提升系统性能与效率的低压开关柜设计最佳实践

提升系统性能与效率的低压开关柜设计最佳实践 摘要 对流程工业（化工油气、矿山冶金、供水和污水处理等）最终用户及工程总承包商（EPC）而言，电气设备的优化始终是首要任务。本文以化工油气行业为例，回顾了低压开关柜设计实践 ， 并 探 讨 了 一 些 关 键 的 设 计 选 择 和 最 佳 实 践 ， 帮 助 最 终 用 户 在 节 能 增 效 ， 可 持 续 发 展 议 程下 ，将尺寸、成本和碳足迹降低多达10%。主要关注点包括：额定电压的选择，以及数字化和更快速灵敏的保护电器选择所能带来的性能及效能提升。 需要说明的是，尽管各地区的电压、额定值以及定量评估可能存在差异，但文中结论在其他地区和标准下亦具有定性参考价值。 目录 序言3 选择更合适的低压电压等级4 更快速灵敏的保护电器选择15 结论21 关于作者22 序言 油气化工、煤化工及相关的化学材料生产所创造的价值已经达到国家国民生产总值的10%以上，是国家的支柱产业。化工生产装置大多数以大型化工园区或产业链而集聚，化工生产以连续性及长周期为显著特点，全产业链紧密链接及互补也是化工生产的特征之一，一旦为化工生产装置提供电能的供配电系统因设备或公共电网发生故障（短路、供电中断、电压闪变、电压下降及升高等），可导致全化工园区或全产业链崩溃，造成巨大的经济损失，因电力系统故障而引起的非正常停车也可能诱发工艺设备事故，导致引起火灾、爆炸、危险物料泄漏、中毒及人员伤亡等重大安全事故，因此化工生产装置对供配电系统的安全性、稳定性及可靠性有着近乎苛刻的要求。 伴随着石化行业的升级转型，产业向高端化、绿色化、智能化发展，单套化工生产装置逐步向大型化发展，导致化工生产装置中低压电动机的容量也越来越大，低压变配电系统中配电变压器、低压开关柜母线电流、电动机控制单元容量也越来越大，由此而导致低压变配电系统发热严重，为企业的安稳运营带来更多挑战。近些年不少企业用户将眼光转向690V低压供配电系统，近10年国内已经有不少用户应用690V低压供配电系统，并且验证了其安全性、可靠性、稳定性及经济性。 690V低压变配电系统因电压提高使低压负荷的输送距离延长至500M甚至更远，因此在化工生产装置规划时可以减少变电所的数量，节约用地及电气设备投资；电流下降可以降低配电变压器的二次电流、低压母线的电流、用电单元的电流、供配电断路器及其他控制器件的电流、MCC单元至用电设备的电流下降可以选择更小截面的电缆，由此可见，由于690V供配电系统电流有效值下降40%，从而可以节约铜材用量，降低低压变配电系统投资，减少由于电流热效应引起的发热，提高低压供配电系统的安全性，同时也降低了系统运行损耗，这对节能减排也有重要意义；另外，应用6 9 0 V低 压 供 配 电 系 统 也 改 变 了 传 统 意 义 上 的 中 低 压 分 界 面 ， 低 压 电 动 机 的 容 量 可 以 提 升 至315KW以上。应用690V低压供配电系统对综合投资成本的影响很难定量分析，本白皮书给出的两个案列分析具有参考价值，从定性的层面考量：减少变电所的建设数量，减少低压变配电系统的电流导致用铜量减少，减少电缆截面积，减少断路器等器件的电流等级，降低运行电能损耗都是显而易见的，这已在许多大型化工园区得到实践验证。 随着新技术，新材料，电力电子技术的快速发展，低压变配电装置，断路器，塑壳断路器，接触器，变频器等适用于690V供配电系统的一次及二次设备已经能够满足工业企业低压变配电系统的要求。如今我们看到施耐德电气，作为专业的电气设备及解决方案提供商，不仅具有满足690V变配电系统的解决方案，也已开始具有前瞻性地，对数字化，智能运维等话题进行积极的探索、论证以及主张。相信在未来的发展历程中，通过工程建设承包商，设备生产服务商及业主的共同努力，低压供配电系统会有长足的进步，技术日臻完善，为用户提供安全，稳定可靠的能源供应，创造更好的社会经济价值。 吕隆壮万华化学集团股份有限公司首席电气专家2025年9月 选择更合适的低压电压等级 在低压系统中，使用更高的电压等级（如690V而非400V）具有多重优势，主要体现在：节省成本、减少占地、提升配电网效率以及降低CO2排放。 为了验证这一点，以下对比分析基于油气化工行业的真实案例。 目标是评估将690V用于低压网络（与400V进行对比）的可行性。分析中包含了将中等功率电机（200kW～400kW）从10kV转移到690V及把低压侧电机从400V升高至690V的情况。 我们将围绕以下方面进行比较： •低压开关柜•中压开关柜•配电变压器•电缆•感应电机 对 于 成 本 、 占 地 的 变 化 ， 将 用 百 分 比 表 示 ； 碳 足 迹 的 减 排 量 将 以 千 克 二 氧 化 碳 当 量 （k gCO2e）进行量化。 本分析仅限于下图所示的电气架构部分（即整个系统中最具代表性的一部分）。 场景一：将中等功率电机（200kW～400kW）从10kV转移到690V 方案1：10kV/400V系统 电气系统图 在400V设计系统中，主要参数与特性如下 •1组10kV中压开关柜（额定电流1250A，分断能力25kA）•3组400V低压开关柜(额定5000A，65kA，配断路器)•6台干式配电变压器(1600kVA，10kV/400V) 方案2：10kV/690V系统 电气系统图 在690V设计系统中，主要参数与特性如下 •1组10kV中压开关柜（额定电流1250A，分断能力25kA）•3组690V低压开关柜(额定5000A，65kA，配断路器)•6台干式配电变压器(2500kVA，10kV/690V) 系统图对应的负载清单如下 方案1/ 10kV中压开关柜正面示意，总台数32（总长度：20.8米） 方案2 / 10kV中压开关柜正面示意，总台数23（总长度：14.95米） 方案1与方案2之间中压开关柜的比较 将九台较小的中压电机转移至690V低压开关柜后，可带来以下收益： •成本节省：32%•占用空间缩减：32% 方案1与方案2之间低压开关柜的比较 由于将部分中压电机转移到了690V侧，690V低压开关柜增加了两列柜位，总增加开关柜数量至多6面，长度增加了约3.6米。值得注意的是，若不把中压电机转移至690V，则690V低压开关柜的尺寸会与400V低压开关柜相当。 对低压开关柜造成的整体影响如下： •成本增加：20%•占用空间增加：12% 注意：在不转移原本中压电机的前提下，采用690V可降低短路电流水平至50kA以下，并使进线及母排额定电流降至2500A以下，从而减少所需的柜位数量。 方案1与方案2之间对配电变压器的影响 将中压电机转移到690V也会影响配电变压器的容量选择。在方案1中使用的6台1600kVA变压器在方案2中将升级为6台2500kVA 10/0.69kV变压器.，其影响如下： •成本增加：40%•占用空间增加：27% 方案1与方案2之间对感应电机的影响 在方案2中，即将低压从400V升级到690V，并将9台原先10kV中压电机转移至690V低压侧的情形下，电机部分的成本节省如下： •成本节省：15%•占用空间无变化 方案1与方案2之间对中压和低压电缆的影响 此处假设感应电机平均距离开关柜约300米，用于评估电缆的影响。在选择中压与低压电缆的尺寸时，遵循了相关标准的推荐。 与方案1相比，方案2对应的成本节省约17% 运营阶段的能效提升及二氧化碳排放优化 为了量化运营阶段对二氧化碳排放的影响，针对中压和低压电机的效率差异作如下关键假设： •对于额定功率为250kW、280kW和315kW的小型中压电机（10kV供电），其效率约为94.7%（接近额定负载工作点） •如果将这些电机转移至690V供电，并假设使用IE3等级的低压电机，则效率可达约96% 分析中其余低压电机也同样视为IE3效率级别。 基于每年8,000小时（即年运行时间约90%）持续运行20年的假设。 将方案二与方案一进行比较，可得到以下关于能耗及二氧化碳排放的优化： •中压/低压感应电机：能耗降低1%，减少碳排放约6704tCO2e•配电变压器（功率增大）：能耗增加130%，碳排放增加687tCO2e•中压/低压电缆：能耗减少1%，碳排放减少101tCO2e 因 此 ， 运 营 阶 段 的 总 体 能 耗 和 二 氧 化 碳 排 放 减 少 约1%， 对 应 的 能 耗11,407MWh， 减 排 量6615.8tCO2e。 结论 采用690V电压等级后，在建设阶段，特定设备，如中压开关柜，感应电机及电缆的支出成本有明显降低；在运营阶段由能耗优化带来的支出也可减少1%。 由于涉及变压器的容量选择对中压电机是否直接启动带来影响，本文未对中压电机回路之后的中压变频回路更改为低压变频回路做深入讨论，中压变频与低压变频采购成本差异巨大，如果本文中，中压电机均采用变频启动，则建设成本投入可以有更明显的降低。 场景二：将低压电机电压等级由400V升高为690V 接下来对低压侧400V电压升高为690V的方案进行分析 方案一 低压侧电机采用400V系统，开关柜采用施耐德BlokSeT柜型 在400V系统中，主要参数与特性如下 •3组400V低压开关柜(额定3200A，70kA，配断路器)•6台干式配电变压器(1600kVA，10kV/400V) 方案二 低压侧电机升级为690V系统，开关柜采用施耐德BlokSeT柜型 在690V系统中，主要参数与特性如下 •3组690V低压开关柜(额定2000A，50kA，配断路器)•6台干式配电变压器(1600kVA，10kV/690V) 方案2 / 690V低开关柜正面示意，共3组，总台数45（含变压器总长度：44.4米） 对比方案二与方案一，对低压开关柜造成的整体影响如下： 对低压开关柜造成的整体影响如下： •成本：无明显变化•占用空间：无明显变化 对感应电机的影响 方案二中，即将低压从400V升级到690V，电机成本无变化。 对低压电缆的影响 此处假设感应电机平均距离开关柜约300米，用于评估电缆的影响。在选择中压与低压电缆的尺寸时，遵循了相关标准的推荐。 方案二中，690V系统对应电缆采购成本节约38%。 运营阶段的能效提升及二氧化碳排放优化 基于每年8,000小时（即年运行时间约90%）持续运行20年的假设。 •中压/低压感应电机及变压器：基本不会带来能耗和碳排放的变化•中压/低压电缆：能耗降低79%，碳排放减少18159.4tCO2e 因 此 ， 运 营 阶 段 的 总 体 能 耗 和 二 氧 化 碳 排 放 减 少 约4 %， 对 应 的 能 耗3 1 3 0 9 M W h， 减 排 量18159.4tCO2e。 结论 690V电机与400V电机的采购价格差异较小，成本影响可忽略不计；变压器成本变化亦不构成显著影响因素。系统主要成本优化体现在电缆截面积显著减小，电缆采购成本大幅降低。 此外采用690V电压等级后，建设成本中电气主体设备投入可以减少19%,年运营电耗支出可减少约1.5%。 2更快速灵敏的保护电器选择 对于如化工油气等流程工业，以往有一种常见做法是为进线和母联断路器选择无保护功能的断路器，搭配外置保护继电器。 主要基于以下两点原因： 1.对保护功能的要求高于传统空气断路器（ACB）的内置控制单元所能提供的水平；2.之前的低压ACB不支持IEC 61850通讯协议。 但随着新一代ACB技术的发展上述情形可能会有所变化。得益于自身保护的功能增强及IEC61850的支持能力，ACB可带来占地和成本的显著节省。 保护配置的适当性 在化工油气等行业的设施中，保护方案通常过于复杂，有时并非必要。在设计阶段为项目量身定制合理的保护功能，这不仅简化了工程设计、调试和故障排查，也使得利用ACB自带的脱扣