造纸车间供配电系统设计探讨

【摘要】根据工艺特点对造纸车间供配电系统设计内容进行探讨，包括负荷分类及统计、无功补偿、变电所设置、高低压配电系统等，力求造纸车间供配电系统安全、可靠、经济、节能。

【关键词】造纸车间;用电负荷;变电所;供配电系统

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

近年来，随之我国经济蓬勃发展，用纸需求快速增长，同时环保要求日益严格，落后产能不断被淘汰，使得造纸业出现产能越来越集中，单机规模越做越大的现象。此外，为了节能、环保及工艺需求，大量新型工艺设备以及电气装置投入使用，电能质量也越来越受到人们关注。这些均对造纸车间供配电系统提出了更高要求。合理规划供配电系统，对造纸企业降低投资、节能环保，运营维护至关重要。本文以某实际造纸工程为例，简要阐述造纸车间供配电系统组成以及设计过程中应注意的一些问题。

1、负荷分类及统计

造纸车间用电设备繁多，负荷类型等级各有不同。有连续工作的传动设备，也有断续工作的水泵、搅拌器;有照明、通风等公用系统负荷，也有排烟风机等消防负荷。在进行负荷统计时通常采用需要系数法，剔除备用、检修负荷以及平时不工作的消防負荷，按负荷工作时间及出力情况将设备功率乘以需要系数，再考虑各设备同时工作情况乘以同时系数，得出车间总计算负荷。即：

根据GB50052-2009《供配电系统设计规范》，制浆造纸生产为连续过程，中断供电将给企业带来较大经济损失，因此造成车间主要生产负荷应按二级负荷考虑。车间一些轴流风机、卷帘门、岗位空调等停电影响不大的用电设备按三级负荷考虑。造纸车间通常情况无一级用电负荷。

2、无功补偿

造纸车间用电设备多为笼型异步电动机，电机功率因数基本在0.8左右，无功补偿的投入可以提高系统供电能力，节省电能，保证系统稳定运行。

造纸车间广泛利用静电电容器作为无功补偿电源。采用分层分区，就地平衡的原则，分别对高低压系统进线无功补偿。使得补偿后的电源总进线功率因数达到0.9以上。采用最大负荷计算补偿容量公式如下。

3、变电所设置

变电所设置应充分考虑负荷分配、供电半径、场地空间等因素，满足车间负荷用电需求的同时，变电所应尽可能靠近负荷中心，以缩短供电半径，减少电缆投资，降低能耗，以及简化供配电系统。造纸车间负荷主要集中在造纸工段和制浆工段。因此，对于中等规模造纸工程，在制浆工段和造纸工段合适位置分别设置高压配电室作为车间主供电源，较为常见。同时，在制浆工段、纸机湿部、纸机干部以及复卷工段分别设置变压器室、低压配电室以及传动控制室。对于零散的用电负荷点，由就近电源点供电。

4、高低压配电系统

按工艺流程来分，造纸工艺大致由备浆系统、配浆及流送系统、纸机传动系统、清水、喷淋水、密封水、冷却水系统、白水及纤维回收系统、蒸汽冷凝水系统、真空系统、损纸系统、化学品制备系统、胶料制备系统、纸机通风系统以及完成工段等组成。各个系统均配有相应用电设备。根据各系统设备的平面布置、运行工况、电机功率及启动方式等设计合理的供配电系统，对造纸车间安全运行，节能环保以及降低投资至关重要。

本文以某中型造纸工程为例，对造纸车间供配电系统进行简要分析。该车间总计算负荷约为50MW，车间总进线电源电压为10kV。

4.1 高压配电系统

高压配系统主接线应兼顾安全、经济、可靠的运行原则，同时考虑造纸车间运行特点，便于设备检修维护以及远期增产改造。

本工程在制浆工段和造纸工段分别设一高压配电室，根据负荷划分结果，制浆工段变电所计算负荷约为18MW，造纸工段变电所计算负荷约32MW。因此，在制浆车间高压配电室引入两回10kV电源，造纸车间高压配电室引入四回10kV电源，10kV系统采用单母线分段接线，分列运行方式。每两段母线进线电源互为暗备用。即每回10kV进线容量均考虑另一回中断供电时，满足两段母线上的全部二级负荷供电要求。

高压设备选择应满足所在回路额定电压和额定电流以及动、热稳定校验要求。回路开关设备选用真空断路器，开断能力满足短路开断要求。

造纸车间10kV线路均由电缆构成，单线接地电容电流由下式计算。

4.2 变压器

变压器总容量应考虑其中一台变压器退出运行后，其余变压器能承担全部二级负荷。本工程选用耐污性能好、过负荷能力高的油浸式变压器，变压器接线型式除传动变压器外均为Dyn11，可有效抑制谐波电流，提高低压单相短路保护的灵敏性。

4.3 低压配电系统

4.3.1常规低压配电系统

常规低压配电系统主要指除传动系统外的用电设备的配电系统，如泵、搅拌器、碎浆机等。低压系统配电宜先根据设备平面布置以及工艺流程对各变压器下的负荷进行划分，尽可能使各变压器的容量得到充分利用同时减少过负荷情况发生。此外，根据负荷类型选择不同配电型式，二级负荷采用专用回路放射式供电。三级负荷采用放射式与树干式相结合的方式供电。低压系统采用单母线接线方式，各母线间设置联络开关。

考虑事故停电或停机检修仍有部分负荷需要用电，例如照明、检修、行车等。一般会为该部分负荷设置双电源低压母线段，两路进线电源来自不同变压器。

对于排烟风机、防火卷帘门等火灾时仍需正常工作的消防应急负荷，除正常电源外还需从消防母线段引一回应急电源。双电源在供电末端实现自动切换。而消防母线段电源可引自柴油发电机或其他车间低压母线段，也可引自本车间不同防火分区的低压母线段。

低压设备选择应满足所在回路额定电压和额定电流以及动、热稳定校验要求。低压主进线及联络断路器选择容量较大的框架断路器，设过载长延时、短路短延时保护脱扣器。其他低压断路器选择塑壳断路器，设过载长延时、短路瞬时脱扣器，火灾消防回路设分励脱扣器，这些回路既可以在自动互投时，卸载部分负荷，防止变压器过载，又可以在火灾时，切断火灾场所非消防相关设备电源。考虑短路电流的危害，低压系统框架断路器的额定运行短路分断能力、短时耐受电流以及塑壳断路器的极限运行短路分断能力均应大于低压侧最大短路电流。因为框架断路器主要用于进线回路和联络回路，更换断路器会影响整条母线的负荷，因此框架断路器不但应具备在短延时脱扣前的时间段内忍受相应短路电流的能力，还应在分断短路电流后，仍可以正常工作。而塑壳断路器一般装在配电系统末端，更换断路器影响不大，因此只要能瞬间分断相应短路电流即可。

低压系统接地型式选用零线及地线严格分开的TN-S系统，较为安全可靠。见图1。

4.3.2纸机主传动系统

造纸车间主传动系统因其本身的特殊性，其配电系统会独立于车间常规低压配电系统。其特殊性主要在于（1）速度控制精度高。纸机传动是多单元速度协同控制系统，从网部、压榨部、前烘缸、后烘缸到压光、卷曲等众多传动点，每个部分的速度都有着严格要求。在纸机传动中，要对各传动点进行高精度的速度控制，保证纸张按所限定的伸展率进行延展，从上浆到上卷的整个过程，要保持纸幅一定的速度级联，否则纸张便会出现断裂、卷曲、褶皱、压痕等问题。（2）主传动系统均为变频电机，谐波含量高。调速变频器由于其非线性元件存在使其成为传动系统谐波主要来源。若不采取处理措施，该谐波会给其他用电设备带来不利影响。

因此，纸机主传动系统通常采用单独的整流型变压器供电。一般而言主传动变压器会选用Dy11和Dd0两种接线型式交替组合，即将工作制度相同且整流型变压器容量相等的传动设备设为一组，一台整流型变压器采用Dy11接线，另一台采用Dd0接线。成对的整流型变压器与整流器组合成三相桥式12脉波整流电路，再通过公共直流母线将电流传递各个逆变器以驱动各传动电机运转。这种方式不但高效节能还可以大大减小系统谐波，也是纸机传动系统常用的一种形式。

纸机传动系统接地型式一般采用IT系统，因其供电可靠性高、安全性好，可以满足传动系统连续供电要求。

4.3.3复卷机传动系统

复卷机是将纸机生产的原纸卷经过定宽分切、整理再复卷成成品纸卷的设备。主要有退纸辊、引导棍、纵切装置、卷取底棍和压纸棍等部分，各部分均配备相对应的传动电机，复卷过程中各传动点速度应相互配合，保持同步，否则便会出现有的传动输出不足，而有的传动过负荷，最终导致断纸。

复卷机传动系统与纸机传动系统的配电比较类似，为保证和其他低压设备不相互影响，一般情况下也是由单独变压器配电。

结语：

造紙车间负荷较大，各负荷特点不一，在进行造纸车间供配电系统设计时，要充分考虑各负荷用电需求，做到变电所选址合理，供配电系统与工艺流程相协调，尽可能缩短供电半径，严格遵守规范要求，使整个供配电系统安全、可靠、节能。

参考文献：

[1]中国航空规划设计研究总院有限公司组编.工业与民用配电设计手册（第四版）[M].北京：中国电力初版社.2016.

[2]戈东方主编.电力工程电力设计手册电气一次部分[M].北京：中国电力出版社，2000.

作者简介：陈辉华（1988.07-），男，工程师，硕士，研究方向：工业供配电设计工作。