设计部分为核心，学生可通过查阅工程设计手册和资料，综合多方面的因素，确定电气主接线方式，主变压器的容量、数量的确定，负荷分析及计算，以及短路电流的计算和变电所主要电气设备的选择(包括断路器，隔离开关，互感器等)，在选择时对电气设备进行必要的计算和校验，完成相应图纸的绘制，课程实践应多鼓励学生发扬合作和创新精神。综上所述，工厂供电的教学，教师首先必须强化自身的能力，结合具体的科研项目加深对这门课程的理解，并能将实践经验运用到教学中，使学生更能清楚地了解这门课的相关知识，同时也应增加实践教学，培养学生独立操作能力，这样学生才能切实学好这门课。

参考文献：

[1]弋东方.电气设计手册电气一次部分[M].北京:中国电力出版社,2002.

[2]孟祥萍.电力系统分析[M].北京:高等教育出版社,2004.

[3]刘吉来,黄瑞梅.高电压技术[M].北京:中国水利水电出版社,2004.

引 言燃料电池发电是将燃料的化学能直接转换为电能的过程，其发电效率不受卡诺循环的限制，发电效率可达到50％一70％，被誉为二十一世纪重要的发电新技术之一。目前，国际上磷酸型燃料电池已进入商业化，其它几种燃料电池预计在2005年一2010年200KW一将全面进入商业此。对于这种蓬勃发展的发电新技术，国家电力公司应该采取怎样态度?要不要发展?怎样发展?这些问题亟待解决。一 燃料电池发电的技术特点和应用形式技术特点燃料电池发电是在一定条件下使燃料(主要是H2)和氧化剂(空气中的02)发电化学反应，将化学能直接转换为电能和热能的过程。与常规电池的不同：只要有燃料和氧化剂供给，就会有持续不断的电力输出。与常规的火力发电不同，它不受卡诺循环的限制，能量转换效率高。与常规发电相比燃料电池具有以下优点：(1)理论发电效率高，发展潜力大。燃料电池本体的发电效率可达到50一60％，组成的联合循环发电系统在(10—50)MW规模即可达到70％以上的发电效率。(2)污染物和温室气体排放量少。与传统的火电机组相比，C02排出量可减少40％一60％。Nox(＜2ppm)和SOx(＜1ppm)排放量很少。(3)小型高效，可提高供电可靠性。燃料电池的发电效率受负荷和容量的影响较小。(4)低噪音。在距发电设备3英尺(1．044米)处噪音小于60dB(A)。(5)电力质量高。电流谐波和电压谐波均满足IEEE519标准。(6)变负荷率高。变负荷率可达到(8％一lO％)／min，负荷变化的范围大(20一120)。(7)燃料电池可使用的燃料有氢气、甲醇、煤气、沼气、天然气、轻油、柴油等。(8)模块化结构，扩容和增容容易，建厂时间短。(9)占地面积小，占地面积小于lm2／KW。(10)自动化程度高，可实现无人操作。总之，燃料电池是一种高效、洁净的发电方式，既适合于作分布式电源，又可在将来组成大容量中心发电站，是2l世纪重要的发电方式。制约燃料电池走向大规模商业化的主要因素是：高价格和寿命问题。燃料电池的应用形式(1)现场热电联供，常用的容量为200KW一1MW。(2)分布式电源，容量比现场用燃料电池大，约(2—20)MW。(3)基本负荷的发电站(中心发电站)，容量为(100—300MW)。(4)燃料电池还可用于100W—100KW多种可移动电源、便携式电源、航空电源、应急电源和计算机电源等。二 为什么要在我国电力系统发展燃料电池发电技术采用燃料电池发电是提高化石燃料发电效率的重要途径之一以高温燃料电池组成的联合循环发电系统，可使发电效率达到60—75(LHV)，这一目标将在2005年左右实现。预计到2010年，发电效率可超过72％。煤气化燃料电池联合循环(IGFC)的发电效率可达到62％以上。以燃料电池组成的热电联产机组的总热效率可达到85％以上。燃料电池本体的发电效率基本不随容量的变化而变化，这使得燃料电池既可用作小容量分散电源，又可用于集中发电应用范围广泛。燃料电池发电可有效地降低火力发电的污染物和温室气体排放量燃料电池发电中几乎没有燃烧过程，NOx排放量很小，一般可达到(O．139一0．236)kg／MW?h以下，远低于天然气联合循环的NOx排放量(1kg／MW?h一3kg/MW．h)。由于燃料进入燃料电池之前必须经过严格的净化处理，碳氢化合物也必须重整成氢气和CO，因此，尾气中S02、碳氢化合物和固态粒子等污染物排量也污染物的含量非常低。与常规燃煤发电机组相比，C02的排放量可减少40％一60．在目前CO2分离和隔绝技术尚不成熟的状况下，通过提高能源转换效率减少CO2排放是必然的选择。采用燃料电池发电可提高供电的灵活性和可靠性燃料电池具有高效率、低污染、低噪声、模块化结构、体积小、可靠性高等突出特点，是理想的分布式电源。与目前一些可做为分布式电源的内燃机相比，燃料电池的发电效率更高、污染更低。在250KW—lOMW的功率范围内，具有与目前数百兆瓦中心电站相当甚至更高的发电效率。作为备用电源的柴油发电机由于污染和噪声大不宜在未来的城市中应用。低温燃料电池不仅发电效率高，而且启动快、变负荷能力强，是很好的备用电源。现代社会对供电的可靠性和环境的兼容性要求越来越高，高效、低污染的分布式电源系统日益受到重视。近年来美国、加拿大、台湾相继发生因自然灾害或人为因素造成的大面积停电，许多重要用户长期不能恢复供电，给社会和经济造成了巨大的损失。北约轰炸南联盟，使电力系统严重受损。这些由不可抗力引起的电网破坏无不使人引发出一个重要的思考：提高我国电力系统供电的可靠性和供电质量，虽然主要依靠电网的改造和技 术革新，但如果在电网中有许多分布式电源在运转，供电的可靠性将会大大提高。 对于象军事基地、指挥中心、医院、数据处理和通讯中心、商业大楼、娱乐中心、政府要害部门、制药和化学材料工业、精密制造工业等部门，对电力供应的可靠性和质量要求很高。目前采用的备用电源效率低、污染严重、电压波动大。而采用燃料电池作为分布式电源向这些部门提供电力，会使供电的可靠性和电力质量大大提高。他们将是燃料电池发电技术的第一批用户。对于边远地区，负荷小且分散，若建设完善的电网，不仅投资大，线损大，且电网末端地区电力质量不稳定。对于这些区域若辅助燃料电池发电的分布式电源，更能有效地解决这些地区的电力供应问题。燃料电池的重量比功率和体积比功率均比常规的小型发电装置大，因此，它也是理想的移动电源，适合于各种建设工地、野外作业和临时急用。发展燃料电池发电技术是提高国家能源和电力安全的战略需要美国已将燃料电池发电列为国家安全关键技术之一。美、日之所以能在燃料电池技术方面处于世界领先地位，与国家从战略高度予以组织、资助和推动密不可分。在目前复杂的国际环境下，高技术的垄断日趋严重，掌握清洁高效发电的高新技术对未来国家的能源和电力安全具有重要的战略意义，而燃料电池发电技术，正是这种高效清洁的高新发电技术之一。燃料电池突出的优点，以及发达国家竟相投入巨资研究开发的行动，足以说明燃料电池发电技术在21世纪会起到越来越重要的作用。发展燃料电池发电技术是国电公司“加强技术创新，发展高科技，形成高新技术产业”的需要燃料电池发电技术是电力工业中的高新技术，己受到普遍重视。美国燃料电池发电技术的研究开发主要由美国能源部组织实施，其中一个重要的目的就是形成新的高技术产业，为美国的经济注入新的活力。日本的东京电力公司、关西电力公司及其它公用事业单位是日本燃料电池开发及商业化的主要承担者和推动者，其目的也是为电力公司注入新的经济增长点以获得巨大的经济效益和社会效益。国家电力公司处在完成“两型”、“两化”、“进入世界500强”的历史时刻，恰逢党中央国务院号召全国各行业“加强技术创新，发展高科技，实现产业化”的有利时机，在国家电力公司内不失时机地进行燃料电池发电技术的研究开发是非常必要的。采取引进、消化、吸收和再创新的技术路线，以高起点，在尽可能短的时间内初步形成自主产权的燃料电池发电关键技术，不仅可以使我国在燃料电池发电技术领域与国外的差距大大缩小，而且，对国家电力公司进行发电系统的结构调整、技术创新、形成高新技术产业、实现跨越式发、提高国际竞争能力都具有非常重要的意义。燃料电池发电技术在我国有广阔的发展前景未来二十年，随着我国“西气东送”，全国天然气管网的不断完善及液化天然气(LNG)的广泛应用，燃用天然气的燃料电池发电将会有很大市场。煤层气也是燃料电池的理想燃料。我国丰富的煤层气资源也将是燃料电池发电的巨大潜在能源之一。燃料电池可与常规燃气一蒸汽联合循环结合，形成更高效率的发电方式。与煤气化联合循环(IGCC)结合，形成数百兆瓦级的大型、高效、低污染的中心发电站，比IGCC效率更高，污染更小。燃料电池可与水电、风电和太阳能发电等结合，在高出力时，利用电解水制氢，低出力时用燃料电池发电，达到既储能，又高效发电的目的。采取气化或厌氧处理的方法将生物质变为燃料气，通过燃料电池发电，提高能源转换效率，并降低污染物排放量。对一些经济欠发达但有丰富的沼气资源的地区，利用燃料电池发电技术有可能更有有效地解决这些地区的电力供应问题。与国外有较大的差距在燃料电池发电技术方面，我国与国际先进水平有较大的差距。在MCFC和SOFC技术方面，国外已分别示范成功了2MW和100KW的燃料电池发电机组，而我国在这方面才刚刚起步，2000年才可望研制出2KW左右的试验装置。在PAFC和PEFC技术方面，国内与国外的差距更大。倘若我们现在不开始研究开发燃料电池发电技术，等到燃料电池完全成熟后再引进，不但会受制于人，还将付出更大的经济代价，更谈不上尽快形成燃料电池发电的产业化。若不能形成燃料电池的产业化并在电力系统广泛应用，那么，也谈不上提高发电效率和降低污染物的排放。只有从现在开始，在国外的基础上，高起点研究，经过10—20年的努力，有可能在国电公司形成燃料电池的产业和广泛的商业应用。在我国电力系统发展燃料电池发电技术是市场经济条件下的迫切要求分散式电源作为大电网的有效补充己得到许多国家的重视，而电源提供者的多元化更是一种趋势。我国电网的容量大、技术水平和可靠性还较低、抵御各种灾害的能力较差，在这种情况下，小型高效的燃料电池分布式电源随着技术的商业化市场潜力巨大。倘若电力系统不及时进行研究开发，在未来几年内，有可能被国外企业和国内其它其它行业或民营企业占领燃料电池分散电源市场。在市场经济条件下，国电公司既是用户，又是开发者。对于燃料电池这样重要的发电高新技术，应不失时机地着手研究开发，联合国内一些基础研究单位，争取纳入国家的攻关计划，获得国家支持，在尽可能短的时间内，形成燃料电池发电技术研究开发的优势，开发燃料电池发电关键技术和成套技术，形成国电公司的高新技术产业，既可优化调整电力结构，又能满足市场的不同需求。三 国外燃料电池发展计划及商业化的预测美国燃料电池发电技术研究开发状况美国燃料电池发电技术的研究开发计划1997年，美国总统克林顿颁发了"改善气候行动计划”，燃料电池被确定为一项关键技术，联邦政府为此制定了一项“美国联邦燃料电池发展计划”，目的是通过燃料电池的商业化来减少温室气体排放量。在这项计划中，对每一个燃料电池的新用户资助l000／KW的优惠。结果，仅在1998年，就有42台200kwPAFC发电机组投入运行。美国政府鼓励在一些对环境敏感的地区建立燃料电池发电站。此外，政府已促使美国所有的军事基地安装200KW燃料电池发电机组。通过这些措施，加速燃料电池的商业化，并提高国家能源的安全性。美国政府投入巨资研究开发燃料电池发电技术的另一个目的，就是要保持美国在这一领域的领先地位。随着商业化过程不断深入，将逐步形成新的高技术产业，为美国的经济注入新的活力，提供更多的就业机会。美国DOE的燃料电池发展计划如下：PAFC己商业化，不再投入资金进行研究开发。PAFC目前的发电效率为40％一45(LHV)，热电联产的热效率为80％(LHV)。已完成250KW和2MWMCFC的现场示范，预计2002年进行20MW的示范；2003年左右，使250KW和MW级MCFC达到商业化；2010年，燃用天然气的250KW一20MWMCFC分散电源达到商业化，100MW以上MCFC的中心电站也进入商业化;2020年，100MW以上燃煤MCFC中心发电站进入商业化。MCFC技术目标是运行温度为650℃，发电效率达到60％(LHV)，组成联合循环的发电效率为70(LHV)，热电联产的热效率达到85(LHV)以上。目前，己完成25kw和100kwSOFC现场试验，正在进行SOFC的商业化设计。预计2002年左右，进行MW级SOFC示范；2003年左右，100kw一1MWSOFC进行商业化：2010年，250kw一20MW燃用天然气的SOFC以分布式电源形式进入商业化，100MW以上燃用天然气的SOFC以中心电站形式进入商业化；2020年，100W及以上容量的燃煤S0FC以中心电站的形式进入商业化。SOFC技术目标是：运行温度为1000℃，发电效率达到62％(LHV)，组成联合循环的发电效率达到72％(LHV)，热电联产的热效率达到85(LHV)以上，燃煤时发电效率可达到65％(LHV)，这一目标预计2010完成。美国是最早研究开发PEFC的国家，但在大容量化和商业应用方面已落后于加拿大。目前美国生产的质子交换膜仍居世界领先水平。美国在PEFC的开发方面是面向家庭用分散式电源，实现热电联供。PlugPower公司与GE合作，计划2001年使10kwPEFC进入商业化，价格达到S750—1000／kw，大批量生产后，使PEFC的价格达到$350／kw。市场预测美国能源部(DOE)对美国潜在的燃料电池市场的预测认为：在2005年一2010年，美国年需求燃料电池发电容量约2335MW一4075MW。现在美国的燃料电池年生产能力为60MW，商业化的价格为$2000一$3000／kw，若年生产能力达到100MW／a，商业化的价格则可达到$l000—$1500/Kw。若能达到(2000—4000)MW／a的生产能力，燃料电池的原材料费仅$200一$300／kw。那么燃料电池的价格则有可能达到$900—$l100／kw，此时可完全与常规的发电方式竞争。日本燃料电池发电技术的发展进程及应用前景预测发展进程日本在PAFC研究方面，走的是一条引进合作、消化吸收、再提高的路线。1972年东京煤气公司从美国引进两台PAFC燃料电池发电机组，大阪煤气公司也在1973年引进两台PAFC机组。日本政府于1981年设立了以开发节能技术为宗旨的“月光计划”，燃料电池发电是其中一项重要内容。此后，日本国内的电力公司、煤气公司和一些大型的制造厂纷纷投入燃料电池的研究开发，并与美国IFC合作，使日本的PAFC得到更大的发展。目前，日本的PAFC技术已赶上了美国，商业化程度超过了美国。5MW(富士电机制造)和11MW(东芝与IFC合制)均在日本投运，日本公司制造的PAFC机组已运行了近100多台。日本有关MCFC的研究是从1981年开始的，通过自主开发并与美国合作。1987年10kwMCFC开发成功，1993年100kw加压型MCFC开发成功，1997年开发出1MW先导型MCFC发电厂，并投入运行。MCFC已被列为日本“新阳光计划”的一个重点，目标是2000年一2010年，实现燃用天然气的10MW一50MW分布式MCFC发电机组的商业化，并进行100MW以上燃用天然气的MCFC联合循环发电机组的示范，2010年后，实现煤气化MCFC联合循环发电，并逐步替代常规火电厂。日本的SOFC技术也是从1981年的“月光计划”开始研究的，立足于自主开发。1989年一1991年，开发出l00W一400WSOFC电池堆，1992年一1997年开发出l0kw平板型SOFC。SOFC的研究进展也远远落后于NEDO原来的计划。“新阳光计划”中预计2000年一2010年，使SOFC达到MW级，并形成联合循环发电。日本的PEFC也被列入“新阳光计划”，目前开发的容量为(1—2)kw。政府采取的措施日本政府在“月光计划”和“新阳光计划”中，先后资助了3台200kw、2台lMW和l台5MW的PAFC；1台100kw和1台1MW的MCFC示范电站研究开发、建设及运行。在通产省和NEDO的统一组织和管理下，使公用事业单位(电力公司和煤气公司)和开发商及研究单位紧密结合，实现燃料电池研究开发和商业示范应用一体化。日本电力公司和煤气公司，过去十年来安装了约80多台燃料电池机组，装机容量达到，燃料电池及电厂的费用主要由业主承担，但是制造商和政府也各承担一部分。这种政府和企业联合研究开发的方式促进了日本燃料电池的发展。使用燃料电池发电享有许多优惠政策：燃料电池的相关设备，在未超过一定规模时，其工程计划仅须申报即可动工。对500kw以下的常压燃料电池生产与使用的审批手续大大简化。在医院、旅馆、办公大楼等安装的燃料电池发电机组，政府提供的经费资助。新建的燃料电池发电设备享有10的免税额，并获有30％的加速折旧。对装设于电力公司或自备发电用的燃料电池项目，日本开发银行将提供投资额40％的低息贷款。市场预测1990年，日本通产省发表了“长期电源供需展望”报告，预计日本国内的燃料电池发电容量到2000年约2250MW；2010年约10720MW，电力系统用5500MW，其中约有2400MW是MCFC和SOFC高温型燃料电池；2010年煤气化MCFC和SOFC达到实用化；发电效率达到50％一60％。由于燃料电池发电技术仍有许多技术上的难题没有突破，进展速度低于预期值，因此日本目前已将原目标做了修正，预计2000年燃料电池装机容量将达到200MW，其中分布式电源l12MW，工业用热电联产型为88MW；2010年将达到2200MW，其中分布式电源型为735MW，工业用热电联产型为1465MW。其它国家和地区的发展进程目前，欧洲的燃料电池发电技术远远落后于美国和日本。80欧洲又重新开始研究燃料电池发电技术。它们采用向美国、日本购买电池组，自行组装发电厂的方式来发展PAFC发电技术。1990年成立了一个“欧洲燃料电池集团(EFCG)”。意大利已完成了一座1MW的PAFC示范工程，由IFC供应，BOP由欧洲制造。意大利、西班牙与美国IPC合作，于1993年在米兰建了一座l00kwMCFC电厂，1996年投运。德国正在开发250kwMCFC。德国西门子公司于1998年收购了美国西屋公司的管形SOFC技术后，现在拥有世界上最先进的平板型和管形SOFC技术。 加拿大在PEFC方面居世界领先地位，在继续开发交通用PEFC的同时，目前也将PEFC应用于固定电站，已建成250kwPEFC示范电站，目标是在近几年内使250kw级PEPC商业化。澳大利亚在1993年一1997年，共投资3000万美元，研究开发平板型SOFC，目前正在开发(20一25)kwSOFC电池堆。韩国电力公司于1993年从日本购进一座200kwPAFC进行示范运行。国外发展燃料电池发电技术的经验总结回顾国外燃料电地发展的道路，有许多值得我们吸取和借鉴的经验。美国在燃料电池发电技术的研究开发方面始终处于世界领先地位。除了雄厚的财力之外，还有三方面重要的原因：一是政府将燃料电池发电技术视为提高火力发电效率、减少污染物和温室气体排放的重要措施，列入政府的“改变气侯技术战略”中，并大力投入资金和力量研究开发；二是燃料电池技术提高到“国家能源安全并大力投入资金和力量研究开发；三是将燃料电池技术提高到“国家能源安全关键技术”的战略高度，DOD和DOE均投入资金研究开发；四是对燃料电池的应用前景充满信心，希望能形成新的高技术产业，给美国的经济注入新的活力，政府和企业共同投入资金研究开发，力图保持领先地位。日本走的是一条通过与美国合作、引进技术并消化吸收实现产业化的路线，并在PAFC的商业化方面己超过了美国，在MCFC的研究开发方面也接近美国。成功的重要经验也是政府对燃料电池给予高度重视，先后列入了“月光计划”和“新阳光计划”，大力投入研究开发。另一条经验是研究机构、企业和用户联合，组成从研究、开发到商业应用一体化集团，既承担研究开发的风险，也享受成功的优惠。加拿大Ballard公司在PEFC方面成功的经验告诉我们：只要坚定不移地进行研究开发，一个小公司也能在10—20年内成为举世瞩目的燃料电池技术拥有者。 燃料电池起源于欧洲，但是，现在欧洲的燃料电池技术已远远落后于美国和日本。主要原因是政府和企业对燃料电池发电技术重视不够。目前，欧洲已经意识到这一点，成立了—个燃料电池发电技术集团，引进美国、日本的技术，并进行研究开发。四 各种燃料电池发电技术综合比较 AFC：与其它燃料电池相比，AFC功率密度和比功率较高，性能可靠。但它要以纯氢做燃料，纯氧做氧化剂，必须使用Pt、Au、Ag等贵金属做催化剂，价格昂贵。电解质的腐蚀严重，寿命较短，这些特点决定了AFC仅限于航天或军事应用，不适合于民用。 PAFC：以磷酸做为电解质，可容许燃料气和空气中C02的存在。这使得PAFC成为最早在地面上应用或民用的燃料电池。与AFC相比它可以在180℃一210℃运行，燃料气和空气的处理系统大大简化，加压运行时，可组成热电联产。但是，PAFC的发电效率目前仅能达到40％一45％(LHV)，它需要贵金属铂做电催化剂；燃料必须外重整：而且，燃料气中C0的浓度必须小于1％(175℃)一2(200℃)，否则会使催化剂中毒；酸性电解液的腐蚀作用，使PAFC的寿命难以超过40000小时。PAFC目前的技术已成熟，产品也进入商业化，做为特殊用户的分散式电源、现场可移动电源和备用电源，PAFC还有市场，但用作大容量集中发电站比较困难。 MCFC：在650℃一700℃运行，可采用镍做电催化剂，而不必使用贵重金属：燃料可实现内重整，使发电效率提高，系统简化；CO可直接用作燃料；余热的温度较高，可组成燃气／蒸汽联合循环，使发电容量和发电效率进一步提高。与SOFC相比，MCFC的优点是：操作温度较低，可使用价格较低的金属材料，电极、隔膜、双极板的制造工艺简单，密封和组装的技术难度相对较小，大容量化容易，造价较低。缺点是：必须配置C02循环系统；要求燃料气中H2S和CO小于；熔融碳酸盐具有腐蚀性，而且易挥发；与SOFC相比，寿命较短；组成联合循环发电的效率比SOFC低。与低温燃料电池相比，MCFC的缺点是启动时间较长，不适合作备用电源。MCFC己接近商业化，示范电站的规模已达到2MW。从MCFC的技术特点和发展趋势看，MCFC是将来民用发电(分散电源和中心电站)的理想选择之一。 SOFC：电解质是固体，可以被做成管形、板形或整体形。与液体电解质的燃料电池(AFC、PAFC和MCFC)相比，SOFC避免了电解质蒸发和电池材料的腐蚀问题，电池的寿命较长(已达到70000小时)。CO可做为燃料，使燃料电池以煤气为燃料成为可能。SOFC的运行温度在1000℃左右，燃料可以在电池内进行重整。由于运行温度很高，要解决金属与陶瓷材料之间的密封也很困难。与低温燃料电池相比，SOFC的启动时间较长，不适合作应急电源。与MCFC相比，SOFC组成联合循环的效率更高，寿命更长(可大于40000小时)；但SOFC面临技术难度较大，价格可能比MCFC高。示范业绩证明SOFC是未来化石燃料发电技术的理想选择之一，既可用作中小容量的分布式电源(500kw一50MW)，也可用作大容量的中心电站(＞l00MW)。尤其是加压型SOFC与微型燃气轮结合组成联合循环发电的示范，将使SOFC的优越性进一步得到体现。 PEFC：PEPC的运行温度较低(约80℃)，它的启动时间很短，在几分钟内可达到满负荷。与PAFC相比，电流密度和比功率都较高，发电效率也较高(45％一50(LHV))，对CO的容许值较高(＜10ppm)。PEFC的余热温度较低，热利用率较低。与PAFC和MCFC等液体电解质燃料电池相比，它具有寿命长，运行可靠的特点。PEFC是理想的可移动电源，是电动汽车、潜艇、航天器等移动工具电源的理想选择之一。目前，在移动电源、特殊用户的分布式电源和家庭用电源方面有一定的市场，不适合做大容量中心电站。结 论选择适合于我国电力系统发展的燃料电池发电技术，应综合考虑以下几点：较高的发电效率；环保性能好；既能作为高效、清洁的分布电源，又具有形成大容量的联合循环中心发电站的发展潜力；既能以天然气为燃料，又具有以煤为燃料的可能性；技术的先进性及商业化进程；运行的可靠性和寿命；降低造价的潜力；国内的基础。综合考虑以上几点，对适合于我国电力系统发展的燃料电池发电技术，提出以下几点选择意见：(1)优先发展高温燃料电池发电技术。即选择MCFC和SOFC为我国电力系统燃料电池发电技术的主要发展方向，这两种燃料电池既能以天然气为燃料作为高效清洁的分布电源，又具有形成大容量的联合循环中心发电站(以天然气或煤为燃料)的发展潜力。(2)MCFC和SOFC各有特点，都存在许多问题，尚未商业化。若考虑技术难度和成熟程度以及商业化的进程，对于MCFC，应走引进、消化吸收、研究创新，实现国产化的技术路线，并尽快投入商业应用：对于SOFC，应立足于自主开发，走创新和跨越式发展的技术发展路线。(3)随着氢能技术的发展，PEFC在移动电源、分散电源、应急电源、家庭电源等方面具有一定优势和的市场潜力，国家电力公司应密切跟踪研究。(4)AFC不适合于民用发电。PAFC技术目前已趋于成熟，与MCFC、SOFC和PEFC比较，已相对落后。因此，AFC和PAFC不应做为国家电力公司研究开发的方向。参考文献[1] 许世森，朱宝田等，在我国电力系统发展的燃料电池发电的技术路线和实施方案研究，国家电力公司热工研究院，1999．12

摘要：在工程电气设计领域中，电力系统的设备选型计算、校验计算无疑是最复杂和最烦琐的一件工作。问题复杂性在于电力系统运行的可靠性要求，必须将所有设备：如高压、低压配电设备、变电、输电线缆等设备全部计算选型校验，要考虑各种运行状态下的设备安全可靠运行，短路时可靠动作。由于设备多、回路多、系统复杂、校验项目多，造成了工作烦琐。目前国内尚无模拟电气工程师思路进行自动选型、校验计算的软件，以代替部分工作，把电气工程师真正从烦琐的计算和绘图中解放出来。我公司最新科研成果------供配电系统集成设计软件正好填补了这一空白。关键词：集成设计选型校验系统模型pivotalwords:IntegratedDesign,Selectandverifyequipmenttype、ConstitutePowerSystemmodel一、引言：在工程电气设计领域中，电力系统的设备选型计算、校验计算无疑是最复杂和最烦琐的一件工作。问题复杂性在于电力系统运行的可靠性要求，必须将所有设备：如高压、低压配电设备、变电、输电线缆等设备全部计算选型校验，要考虑各种运行状态下的设备安全可靠运行，短路时可靠动作。由于设备多、回路多、系统复杂、校验项目多，造成了工作烦琐。目前国内尚无模拟电气工程师思路进行自动选型、校验计算的软件，以代替部分工作，把电气工程师真正从烦琐的计算和绘图中解放出来。我公司最新科研成果------供配电系统集成设计软件正好填补了这一空白。二、详述：电气设计的目标我们只有了解了电气设计最终实现目标才能进行更明确的工作，为了详细说明一个变配电所的所有电气内容，通常需要出的图纸有：1．1电气主接线图或高压系统图1．2低压系统图1．3平面布置图、剖面图1．4配电柜立面图1．5电缆清册1．6设备材料表1．7电气计算书1．8二次控制原理图1．9二次外部线路图以上图纸中最复杂的图纸，工作量最大的莫过于高低压系统图，因为他们占用的计算工作量大。过去我们也提供一些计算工具软件，但大都是零散的，不系统的，比如负荷计算、电压损失计算、短路计算等，用户对整个系统的认识，一直停留在修改旧图，反复的计算-填写表格-替换设备-删除-复制等低级的劳动中，造成了劳动效率无法大幅度提高。而且由于缺乏整个供-配电系统结构的认识，往往上一级开关调整以后，没有改下一级开关，或上一级开关整定变了，没有跟着调整配线，造成许多前后不对照的错误图纸和问题工程。旧图中大量的图元各自独立并没有共性，所以难以大规模的一次性修改成功。旧图修改重复劳动特别多，反复的重复删除、复制、替换、文字、移动等命令，容易造成笔误。特别是当前工程设计周期被业主大幅度缩短，怎样提高设计、绘图效率就成为了一个关键性的问题。绘图计算软件的现状目前国内电气设计软件提供这部分的主要偏向于绘图功能。绘制高低压柜的一次方案，许多家厂商生产的软件都包含了这部分图库。我们绘图主要集中在插入相应的图块进行绘制，然后填写定货图表格。计算则是分开的。也有个别软件对高低压系统提供了部分计算，但大都是零碎的，不是对系统整体的计算，或是对其中一个回路、某一种负荷类型（如电动机）进行计算，其他回路或负荷类型无法计算，也无法作到上下级配合选型，也没有全面的综合校验电气设备所有技术参数，没有用电需求表，和实际工程需要的设计过程相差太多等等。所以在设计变配电所过程中，大部分工作仍集中在修改旧图，重新计算，选型上。计算机的辅助设计功能没有什么提高。电气设计的过程分析选型统一规定很多设计院在一个工程的协同设计过程中都采用了一种选型方案，比如高压配电柜选用KYN28，低压柜采用抽屉式MNS，主断路器采用CM1，电缆采用VV系列，等等，这个选型方案在同一工程中都是相同的。也可以应用到下一个工程中。用电需求定义水、暖、工艺等上行专业提供的用电需求,主要内容是用电设备的编号，设备名称，安装位置，额定电压，负荷等级，场所属性，负荷性质等对电气设计的要求。现在随着计算机普及，很多设计院已经使用EXCEL互提资料。负荷分配确定配电设备（配电箱、盘、柜）的位置，把每一个负荷分配到配电设备上。负荷计算对每个配电设备进行负荷计算。主要采用需要系数法。分配电中心计算选分配电中心（如某层的配电间、竖井、或机房的配电间）的配电柜供给下联的配电盘或箱。对这些配电盘、箱、柜进行选型。变配电中心计算选变配电中心对分配电中心供电。对变配电中心的所有设备包括母线、高压电缆、高压柜、低压柜、低压抽屉组件、低压出线等进行选型。短路计算选型完成以后，查表得出各组件和线缆的阻抗，并设定短路点，计算每个短路点的三相和单相短路电流。校验计算对于高低压设备进行短路校验、电压损失校验、电机启动校验以及灵敏度校验等。校验不合适的值，要重新进行选型。直到校验通过。绘制系统图根据系统模型，绘制系统图。排列柜子。根据平面情况，布置柜子。并绘制立面图、剖面图。根据柜子布置情况分别调整系统图抽屉柜位置和编号以及进线柜、母联柜位置回路库和设备库符号库高低压柜的一次方案是厂家样本提供的。在CAD绘图中要调用这些方案，必须将这些方案组织成一个回路库。每个回路都是由很多组件组成的。这些组件的电气属性（技术参数）则在设备库中定义。符号库是规定了这些组件对应的图例。以上三者在选型绘图过程中必不可少。为了应对众多的厂家和不同的型号规格产品，我们符号库、设备库、回路库都是开放的。用户可以新增设备系列，新增回路方案等等。符号库采用新国标图例。回路库和设备库也采用了最流行最先进的高低柜型号，特别是中国建筑标准所出的《统一技术措施电气设备选型卷》和电力出版社出的最新版《工厂常用电气设备手册》上下册以及上下册补充本。回路库结构中每个回路都可以设定盘内组件的型号规格和数量或额定电流、控制电机功率，这样完全按照样本提供的内容录入，对选型提供了“电子样本”。统一规定设定在做某一工程前，由电气专业项目负责人确定的设备选型的基本方案。该基本方案中将所有电气设备划分为供电、输电、配电、用电几类，用户只须对以上设备进行初步选型，确定设备的系列号以及相关参数。其它参数都可以自动选型。用电需求定义表用电需求表是用户自行录入的工程中所用到的所有用电设备列表。用户需要录入用电设备的安装位置、名称编号，设备容量，负荷性质等内容。可以从EXCEL中将水暖工艺提来的资料导入该表中，也可以将输入好的用电需求表导出到EXCEL中编辑。安装位置提供了一个很好的管理所有设备的结构，非常直观方便。系统模型的建立本软件设计宗旨和最终目标就是要实现电气设计的目标。即绘制出符合要求的图纸。而绘制图纸前就必须建立供配电系统。此前的设计软件都没有提出过集成设计的概念。 所谓集成设计，就是面向供配电系统整体的电气设计，他包括了统一规定初步选型，用电需求表定义，用电负荷的分配，负荷计算、选型计算、短路计算、校验计算等一系列综合复杂的设计过程。它可以建立供配电系统模型，并能详细的列出模型上每个供配电-输电-用电设备的工作（运行）属性、短路属性、电气属性。任何一个供配电-输电-用电设备都有三种属性，工作属性、短路属性、电气属性。工作属性是指当前选定的设备的工作电流、设备容量、工作电压、功率因数等情况。短路属性是指当前选定设备的短路阻抗、短路电流等情况。电气属性是该设备的出厂铭牌的电气型号规格和电气技术参数等。集成设计的流程是：用电负荷被人工添加到配电柜上。然后进行负荷计算，并自动选择配电柜内元件型号规格，选定短路参数可以进行短路校验。如果短路校验不通过，重新进行选型计算。系统模型的建立：要想实现对变配电所设备的整体选型校验和设计，必须建立整个工程的配电系统模型，才能够实现对所有设备的选校。一个好的系统模型首先比较直观，操作简单。上手快。组织严密。由于电气系统的树状结构和WINDOWS资源管理器的树状结构的相似性，我们完全可以利用WINDOWS资源管理器类似结构的树状系统来搭建一个模型，实现简单的配电系统。电力系统中最常用的电气连接关系就是串联和并联。所有的复杂的网络最后都可以看成是电气设备串联和并联不断组合搭建成的。从下图中可以看出，树节点上从左到右的组件名称关系就组成一个串联的电路：低压配电室(电源)à电缆à负荷开关à变压器à母线à进线柜 ……..从“3母线”节点下面所接的“3母线à抽屉柜2à抽屉柜3à抽屉柜4à抽屉柜5”是母线并联所连的若干个抽屉柜。这样搭建成的系统模型，具有形象直观、搭建简单、组织严密等特点。完全可以实现变配电所系统设计的所有功能。附图1对应的供配电系统如附图2所示。附图1附图系统模型的功能立系统模型是从工程中的配电中心（配电间、配电室）建立。 统模型可以直观看到开关柜一次方案图形。以方便选型 统模型可以对用电需求进行统一分配。确定所有用电设备的电源位置 4、系统模型可以对每个设备都能进行负荷计算。统计总负荷5、系统模型可以对电源进行全厂负荷统计，和无功补偿计算6、系统模型可以进行短路计算。短路计算包括无限大容量系统和有源系统的短路计算。搭建的任何模型都可以自动进行计算。短路阻抗数据库可以扩充。7、模型在负荷计算、短路计算、和初步选型方案基础上进行自动选型计算 8、系统模型选型计算后对参数进行校验计算，包括高低压设备、配电干线等所有设备都可以按照规范要求进行校验。统模型可以直观的看到配电中心内配电系统上任何一个设备目前的工作电流，短路点短路电流以及设备技术参数情况。 10. 可以自动输出高低压系统图，主接线图，设备材料表，电缆清册，计算书，和抽屉柜排列图等一系列图纸。完成辅助设计全过程。软件实现流程图 软件实现过程实际上就是对电气工程师设计过程的模拟和抽象。该流程深入体现了第三节所述的电气设计的全过程，模拟设计思路进行电气辅助设计。常用设备选型校验方案（部分） 压器选型:负荷分配->负荷计算->选型 低压母线选型 负荷分配->负荷计算->按正常工作电流选型效验内容如下：电机启动压降计算 电压损失计算 3、过载保护效验4、热稳定效验电缆导线选型 负荷计算->按正常工作电流选型1、效验电压损失：2、效验经济电流密度：3、效验热稳定4、效验过载保护低压开关选型 负荷计算->按照正常工作选型：1、选择壳架等级电流 2、选择脱扣器额定电流 3、根据回路保护设置要求，进行短延时，瞬时，长延时三个脱扣器额定电流的选型。1、效验极限分断能力2、效验开断电流3、效验灵敏度4、上下级配合效验5、过载保护效验高压开关选型 负荷计算->按正常工作电流选型 1、选择额定电流效验开断电流或开断容量。 效验最高工作电压、效验动稳定、效验热稳定。 10、集成设计软件的优点1．实现了真正意义上的供配电系统模型，是面向整体电力系统的电气设计软件。不同于以往零散的孤立模块，这样的好处是比较直观清楚的让电气工程师知道每个电气元件在电力系统中的位置，作用，运行状态和短路状态以及所有电气属性等。i.进行负荷计算、短路计算、选型计算和校验计算。集四大计算于一体，更加清晰明了选型结果。2．成设计便于负荷调整，回路替换，设备技术参数的修改。并提供一系列智能检测系统，保证前后上下级联关系正确，确保电气回路的参数的正确性。集成设计便于输出管理电缆表，设备表。集成设计提供了可扩充的回路库和设备库，完全仿照设备样本，全部开放。用户可增添新设备。集成设计提供给用户最方便直接的查询功能，点击任何一个系统模型上设备元件，都可以看到该设备的电压，流过的电流，功率等运行情况。也可以看到在该点短路时的短路阻抗，短路电流情况，甚至可以查询其他点短路，在该点的短路电流情况。集成设计的界面采用资源管理器式界面，只要会windows的人都可以建立一个系统模型。不需要另外增加学习时间。操作也是类似与资源管理器，极其容易上手。集成设计提供了很多常用供配电设备的选型，校验计算方法。用户可以采用某种方法进行校验，也可以都采用，根据需要进行校验。非常灵活。集成设计是面对电气设备的cad电气设计软件，不象以前那样需要一点点绘制图块，复制粘贴，电气工程师考虑的只有电气设计需要考虑内容，其他有关绘图的命令和操作和任何线条图元，一概不需要考虑。这才是真正意义上的电气设计专家系统。集成设计完全参考最新版的电气规范、设计手册、统一技术措施和强制性条文以及最新版电气设备手册。紧跟时代步伐。三、结论变配电所的负荷计算、短路计算、选型、校验计算是电气设计中最复杂的内容之一。我们应用CAM/CAD软件辅助设计实现这一专家系统，是电气设计行业一次最初步的尝试，具有重要的历史意义和广阔的实用价值。意味着国内电气设计CAD将突破原来偏重于绘图，而轻辅助设计的趋向，向着更加智能化的电气设计专家系统迈出了可喜的一步。参考书目：《工业与民用配电设计手册》第二版，中国航空工业规划设计院等编水利电力出版社《建筑电气设计实例图册》，北京照明学会设计委员会编中国建筑工业出版社《工厂常用电气设备手册》兵器部第五设计院编中国电力出版社《民用建筑电气设计手册》湖南电气情报网编中国建筑工业出版社《低压配电设计规范》GB50054-95中国计划出版社《供配电系统设计规范》GB50052-95中国计划出版社《民用建筑电气设计规范》JGJ-T16-92中国计划出版社