從節(jié)能角度淺談工廠供配電設(shè)計

龔志華，王光輝

(昆明有色冶金設(shè)計研究院股份公司電氣自動化工程部，云南 昆明 650051)

0 引 言

當前國內(nèi)經(jīng)濟飛速發(fā)展，能源消耗持續(xù)增長，電能供不應(yīng)求的局面日益嚴重，工廠企業(yè)為了效益對單位產(chǎn)品的電能消耗量相當重視。

從而，在供配電設(shè)計中運用節(jié)能技術(shù)，避免資料浪費及給企業(yè)帶來更高效益。既是設(shè)計者應(yīng)有的一份責任，也是評價設(shè)計質(zhì)量的一項重要指標。

1 在供配電系統(tǒng)中的節(jié)能方法

在工廠供配電設(shè)計中，電網(wǎng)中的功率損耗主要包含電力線路中的功率損耗、電力變壓器的功率損耗以及電動機(工廠主要的用電設(shè)備)的功率損耗。下面分別來闡述節(jié)能方法。

1.1 降低電力線路功率損耗來節(jié)能

三相線路中有功功率損耗為：

三相線路中無功功率損耗為：

X=xL 。

IC——計算相電流；

R——每相線路電阻；

X——每相線路電抗；

△PL——三相線路中計算有功功率；

△QL——三相線路中計算有功功率；

Ue——額定線電壓；

cosθ——計算功率因數(shù)；

r、x——線路單位長度的交流電阻及電抗，與纜線截面積成反比；

L——線路計算長度

從以上公式中不難看出，在工廠或車間計算有功功率一定的情況下，供配電線路中功率損耗與電壓等級、功率因數(shù)及線纜截面積的平方成反比，與線路長度成正比，進而我們可以用提高電壓等級與功率因數(shù)、增大線纜截面積，以及減少線路長度來進行節(jié)能。

1.1.1 提高輸電線路電壓等級

工廠的供電電壓應(yīng)從用電容量、用電設(shè)備特性、供電距離、供電線路的回路數(shù)、用電單位的遠景規(guī)劃、當?shù)毓搽娋W(wǎng)現(xiàn)狀和它的發(fā)展規(guī)劃以及經(jīng)濟合理等因數(shù)綜合考慮決定；配電電壓的高低取決于供電電壓、用電設(shè)備的電壓以及供電范圍、負荷大小和分布情況等。

所以工廠供配電線路的電壓等級一般不從節(jié)能的角度來進行考慮。

但在有條件情況下的供電方案對比中，我們從節(jié)能角度分析出，當輸送負荷不變時升壓后降低功率損耗的百分率計算公式如下：

式中：

ΔΔP%——升壓后功率損耗降低百分比；

Un1——電網(wǎng)升壓前的標稱電壓；

Un2——電網(wǎng)升壓后的標稱電壓。

電網(wǎng)升壓后功率損耗降低百分率，見表1。

表1 各級升壓后的功率損耗降低百分率

1.1.2 提高電網(wǎng)的功率因數(shù)

提高功率因數(shù)能減少線路損耗，當有功功率和線路的電壓不變時，假定提高前的功率因數(shù)為提高后的功率因數(shù)為cosφ2，那么三相回路實際減少的功率損耗可按以下公式得出：

式中：

P——有功功率；

U——線路電壓；

cosφ1——提高前的功率因數(shù)；

cosφ2——提高后的功率因數(shù)。

計算得出，當cosφ從0.6提高到0.9時，線路功率損耗可以降低約56%。

在提高用電設(shè)備的自然功率因數(shù)不能滿足要求時，采用無功補償提高功率因數(shù)是最有效的方法。用電設(shè)備一般為感性，在電路中并聯(lián)電容來進行補償。目前的工程應(yīng)用中，無功補償按照補償位置來分類有集中補償、就地補償和分組補償；按投入的快慢分實時動態(tài)補償及靜態(tài)補償；按是否能自動投切分為自動補償及固定補償。

在10 kV高壓供電企業(yè)中，主要采取的無功補償方式見圖1。

1)變配電所高壓集中補償(C1)，主要目的是改善電網(wǎng)的功率因數(shù)，比較容易滿足電力部門對功率因數(shù)的要求；從電力系統(tǒng)的全局來看，這種補償方式是必要且合理的。

2)配電變壓器高壓側(cè)相對集中補償(C3)，在各配電變壓器一側(cè)集中安裝，以補償變壓器的空載無功；可以降低高壓配電干線的線損。

圖1 企業(yè)供配電系統(tǒng)無功補償方式

3)變壓器低壓側(cè)集中補償(C2)，實現(xiàn)無功就地平衡，對配電網(wǎng)和配電變壓器有降損作用，同時可提高負荷側(cè)的電壓水平，且單位補償容量較10 kV側(cè)投資少，被較多采用。

4)低壓分組補償(C4)，分散安裝在各配電點低壓母線上，就地補償用電設(shè)備組的無功功率，使低壓配電主干線路上的損耗相應(yīng)減少。由于補償裝置管理及維護不太方便，只在當用電負荷點較多、較分散時，補償效率才能很好體現(xiàn)。在紅河縣蘇紅老村旅游改造項目外部供電網(wǎng)設(shè)計中，由于單體建筑物(主要是客棧、民宿)較多且分散，采用了此種補償方式。

5)用電設(shè)備就地補償(C5)，直接裝設(shè)在大容量用電設(shè)備旁邊，與設(shè)備同時投入或退出，使裝設(shè)點以上線路輸送的無功減少，線損相應(yīng)減少，可以獲得最明顯的降損效益。

提高功率因數(shù)的意義不僅在于節(jié)能，讓企業(yè)經(jīng)濟運行，而且能提高發(fā)電機的輸出功率、提高變電、輸電設(shè)施的供電能力、減少線路壓降，對整個電力系統(tǒng)意義重大。

1.1.3 增大線纜截面積

有度的增大線纜截面積可以降損節(jié)能，在滿足線路電壓降和導(dǎo)體載流量等技術(shù)條件下，導(dǎo)體截面積宜適當加大，因為節(jié)能與電纜投資是相互矛盾的，在使用周期總共降低線損的費用能夠補償加大截面積所增加的費用，達到經(jīng)濟合理，此方法稱為“按經(jīng)濟電流選擇導(dǎo)體截面積”。

工作時間長、負荷穩(wěn)定的線路，如三班制或兩班制生產(chǎn)場所宜按經(jīng)濟電流選擇導(dǎo)體截面積；高電價地區(qū)或高電價用電單位的工作時間較長、負荷穩(wěn)定的線路，應(yīng)首先應(yīng)用。

我們以10 kV及以下電力電纜經(jīng)濟電流截面選用方法為例，簡要敘述。

10 kV及以下電力電纜經(jīng)濟電流截面計算式如下：

式中：

Sj——經(jīng)濟電流截面(mm2)；

Imax——第一年導(dǎo)體最大負荷電流(A)；

J——經(jīng)濟電流密度(A/mm2)。

從而，當已知電纜的經(jīng)濟電流密度及求得第一年導(dǎo)體最大負荷電流后，通過上式就能得出經(jīng)濟電流截面。

據(jù)規(guī)范(GB50217—2007 電力工程電纜設(shè)計規(guī)范)要求，在10 kV及以下電力電纜按經(jīng)濟電流截面選擇時，“當電纜經(jīng)濟電流截面比按熱穩(wěn)定、容許電壓降或持續(xù)載流量要求的截面小時，則應(yīng)按熱穩(wěn)定、容許電壓降或持續(xù)載流量較大要求截面選擇。當電纜經(jīng)濟電流截面介于電纜標稱截面檔次之間，可視其接近程度，選擇較接近一檔截面，且宜偏小選取。”

1.1.4 減少線路長度

所謂減少線路長度，就是讓高壓深入負荷中心縮短低壓配電線路。根據(jù)供電距離與負荷的容量，合理地設(shè)計供電系統(tǒng)，以減少電能損耗，可采取下列措施：

1)對負荷較大、較分散的場所，變電站應(yīng)設(shè)置在負荷中心位置以減少低壓線路的損耗；

2)高層建筑配電變壓器應(yīng)分別設(shè)置在各層。住宅區(qū)配電變壓器深入內(nèi)部，采用預(yù)裝式或埋地式變電站；

3)大型工業(yè)配電變壓器可根據(jù)縮短低壓配電線路的原則設(shè)置在建筑內(nèi)部。如何降低線損是供配電系統(tǒng)節(jié)能的一個十分重要的課題，應(yīng)在保證或有利于用電安全、有利于提高供電可靠性、經(jīng)濟合理的原則基礎(chǔ)上實施。

1.2 降低電力變壓器的功率損耗

1.2.1 變壓器的損耗主要有空載損耗、負載損耗。空載損耗主要是鐵芯損耗，由磁滯損耗和渦流損耗組成，也稱為鐵損；變壓器的負載損耗主要為負載電流通過繞組時的損耗，也稱為銅損。

通常，降低空載損耗和負載損耗的方法有：

1)采用高性能的硅鋼片，改良鐵芯的結(jié)構(gòu)等措施來降低空載損耗，變壓器空載損耗約占變壓器總的損耗1/4。空載損耗的大小跟負載沒有直接關(guān)系，降低空載損耗對負載不大的中小型電力變壓器來講是有非常重要。所以，降低電力變壓器的功率損耗主要就是降低其空載損耗。

2)變壓器的負載損耗一般占變壓器總損耗的70%～80%左右。要降低變壓器的負載損耗，在滿足技術(shù)要求的前提下，主要是改進絕緣結(jié)構(gòu)以減小絕緣體積，使填充系數(shù)得到提高和減小線圈尺寸來降低其負載損耗。

近年來各種低損耗電力變壓器已廣泛應(yīng)用，節(jié)能效果較為顯著。因此，新建項目的變電所應(yīng)盡可能選用低損耗的節(jié)能變壓器，舊有變壓器通過計算分析如經(jīng)濟可行，也應(yīng)及時更換，以節(jié)省電能。

1.2.2 變壓器經(jīng)濟運行以節(jié)約電量為主，按有功功率考慮時，變壓器功率損ΔP(kW)和損失率ΔP% 的基礎(chǔ)計算公式如下：

ΔP=P0+β2Pk

式中：

P0——空載損耗，kW；

β——負載系數(shù)；

Pk——短路損耗，kW；

P1——電源側(cè)輸入功率，kW；

SN——變壓器的額定容量，kVA；

cosφ2——負載功率因數(shù)；

P2——負載側(cè)輸出功率，kW；

但在實際應(yīng)用時，不能簡單化地只采用經(jīng)濟負荷率，而應(yīng)綜合考慮售電單價與方式、負荷性質(zhì)、運行情況、變壓器投資等因數(shù)來合理選擇變壓器容量。

1.3 電動機的節(jié)能

提高電動機的效率和功率因數(shù)是減少電動機的電能損耗的主要方法。電動機節(jié)電的措施有許多，下面介紹簡要介紹幾個行之有效的辦法。

1.3.1 選用更高效率的電動機

當前，各電動機廠家采用了很多的措施來降低電動機的損耗，進一步提高了電動機的功率因數(shù)及運行效率。高效率電動機的總損耗比普通標準電動機減少了近1/4，同時，前者比后者的效率能提高到6%。

但是，由各廠家給出的價格比較，高效率的電動機的價格比一般的電機要高出大約20%，但選用高效率的電動機在短期內(nèi)就能通過節(jié)能來收回多投資的那部分錢。一般情況下，滿足以下條件時可采用高效率電機：

1)負載率達到60%以上；

2)連續(xù)運行時間達到3 000 h/a以上；

3)不頻繁起動(最好是輕載起動，如風機、水泵類負載)；

舉例說明，將1臺100 kW，效率為91.5%的普通三相異步電動機更換成同功率、效率為95.4%的高效電動機后，1年可節(jié)電：

式中：

W——每年節(jié)省的電能，kW·h；

PN——電機的額定功率，kW；

η1——普通電動機的效率；

η2——高效電動機的效率；

t——電動機一年連續(xù)運行的時間，h取5 000；

K——負載率，取0.95。

1.3.2 根據(jù)負載大小合理地選擇電動機功率

選用適當?shù)碾姍C功率以避免“大馬拉小車”，提高電機效率及功率因數(shù)。

一般情況下，在電機的負載率應(yīng)大于0.65時；對負載率小于0.3的舊有電機應(yīng)進行更換。設(shè)計時，選用過大電動機功率，既增大了一次投資還耗能，是不可取的。

1.3.3 改變電動機的繞組接法

當電動機經(jīng)常負荷過輕，選用三角-星切換裝置將電動機的三角形接法改為星形接法能取得較好的節(jié)能效果；當負載系數(shù)不同時，采取這種這種措施的效果差別較大。列項比較如下，

1)負載系數(shù)低于0.3時，節(jié)能效率明顯；

2)負載系數(shù)等于0.5時，無節(jié)能效果；

3)負載系數(shù)大于0.5時，節(jié)能效率更差。

此外，當負載系數(shù)低于0.4時，將三角形接法改為星形接法后，能提高電動機的功率因數(shù)，這將有益于變壓器和輸電線路的節(jié)電。

此時應(yīng)注意到，電動機的極限容許負載是電動機額定容量的40%左右(由三角形接法改成星形接法后)，在采用此措施節(jié)能時，必須驗算是否滿足要求。

1.3.4 電動機無功就地補償

對供電距離較遠的連續(xù)運行的較大容量電動機，選用無功功率就地補償裝置對改變遠距離供電的電動機功率因數(shù)較低，減少線路的損失及提高變壓器負載率等方面有著良好的效果。

事實證明，每千乏補償電容一年就能節(jié)約用電將近200千瓦時，這項節(jié)電技術(shù)應(yīng)廣泛推廣。

1.3.5 調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速

企業(yè)內(nèi)的許多風機、水泵的流量一般不總是要求恒定的。根據(jù)風機、水泵的壓力—流量特性曲線，采用變速變流量控制，能有效節(jié)能。

理論上，風機、泵類的特點如以下各式：

式中：

Q1，Q2——流量，m3/s；

N1，N2——流量，r/min；

P1，P2——功率，kW；

H1，H2——揚程，m。

可以理解為流量與轉(zhuǎn)速、功率與流量的3次方分別成比例。當風機、水泵采用改變風門或閥門的開度來控制流量時，效率很低。而采用轉(zhuǎn)速來控制流量時，電機所需的功率隨著流量的下降，近似地按流量的3次方下降。所以，在不影響生產(chǎn)與工作環(huán)境下，采用調(diào)速取得的節(jié)能效果十分顯著。

2 結(jié) 語

雖然節(jié)能的方法多種多樣，但必須在以下列條件為前提下進行：

1)應(yīng)對產(chǎn)品的質(zhì)量、性能和產(chǎn)量不構(gòu)成影響。

2)要盡量避免工作環(huán)境的惡化。

3)能夠在短期內(nèi)回收投資費用。為節(jié)電而花費的投資，能在2～5年內(nèi)收回。

另外，由于實行節(jié)電措施而使設(shè)備壽命縮短時，必須考慮在扣除設(shè)備的更新和維護費用后還有足夠的效益。

4)不應(yīng)引起其他費用過高和額外工作量過大。最好是既節(jié)電又省事。

總之，要合理的使用電設(shè)備能經(jīng)濟運行，推廣節(jié)電新技術(shù)，提高電能利用率。在滿足各項技術(shù)要求的同時，提高企業(yè)經(jīng)濟效益。這對供配電設(shè)計來說有著重要意義。