淺談供配電設(shè)計(jì)中的節(jié)能方法和措施

李巍巍

(江西銅業(yè)集團(tuán)公司材料設(shè)備公司，江西貴溪 335424)

淺談供配電設(shè)計(jì)中的節(jié)能方法和措施

李巍巍

(江西銅業(yè)集團(tuán)公司材料設(shè)備公司，江西貴溪 335424)

在供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，節(jié)能方法和措施的合理運(yùn)用，對(duì)于緩解我國(guó)能源緊張的局面、促進(jìn)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。從供配電系統(tǒng)總體規(guī)劃、供配電線路設(shè)計(jì)、電氣設(shè)備選擇、人工無(wú)功功率補(bǔ)償、照明節(jié)能設(shè)計(jì)等角度出發(fā)，介紹并討論了幾種節(jié)能的方法和措施，為供配電節(jié)能設(shè)計(jì)提供了借鑒和參考。

供配電設(shè)計(jì);節(jié)能;電壓等級(jí);功率損耗;功率因數(shù);無(wú)功功率補(bǔ)償

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，能源的消耗在世界范圍內(nèi)持續(xù)增長(zhǎng)，能源問(wèn)題日益突出，并已成為全球共同關(guān)注的問(wèn)題。據(jù)世界能源署的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2009年中國(guó)能源總消耗已超過(guò)美國(guó)，成為世界第一大能源消耗國(guó)。在這樣的形勢(shì)和背景下，節(jié)能作為我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展戰(zhàn)略和基本國(guó)策被提到重要的位置上。作為電氣設(shè)計(jì)人員，應(yīng)該充分認(rèn)識(shí)到節(jié)能的重要性，并在供配電設(shè)計(jì)中，從全局的角度出發(fā)，通過(guò)節(jié)能方法和措施的合理運(yùn)用，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

2 供配電系統(tǒng)總體規(guī)劃

供配電系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)負(fù)荷性質(zhì)、用電容量、負(fù)荷分布、用電設(shè)備特性、供電距離等因素，綜合考慮，合理選擇電壓等級(jí)，確定設(shè)計(jì)方案［1］?？刹扇p少配變電級(jí)數(shù)，簡(jiǎn)化接線等方式節(jié)約電能和投資［2］。同時(shí)，根據(jù)負(fù)荷特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行對(duì)變壓器的臺(tái)數(shù)和容量進(jìn)行選擇［2］，對(duì)于晝夜或季節(jié)性波動(dòng)較大的負(fù)荷，可通過(guò)計(jì)算負(fù)荷結(jié)合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定變壓器的容量。

一般，供電電壓越高則線路電流越小，線路上損耗的電能就越少?？傋冸娝团潆娝鶓?yīng)當(dāng)盡量靠近負(fù)荷中心［1］，減小供電半徑，降低供電線路上的損耗。在供電電壓的范圍內(nèi)，提高線路的電壓等級(jí)可以達(dá)到節(jié)能的目的。但隨著線路電壓等級(jí)的提高，對(duì)電氣設(shè)備絕緣性能的要求也相應(yīng)提高，投資也相應(yīng)增加。對(duì)此，必須在技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比合理的前提下才能進(jìn)行。

一般來(lái)說(shuō)，輸電網(wǎng)的主干線和相鄰電網(wǎng)間的聯(lián)絡(luò)線多采用500kV、330kV和220kV等級(jí);二級(jí)輸電網(wǎng)采用220kV和110kV等級(jí);35kV用于城鄉(xiāng)配電網(wǎng)及大型工業(yè)企業(yè)內(nèi)部電網(wǎng)。10kV是最常用的較低一級(jí)的高壓配電電壓，但負(fù)荷中高壓電動(dòng)機(jī)的比重很大時(shí)，在技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理下，應(yīng)采用6kV的配電方案(高壓電動(dòng)機(jī)的額定電壓一般為6kV)［3］。以江銅集團(tuán)貴溪冶煉廠為例，各類(lèi)風(fēng)機(jī)、水泵、制氧機(jī)、氮壓機(jī)、空壓機(jī)、球磨機(jī)、半自磨機(jī)等6kV高壓電動(dòng)機(jī)負(fù)荷數(shù)量和總?cè)萘空紦?jù)很大比重，企業(yè)在電壓等級(jí)的選擇上充分考慮了這一因素，選擇了110kV/ 6kV的變配電方式。

同時(shí)，在供配電系統(tǒng)總體方案電壓等級(jí)的確定上也要充分考慮各級(jí)電壓等級(jí)和對(duì)應(yīng)的線路輸送能力(輸送功率和輸送距離)之間的關(guān)系，見(jiàn)表1。

表1 各級(jí)電壓線路輸送能力數(shù)據(jù)表［2－3］

3 供配電線路的設(shè)計(jì)

電力線路按結(jié)構(gòu)可分為架空線路和電纜線路兩大類(lèi)別［3］。無(wú)論哪種類(lèi)型的輸電線路均采用金屬導(dǎo)線傳輸電能，由于導(dǎo)線自身存在電阻，輸電線路上因此而產(chǎn)生相應(yīng)的功率損耗。

其公式為:

式中:△P為三相輸電線路的功率損耗，kW;I為線電流，A;P為輸電線路輸送的有功功率，kW;R為輸電線路每相線路的電阻，Ω;U為線電壓，V; cosφ為輸電線路的功率因數(shù)［2］。

由此可見(jiàn)，輸電線路上的功率損耗與輸電線路的電阻、電壓和功率因數(shù)有關(guān)。當(dāng)負(fù)荷功率一定時(shí)，輸電線路上的功率損耗與輸電線路的電阻成正比、與電壓的平方和功率因數(shù)的平方成反比。為此，在供配電線路的設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以通過(guò)降低輸電線路的電阻，提高輸電線路的電壓等級(jí)和功率因數(shù)等幾個(gè)方面降低線路損耗，達(dá)到節(jié)約電能的目的。

由輸電線路的電阻公式R=PL/S可知，電阻與導(dǎo)線電阻率P、導(dǎo)線長(zhǎng)度L成正比，與導(dǎo)線截面S成反比。要降低輸電線路的電阻，可以采取以下措施:

(1)盡量選用電阻率P較小的導(dǎo)線，如銅芯導(dǎo)線較佳，鋁線次之。

(2)盡可能減少導(dǎo)線長(zhǎng)度。設(shè)計(jì)中，在條件允許的情況下，輸電線路應(yīng)盡量走直線而少走彎路。變電所應(yīng)盡可能地靠近負(fù)荷中心，以減小供電半徑。另外，在低壓配電中，盡可能不走或少走回頭路。

(3)適當(dāng)增大導(dǎo)線截面積。對(duì)于較長(zhǎng)的線路，在滿足載流量，熱穩(wěn)定，保護(hù)配合及電壓降要求的前提下，在選定導(dǎo)線截面時(shí)可適當(dāng)加大一級(jí)。這樣做雖然增加了輸電線路的一次性投入費(fèi)用，但用發(fā)展的眼光來(lái)看，節(jié)約電能的同時(shí)會(huì)帶來(lái)長(zhǎng)遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。

4 電氣設(shè)備選擇

在供配電設(shè)計(jì)中，可以通過(guò)正確合理地選擇電氣設(shè)備來(lái)提高用電設(shè)備的自然功率因數(shù)、改善電網(wǎng)的電能質(zhì)量，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

一般工業(yè)企業(yè)消耗的無(wú)功功率中，異步電動(dòng)機(jī)約占70%，變壓器占20%、線路占10%，在設(shè)計(jì)中，可以通過(guò)正確選擇電動(dòng)機(jī)和變壓器的容量，減少線路感抗。在功率條件適當(dāng)時(shí)，采用同步電動(dòng)機(jī)以及選用帶空載切除的間隙工作制設(shè)備等措施，以提高用電單位的自然功率因數(shù)。選擇電動(dòng)機(jī)的經(jīng)常負(fù)荷不低于額定容量的40%;變壓器負(fù)荷率宜在75%～85%，不低于60%［2］。

減少電動(dòng)機(jī)能量損耗的主要途徑是提高電動(dòng)機(jī)的工作效率和功率因數(shù)。異步電動(dòng)機(jī)在空載或輕載運(yùn)行時(shí)，功率因數(shù)很低，空載時(shí)功率因數(shù)低于0.4，輕載時(shí)約為0.6左右;負(fù)荷在70%以上至滿載時(shí)功率因數(shù)較高，約為0.85左右［4］。所以，設(shè)計(jì)時(shí)如能正確的選擇電動(dòng)機(jī)的容量，使之盡可能地滿負(fù)荷運(yùn)行，將會(huì)大大提高自然功率因數(shù)。同時(shí)，在設(shè)計(jì)選型時(shí)，應(yīng)注意選用高效節(jié)能電動(dòng)機(jī)、稀土永磁電動(dòng)機(jī)，淘汰高能耗的低效電動(dòng)機(jī)［5］。并且根據(jù)負(fù)荷特性、啟動(dòng)次數(shù)和調(diào)速方面的具體要求，選擇合適的電動(dòng)機(jī)，避免“大馬拉小車(chē)”而導(dǎo)致的電能浪費(fèi)。

在工業(yè)用電動(dòng)機(jī)中，異步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用十分廣泛，異步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)和效率是電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中的兩個(gè)主要的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)［6］，且二者密切相關(guān)，在改善異步電動(dòng)機(jī)效率的同時(shí)也改善了功率因數(shù)。另外，當(dāng)工藝條件適當(dāng)，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，證明工藝設(shè)備采用同步電動(dòng)機(jī)合理時(shí)，也可以選擇同步電動(dòng)機(jī)，利用其過(guò)勵(lì)磁超前運(yùn)行，以補(bǔ)償系統(tǒng)的感性無(wú)功功率［2］。

在供配電系統(tǒng)中，變壓器是一種應(yīng)用廣泛的電能傳遞設(shè)備，它將某一種電壓等級(jí)的電能轉(zhuǎn)換成另一種電壓等級(jí)的電能［7］。變壓器的原繞組從電源吸取有功功率，在能量的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，有一部分有功功率消耗在繞組的電阻上產(chǎn)生銅損，還有一部分消耗在鐵芯上產(chǎn)生鐵損。

其公式為:△P=P0+β2Pk

式中:△P為變壓器的有功功率損耗，kW;P0為變壓器的鐵損，空載損耗，kW;Pk為變壓器的銅損，短路損耗，kW;β為變壓器的負(fù)載率［7］。

從以上公式可以看出，變壓器的有功功率損耗和變壓器鐵損、銅損以及負(fù)載率有關(guān)。

變壓器的鐵損主要由鐵芯的渦流損耗及漏磁損耗組成，其值與鐵芯材料及制造工藝有關(guān)，與負(fù)荷大小無(wú)關(guān)，又稱不變損耗［7］。在選型時(shí)，應(yīng)選擇節(jié)能型變壓器，如S9、S10、SC10系列產(chǎn)品，它們?cè)阼F芯材料上所采用的優(yōu)質(zhì)冷軋晶粒取向矽鋼片，可有效減少鐵芯上的有功功率損耗。

變壓器的銅損與變壓器原、副線圈上的電阻和通過(guò)的電流大小有關(guān)。在選擇變壓器時(shí)，可選用阻值較小的繞組線圈，如銅芯變壓器。

一般的，變壓器的負(fù)荷率在0.3～1的范圍內(nèi)均可，在0.5～0.6時(shí)效率最高。但效率最高時(shí)，并不代表其最經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，變壓器的經(jīng)濟(jì)性受變壓器價(jià)格、使用壽命、損耗、負(fù)荷特點(diǎn)、電價(jià)等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的影響。在評(píng)判變壓器的節(jié)能效益時(shí)，一般采用綜合能效費(fèi)用法(即TOC法)［2］，它是一種從經(jīng)濟(jì)角度對(duì)變壓器的能效及技術(shù)經(jīng)濟(jì)進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)的方法。一般，變壓器的負(fù)荷率在0.75～0.85時(shí)，其效率和經(jīng)濟(jì)性比較平衡。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮，選擇合適的變壓器容量。

5 人工無(wú)功功率補(bǔ)償

在工業(yè)企業(yè)的供配電設(shè)計(jì)中，通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)、變壓器等感性負(fù)載進(jìn)行科學(xué)的選型，可以提高這些在工業(yè)企業(yè)無(wú)功功率損耗中占較大比重的用電設(shè)備的自然功率因數(shù)。

同時(shí)，可以進(jìn)行人工補(bǔ)償無(wú)功功率，即采取裝設(shè)無(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)備的方式進(jìn)一步提高功率因數(shù)。對(duì)于感性負(fù)載的人工無(wú)功功率補(bǔ)償，一般采用并聯(lián)電力電容器的方法。為了盡量減少線路損耗和電壓損失，宜就地平衡補(bǔ)償，即低壓部分的無(wú)功功率宜由低壓電容器補(bǔ)償，高壓部分的無(wú)功功率宜由高壓電容器補(bǔ)償。可以根據(jù)具體情況，選擇單獨(dú)就地補(bǔ)償、集中補(bǔ)償和分散補(bǔ)償?shù)刃问揭约笆謩?dòng)或自動(dòng)的投切方式。以節(jié)能為主進(jìn)行無(wú)功自動(dòng)補(bǔ)償時(shí)，在調(diào)節(jié)方式的選擇上，應(yīng)采用無(wú)功功率參數(shù)調(diào)節(jié)的方式［2］。

在采用并聯(lián)電力電容器進(jìn)行人工無(wú)功功率補(bǔ)償時(shí)，由于并聯(lián)電容器的容性阻抗特性，以及阻抗和頻率成反比的特性，使得電容器容易吸收諧波電流而引起過(guò)載發(fā)熱，當(dāng)其容性阻抗與系統(tǒng)中的感性阻抗相匹配時(shí)，容易構(gòu)成諧波諧振，使電容器發(fā)熱導(dǎo)致絕緣擊穿的故障增多。因此，一般在采用并聯(lián)電力電容器進(jìn)行人工無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)，要采取相應(yīng)的諧波治理措施，防止諧振造成的電容器絕緣擊穿故障。

在有色冶煉、電化學(xué)行業(yè)中，整流變壓器被廣泛應(yīng)用于電解作業(yè)。在整流、換流過(guò)程中，電力電子元件等非線性裝置在工作時(shí)由于基波電流滯后于電網(wǎng)電壓，因此而消耗大量無(wú)功功率;同時(shí)，由于其電壓、電流波形畸變產(chǎn)生高次諧波，導(dǎo)致系統(tǒng)功率因數(shù)和用電設(shè)備的效率降低，增加了變壓器和線路的損耗，產(chǎn)生大量電能浪費(fèi)，加大了企業(yè)電力運(yùn)行成本。

以江銅集團(tuán)貴溪冶煉廠電解車(chē)間1108整流機(jī)組為例，整流變壓器采用雙反星型帶平衡電抗器12脈波整流，額定容量6100kVA，網(wǎng)側(cè)電源進(jìn)線額定電壓6kV，直流額定輸出160V，32kA。運(yùn)行工況:系統(tǒng)平均功率因數(shù)0.8左右，由于采用12脈波整流，特征諧波為11次、13次諧波，11次諧波電流為19.86A，13次諧波電流為16.49A，功率因數(shù)較低、諧波電流較大。為此，在該機(jī)組6kV高壓測(cè)實(shí)施人工無(wú)功功率補(bǔ)償及高次諧波治理。按照無(wú)功負(fù)荷曲線及相應(yīng)計(jì)算，通過(guò)電容器等值發(fā)熱、過(guò)電壓、過(guò)電流校驗(yàn)確定設(shè)計(jì)補(bǔ)償容量為900kvar，補(bǔ)償后6kV高壓進(jìn)線側(cè)功率因數(shù)0.95，且不反送無(wú)功功率。補(bǔ)償形式為6kV高壓側(cè)就地補(bǔ)償，投切方式為自動(dòng)投切，根據(jù)負(fù)荷的變化實(shí)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。濾波支路設(shè)計(jì)為11次高通濾波，可有效濾除11次、13次及以上各次諧波。

目前，該項(xiàng)目正處于實(shí)施階段，通過(guò)高壓自動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償及諧波治理裝置對(duì)系統(tǒng)的無(wú)功功率補(bǔ)償和高次諧波治理，可有效提高該機(jī)組6kV高壓進(jìn)線側(cè)無(wú)功功率因數(shù)，消除諧波，改善供電質(zhì)量，降低變壓器及線路損耗，節(jié)約電能，降低企業(yè)電力運(yùn)行成本，為企業(yè)增加經(jīng)濟(jì)效益。

6 照明節(jié)能設(shè)計(jì)

在工業(yè)企業(yè)、民用和公共建筑以及市政道路等場(chǎng)所，照明設(shè)施在供配電系統(tǒng)的用電終端中數(shù)量巨大，照明的節(jié)能設(shè)計(jì)成為設(shè)計(jì)人員不容忽視的問(wèn)題。在照明設(shè)計(jì)中，可以在充分利用天然采光的基礎(chǔ)上，從合理的照明計(jì)算、負(fù)荷分配，對(duì)照明燈具、電光源以及照明控制方式的正確選擇等方面進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)。

在照明計(jì)算方面，應(yīng)按照現(xiàn)行照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)照度、功率密度進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)比復(fù)核。在低壓照明配電系統(tǒng)中存在大量的單相負(fù)荷，為此，在照明設(shè)計(jì)的負(fù)荷分配中，應(yīng)注意三相負(fù)荷的平均分配，避免由于三相負(fù)荷分配不均而造成的三相不平衡加重變壓器及線路的損耗。

在節(jié)能效果方面，照明燈具和電光源的選擇尤為重要。隨著科技的發(fā)展進(jìn)步，照明燈具和電光源不斷向節(jié)能高效方向發(fā)展，其節(jié)能效果十分顯著。與普通白熾燈對(duì)比，T8型熒光燈的節(jié)能可達(dá)10%，T5型熒光燈比T8型節(jié)能效果更好，緊湊熒光燈比普通燈具的壽命長(zhǎng)，節(jié)能效果好;高壓鈉燈替代高壓汞燈，可節(jié)能約37%，金鹵燈替代高壓汞燈，可節(jié)能約30%［8］。另外，LED(發(fā)光二極管Light Emitting Diode)作為繼白熾燈、熒光燈和HID光源之后的第四代電光源［9］，正以其壽命長(zhǎng)、啟動(dòng)時(shí)間短、結(jié)構(gòu)牢固和功耗低等優(yōu)點(diǎn)在照明的節(jié)能設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用。照明控制方式的合理選擇也是照明節(jié)能設(shè)計(jì)的有效措施，尤其在智能建筑設(shè)計(jì)中更為重要。一般，根據(jù)工作場(chǎng)所的照明系統(tǒng)要求，通常采取分區(qū)分時(shí)以及調(diào)節(jié)亮度的控制方式，結(jié)合智能模塊、傳感器、智能開(kāi)關(guān)和總線控制等先進(jìn)技術(shù)對(duì)工作場(chǎng)所的照明燈具進(jìn)行科學(xué)控制，在節(jié)能的同時(shí)，簡(jiǎn)化了照明系統(tǒng)布線。

7 結(jié)語(yǔ)

“十二五”規(guī)劃綱要中明確提出，面對(duì)日趨強(qiáng)化的資源環(huán)境約束，必須增強(qiáng)危機(jī)意識(shí)，樹(shù)立綠色、低碳發(fā)展理念，以節(jié)能減排為重點(diǎn)。大力推進(jìn)節(jié)能降耗，落實(shí)節(jié)約優(yōu)先戰(zhàn)略。

作為電氣設(shè)計(jì)人員，應(yīng)該在供配電設(shè)計(jì)中，把節(jié)能的理念放在重要的位置，并在具體設(shè)計(jì)中作為一個(gè)重要的考慮因素。一個(gè)好的節(jié)能設(shè)計(jì)，可以為工業(yè)企業(yè)帶來(lái)長(zhǎng)遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展起到良好的推動(dòng)作用。

［1］GB50052－2009，供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］任元會(huì)主編.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2005:16－41.

［3］韓禎祥主編.電力系統(tǒng)分析［M］.杭州:浙江大學(xué)出版社，2002:14－27.

［4］劉寶林主編.電氣設(shè)備選擇·施工安裝·設(shè)計(jì)應(yīng)用手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，1997:2576.

［5］馮送京，米易主編.機(jī)電設(shè)備技術(shù)和節(jié)能［M］.西安:西北大學(xué)出版社，2007:201－205.

［6］周夢(mèng)公編著.工廠系統(tǒng)節(jié)電與節(jié)電工程［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2008:19－30.

［7］牛秀巖主編.電機(jī)學(xué)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1990:43－45.

［8］李良才.照明節(jié)能和供配電系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)的討論［J］.陜西建筑，2011，(2):9－10.

［9］周太明等.高效照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)指南［M］.上海:復(fù)旦大學(xué)出版社，2004:104－106.

Discussion on Energy－saving Methods and Measures in Power Supply and Distribution Design

LI Wei－wei
(JCC Material＆Equipment Company，Guixi，Jiangxi 335424，China)

In the design of power supply and distribution system，proper use of energy－saving measures will be of great importance in easing energy shortage situation and promoting the sustainable development of our national economy.This paper introduces and discusses some effective energy－saving methods measures from the power supply and distribution system overall planning，the circuit design of power supply and distribution，the selection of electrical equipment，artificial reactive power compensation and lighting energy－saving design，which could provide some valuable references for the energy－saving design of power supply and distribution.

design of the power supply and distribution;energy－saving;voltage level;power loss;power factor;reactive power compensation

TM715+.3

:A

:1009－3842(2012)04－0071－04

2012－07－04

李巍巍(1983－)，男，黑龍江哈爾濱人，本科，主要從事供配電設(shè)計(jì)及工業(yè)自動(dòng)化控制等方面的研究。E－mail:leevv2006@163.com