淺談供配電設計中的節能方法和措施

李巍巍

(江西銅業集團公司材料設備公司，江西貴溪 335424)

淺談供配電設計中的節能方法和措施

李巍巍

(江西銅業集團公司材料設備公司，江西貴溪 335424)

在供配電系統設計中，節能方法和措施的合理運用，對于緩解我國能源緊張的局面、促進我國國民經濟的可持續發展具有重要意義。從供配電系統總體規劃、供配電線路設計、電氣設備選擇、人工無功功率補償、照明節能設計等角度出發，介紹并討論了幾種節能的方法和措施，為供配電節能設計提供了借鑒和參考。

供配電設計;節能;電壓等級;功率損耗;功率因數;無功功率補償

1 引言

隨著經濟的發展和科技的進步，能源的消耗在世界范圍內持續增長，能源問題日益突出，并已成為全球共同關注的問題。據世界能源署的統計數據顯示，2009年中國能源總消耗已超過美國，成為世界第一大能源消耗國。在這樣的形勢和背景下，節能作為我國可持續發展的一項長遠發展戰略和基本國策被提到重要的位置上。作為電氣設計人員，應該充分認識到節能的重要性，并在供配電設計中，從全局的角度出發，通過節能方法和措施的合理運用，達到節能降耗的目的。

2 供配電系統總體規劃

供配電系統總體方案設計中，應根據負荷性質、用電容量、負荷分布、用電設備特性、供電距離等因素，綜合考慮，合理選擇電壓等級，確定設計方案［1］。可采取減少配變電級數，簡化接線等方式節約電能和投資［2］。同時，根據負荷特點和經濟運行對變壓器的臺數和容量進行選擇［2］，對于晝夜或季節性波動較大的負荷，可通過計算負荷結合技術經濟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敱M量靠近負荷中心［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，提高線路的電壓等級可以達到節能的目的。但隨著線路電壓等級的提高，對電氣設備絕緣性能的要求也相應提高，投資也相應增加。對此，必須在技術經濟對比合理的前提下才能進行。

一般來說，輸電網的主干線和相鄰電網間的聯絡線多采用500kV、330kV和220kV等級;二級輸電網采用220kV和110kV等級;35kV用于城鄉配電網及大型工業企業內部電網。10kV是最常用的較低一級的高壓配電電壓，但負荷中高壓電動機的比重很大時，在技術經濟合理下，應采用6kV的配電方案(高壓電動機的額定電壓一般為6kV)［3］。以江銅集團貴溪冶煉廠為例，各類風機、水泵、制氧機、氮壓機、空壓機、球磨機、半自磨機等6kV高壓電動機負荷數量和總容量占據很大比重，企業在電壓等級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，在供配電系統總體方案電壓等級的確定上也要充分考慮各級電壓等級和對應的線路輸送能力(輸送功率和輸送距離)之間的關系，見表1。

表1 各級電壓線路輸送能力數據表［2－3］

3 供配電線路的設計

電力線路按結構可分為架空線路和電纜線路兩大類別［3］。無論哪種類型的輸電線路均采用金屬導線傳輸電能，由于導線自身存在電阻，輸電線路上因此而產生相應的功率損耗。

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［2］。

由此可見，輸電線路上的功率損耗與輸電線路的電阻、電壓和功率因數有關。當負荷功率一定時，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的平方成反比。為此，在供配電線路的設計過程中，可以通過降低輸電線路的電阻，提高輸電線路的電壓等級和功率因數等幾個方面降低線路損耗，達到節約電能的目的。

由輸電線路的電阻公式R=PL/S可知，電阻與導線電阻率P、導線長度L成正比，與導線截面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較小的導線，如銅芯導線較佳，鋁線次之。

(2)盡可能減少導線長度。設計中，在條件允許的情況下，輸電線路應盡量走直線而少走彎路。變電所應盡可能地靠近負荷中心，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)適當增大導線截面積。對于較長的線路，在滿足載流量，熱穩定，保護配合及電壓降要求的前提下，在選定導線截面時可適當加大一級。這樣做雖然增加了輸電線路的一次性投入費用，但用發展的眼光來看，節約電能的同時會帶來長遠的經濟效益。

4 電氣設備選擇

在供配電設計中，可以通過正確合理地選擇電氣設備來提高用電設備的自然功率因數、改善電網的電能質量，從而達到節能降耗的目的。

一般工業企業消耗的無功功率中，異步電動機約占70%，變壓器占20%、線路占10%，在設計中，可以通過正確選擇電動機和變壓器的容量，減少線路感抗。在功率條件適當時，采用同步電動機以及選用帶空載切除的間隙工作制設備等措施，以提高用電單位的自然功率因數。選擇電動機的經常負荷不低于額定容量的40%;變壓器負荷率宜在75%～85%，不低于60%［2］。

減少電動機能量損耗的主要途徑是提高電動機的工作效率和功率因數。異步電動機在空載或輕載運行時，功率因數很低，空載時功率因數低于0.4，輕載時約為0.6左右;負荷在70%以上至滿載時功率因數較高，約為0.85左右［4］。所以，設計時如能正確的選擇電動機的容量，使之盡可能地滿負荷運行，將會大大提高自然功率因數。同時，在設計選型時，應注意選用高效節能電動機、稀土永磁電動機，淘汰高能耗的低效電動機［5］。并且根據負荷特性、啟動次數和調速方面的具體要求，選擇合適的電動機，避免“大馬拉小車”而導致的電能浪費。

在工業用電動機中，異步電動機的應用十分廣泛，異步電動機的功率因數和效率是電動機運行中的兩個主要的經濟指標［6］，且二者密切相關，在改善異步電動機效率的同時也改善了功率因數。另外，當工藝條件適當，經技術經濟比較，證明工藝設備采用同步電動機合理時，也可以選擇同步電動機，利用其過勵磁超前運行，以補償系統的感性無功功率［2］。

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

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、銅損以及負載率有關。

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，與負荷大小無關，又稱不變損耗［7］。在選型時，應選擇節能型變壓器，如S9、S10、SC10系列產品，它們在鐵芯材料上所采用的優質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的電流大小有關。在選擇變壓器時，可選用阻值較小的繞組線圈，如銅芯變壓器。

一般的，變壓器的負荷率在0.3～1的范圍內均可，在0.5～0.6時效率最高。但效率最高時，并不代表其最經濟運行，變壓器的經濟性受變壓器價格、使用壽命、損耗、負荷特點、電價等技術經濟指標的影響。在評判變壓器的節能效益時，一般采用綜合能效費用法(即TOC法)［2］，它是一種從經濟角度對變壓器的能效及技術經濟進行科學評價的方法。一般，變壓器的負荷率在0.75～0.85時，其效率和經濟性比較平衡。在設計時，應綜合考慮，選擇合適的變壓器容量。

5 人工無功功率補償

在工業企業的供配電設計中，通過對電動機、變壓器等感性負載進行科學的選型，可以提高這些在工業企業無功功率損耗中占較大比重的用電設備的自然功率因數。

同時，可以進行人工補償無功功率，即采取裝設無功功率補償設備的方式進一步提高功率因數。對于感性負載的人工無功功率補償，一般采用并聯電力電容器的方法。為了盡量減少線路損耗和電壓損失，宜就地平衡補償，即低壓部分的無功功率宜由低壓電容器補償，高壓部分的無功功率宜由高壓電容器補償?？梢愿鶕唧w情況，選擇單獨就地補償、集中補償和分散補償等形式以及手動或自動的投切方式。以節能為主進行無功自動補償時，在調節方式的選擇上，應采用無功功率參數調節的方式［2］。

在采用并聯電力電容器進行人工無功功率補償時，由于并聯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載發熱，當其容性阻抗與系統中的感性阻抗相匹配時，容易構成諧波諧振，使電容器發熱導致絕緣擊穿的故障增多。因此，一般在采用并聯電力電容器進行人工無功功率補償的同時，要采取相應的諧波治理措施，防止諧振造成的電容器絕緣擊穿故障。

在有色冶煉、電化學行業中，整流變壓器被廣泛應用于電解作業。在整流、換流過程中，電力電子元件等非線性裝置在工作時由于基波電流滯后于電網電壓，因此而消耗大量無功功率;同時，由于其電壓、電流波形畸變產生高次諧波，導致系統功率因數和用電設備的效率降低，增加了變壓器和線路的損耗，產生大量電能浪費，加大了企業電力運行成本。

以江銅集團貴溪冶煉廠電解車間1108整流機組為例，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，網側電源進線額定電壓6kV，直流額定輸出160V，32kA。運行工況:系統平均功率因數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，功率因數較低、諧波電流較大。為此，在該機組6kV高壓測實施人工無功功率補償及高次諧波治理。按照無功負荷曲線及相應計算，通過電容器等值發熱、過電壓、過電流校驗確定設計補償容量為900kvar，補償后6kV高壓進線側功率因數0.95，且不反送無功功率。補償形式為6kV高壓側就地補償，投切方式為自動投切，根據負荷的變化實行自動調節。濾波支路設計為11次高通濾波，可有效濾除11次、13次及以上各次諧波。

目前，該項目正處于實施階段，通過高壓自動無功補償及諧波治理裝置對系統的無功功率補償和高次諧波治理，可有效提高該機組6kV高壓進線側無功功率因數，消除諧波，改善供電質量，降低變壓器及線路損耗，節約電能，降低企業電力運行成本，為企業增加經濟效益。

6 照明節能設計

在工業企業、民用和公共建筑以及市政道路等場所，照明設施在供配電系統的用電終端中數量巨大，照明的節能設計成為設計人員不容忽視的問題。在照明設計中，可以在充分利用天然采光的基礎上，從合理的照明計算、負荷分配，對照明燈具、電光源以及照明控制方式的正確選擇等方面進行節能設計。

在照明計算方面，應按照現行照明設計標準，對照度、功率密度進行計算，并對比復核。在低壓照明配電系統中存在大量的單相負荷，為此，在照明設計的負荷分配中，應注意三相負荷的平均分配，避免由于三相負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。隨著科技的發展進步，照明燈具和電光源不斷向節能高效方向發展，其節能效果十分顯著。與普通白熾燈對比，T8型熒光燈的節能可達10%，T5型熒光燈比T8型節能效果更好，緊湊熒光燈比普通燈具的壽命長，節能效果好;高壓鈉燈替代高壓汞燈，可節能約37%，金鹵燈替代高壓汞燈，可節能約30%［8］。另外，LED(發光二極管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、啟動時間短、結構牢固和功耗低等優點在照明的節能設計中被廣泛應用。照明控制方式的合理選擇也是照明節能設計的有效措施，尤其在智能建筑設計中更為重要。一般，根據工作場所的照明系統要求，通常采取分區分時以及調節亮度的控制方式，結合智能模塊、傳感器、智能開關和總線控制等先進技術對工作場所的照明燈具進行科學控制，在節能的同時，簡化了照明系統布線。

7 結語

“十二五”規劃綱要中明確提出，面對日趨強化的資源環境約束，必須增強危機意識，樹立綠色、低碳發展理念，以節能減排為重點。大力推進節能降耗，落實節約優先戰略。

作為電氣設計人員，應該在供配電設計中，把節能的理念放在重要的位置，并在具體設計中作為一個重要的考慮因素。一個好的節能設計，可以為工業企業帶來長遠的經濟效益，同時，為國民經濟的可持續發展起到良好的推動作用。

［1］GB50052－2009，供配電系統設計規范［S］.

［2］任元會主編.工業與民用配電設計手冊［M］.北京:中國電力出版社，2005:16－41.

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

［4］劉寶林主編.電氣設備選擇·施工安裝·設計應用手冊［M］.北京:中國水利水電出版社，1997:2576.

［5］馮送京，米易主編.機電設備技術和節能［M］.西安:西北大學出版社，2007:201－205.

［6］周夢公編著.工廠系統節電與節電工程［M］.北京:冶金工業出版社，2008:19－30.

［7］牛秀巖主編.電機學［M］.北京:冶金工業出版社，1990:43－45.

［8］李良才.照明節能和供配電系統節能設計的討論［J］.陜西建筑，2011，(2):9－10.

［9］周太明等.高效照明系統設計指南［M］.上海:復旦大學出版社，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，主要從事供配電設計及工業自動化控制等方面的研究。E－mail:leevv2006@163.com