淺論工業企業供配電系統的節能措施

摘要：本文主要從供配電系統設計、設備選擇、系統運行等方面分析了工業企業供配電系統的節能措施，以達到工業企業整體節能減排的目的。

關鍵詞：供配電設計;節能;措施

0. 引言

經過幾十年的高速發展，我國已成為全球工業門類最齊全的第二大經濟體，也是第一大工業國，工業用電的需求量非常巨大，再加上人們生活水平的不斷提高，生活用電量也是穩步提升，所以我國也是能耗第一大國。隨著全球的氣候變化，我國也提出了2060年的碳中和目標，所以作為能耗大戶的工業企業節能降耗顯得十分重要。本文通過對工業企業配電系統中各方面節能措施的利用，以達到節約電能的目的。當然工業企業的節能措施涉及到方方面面，還有很多可以研究的地方，限于作者的專業與能力水平，在處不作進一步拓展。

1.供配電系統規劃階段的節能措施

在項目工程總體規劃設計階段，首先要做好總體負荷容量的估算，根據總容量，結合當地供電企業的條件，選擇適當的供電電壓等級與路徑，是節能的重要一環。

線路電能損耗的基本公式：△P=3I2R×10-3，△P：損耗的電功率（KW）， I：線路電流（A） ，R：線路電阻（Ω）

電路基本公式S= UI ，S：容量（KVA），U：電壓（KV），I：電流（A）， ：功率因數

1.1、選擇合適的供電電壓等級

由公式可知電能損耗與電流（I）的平方成正比，所以降低供電線路電流值是降低損耗的有效手段，而在企業總負荷（S）一定的情況下，電壓與電流成反比，提高電壓（U）值可有效降低電流值，所以在供配電系統設計時，根據企業總負荷容量和當地供電企業的實際情況，在能提供的供電電壓范圍內，選擇相對較高的電壓等級，可有效降低供電線路電流，從而達到線路節能的目的。

1.2、選擇合適的線路

由電能損耗公式還可知，損耗的電能功率也與線路的電阻成正比。線路電阻的計算公式： ?， R：線路電阻（Ω）， ：線路材料的電阻率（Ω·mm2/m），L：線路的長度（m），S：線路的截面積（mm2），由上可知，要降低線路電阻，可以通過三個方面來實現，①選用低電阻率的材料，如銅的 為：0.0172（Ω·mm2/m），而鋁的 為：0.0282（Ω·mm2/m），顯然銅的電阻率要比鋁低近40%，在其他相同的情況下，選用銅比鋁電阻低40%，損耗也低40%。②選擇合適的變電站位置，使之更靠近負荷中心，從而減小大電流線路的供電距離L，這能有效減小線路電阻。③在合理的條件下，選擇相對相大的線路截面，也是減小電阻的方法之一。當然大截面線路的選擇，會增加初始投資，所以在供配系統規劃時，要綜合考慮，依據經濟電流密度值合理選擇線路截面。

2、供變配電系統設計階段的節能措施

在確定電壓等級和供電線路以后，在進行企業內部變配電系統設計時，主要從系統主接線方式，變壓器的選擇、用電設備的選擇、無功補償和諧波處理等幾個方面入手進行節能評估，選擇合理的方案，以達到節能的目的，有條件的企業也可以考慮光伏發電的合理利用。

2.1系統主接線

系統主接線的選擇，除了滿足供電可靠性的同時，也要考慮節能的需要，每個企業的生產一般都很難做到全年負荷均衡，都會有用電波峰和波谷，特別是總負荷容量較大的企業，更是如此。在電壓等級為10KV以上時，應盡量考慮采用單母線分段的接線方式，并將總負荷容量較為均勻地分布于不同母線段。當負荷較大時，變壓器應全部投入，母線分段運行。當負荷較小時，可退出部分變壓器，將負荷轉移到另外的變壓器，從而達到節能的目的。

2.2、變壓器的合理選擇

變壓器在配電系統中是重要的設備，起到變換電壓等級的作用，但其自身也會產生一定的損耗。變壓器的損耗分為二種：空載損耗和負載損耗，這二種損耗中同時還包括有功損耗與無功損耗。空載損耗是變壓器建立電磁場所消耗的能量，與負載的大小無關，但它與變壓器的結構與材料選用有關。負載損耗是變壓器在正常帶負載過程中，繞組的損耗，它與變壓器的繞組材料選用與負載大小有關。

變壓器的損耗計算公式

有功損耗：△PT=△P0 +β2△PK，△PT：變壓器有功損耗（KW）， △P0：變壓器空載有功損耗（KW） ，β：變壓器負載率（實際負荷/額定負荷），△PK：變壓器短路有功損耗（KW）。

無功損耗：△QT=△Q0 +β2△QK，△QT：變壓器無功損耗（Kvar）， △Q0：變壓器空載無功損耗（Kvar） ，β：變壓器負載率（同上），△QK：變壓器短路無功損耗（Kvar）。

上述損耗計算公式中，△P0 、△PK、△Q0、△QK都是變壓器出廠時就已確定的數值，所以選擇低損耗變壓器是關鍵。

上述公式中，只有β（變壓器負載率）是現場實際運行數據，那么β為多少時，最節能呢？似乎β=0最節能，但β=0時，實際負荷即為0，即不帶負載，這肯定是不行的。那么如何確定合理的β值呢，這可以從變壓器綜合功率損耗率與平均負載系數β的函數特性曲線中確定。

變壓器綜合功率損耗率與平均負載系數β的函數特性曲線

從圖中可以看出當變壓器負載率在0.75左右時，既能充分發揮變壓器的容量，也處于經濟運行區（即變壓器的損耗相對較小），所以在配電系統設計時，應根據企業總負荷容量，選擇合適的低損耗變壓器臺數，使企業實際運行負荷容量與總的變壓器額定容量之比（即負載率β）保持在0.75左右。

2.3、無功補償的合理使用（提高功率因數）

在供配電系統中，既存在有功功率（P（KW））也存在無功功率（Q（Kvar）），這二種功率的疊加形成視在功率（S（KVA）），計算公式為：S= ?，有功功率是真實做功所需要的功率，（如：水泵需要將水從低處提升到高處，則配套的電機功率為P ， 式中P：有功功率（KW）， ：余量系數， ：水的比重（Kg/m3）， ：水的流量（m3/s）， ：水的揚程（m）， ：換算系數（1KW=102Kg·m/s）， ：水泵的效率（%）， ：機械傳動效率（%））

而無功功率是旋轉類電機建立旋轉磁場需要的，不參與實質性的做功，但也是必須的。同時S= UI ， ?= ?，由公式可知，在有功（P）一定的情況下，無功（Q）的增加將導致視在功率（S）的增大，視在功率的增大會導致線路電流（I）的增大和功率因數（ ）的降低，所以也會導致線路損耗的增加。所以在配電系統設計時需要對企業中旋轉類電機（一般占總用電量的70%）所需要的無功進行補償，以降低企業對供電系統無功的需求，減少線路損耗。具體為提升企業內配電系統的功率因數（ ），一般要求達到0.95以上。對于配電系統的無功補償宜在低壓配電柜處集中補償，對于大功率旋轉類電機宜采用就地補償，對于分散布置的靜止類負荷（如照明燈具等），宜采用單體補償。

2.4、降低諧波含量

隨著信息技術的發展，電子產品在工業企業中的大量使用，給企業的管理與生產帶來極大的便利，但同時也產生了諧波，使電流的波形產生畸變。諧波的危害是多方面的，一是加大了電能損耗，二是對通信系統產生干擾，三是如系統配置不好會產生危險的諧振過電壓，危及系統設備安全。本文只對因諧波而加大了電能的損耗進行分析表述。（1）諧波電流加大相導體電流，相導體基波電流（I1）疊加諧波電流（Ih）的計算公式為：I1‘= ? 從上式可知，當諧波電流增加時，線路相導體電流亦會增加，所以也會導致線路損耗的增加。（2）3次諧波（含3的奇次倍諧波）對于三相四線制線路中的中性導體（N）會產生更大的影響，產生更大的損耗，當三相負荷平衡時，3次諧波電流在中性導體（N）中呈現3倍疊加，IN‘=3I1HRI3，（IN‘：中性線中的3次諧波疊加電流，HRI3：3次諧波電流含有率（%）），由上式可知，中性導體的電流隨3次諧波電流的增加而急劇增大，而線路損耗與電流的平方成正比，所以中性線路損耗的增加更是急劇增大，所以降低諧波含量對于節能有著重要意義。所以我們在配電系統設計時，要重視對諧波電流的抑止，抑止諧波的措施有：①選用諧波較小的產品;②當系統中有較多變頻器等整流換流裝置時，應增加整流變壓器二次側的相數和換流裝置的脈動數，并使整流變二次側有適當的相角差;③選用D，yn11接線組別的三相變壓器;④采用有源濾波器、無源濾波器等抑制諧波的措施。

3、合理選擇用電設備

工業企業中的用電設備多種多樣，主要有以照明設備為主的靜止負荷和以旋轉電機為主的動負荷，且以動負荷為主（約占總負荷的70%）。所以在企業變配電系統設計時，對用電設備應當盡量選擇能耗低的用電設備。在現階段的工業企業用電設計中，照明設備選擇應以高能效的LED照明設備為主（對于有特殊視覺要求的除外）并輔助于智能照明控制手段，盡量減少無效照明的存在。對于一些常年需要照明的區域（如地下室等）應設計非用電的導光管系統，輔助于一般的高效照明燈具，以充分利用日光，減少電能消耗。對于旋轉電機中最常用的三相異步電動機，應選擇高效電動機，并使電動機的功率與負荷功率相匹配，而不應出現“大馬拉小車”的情況，如負荷是階段性變動負荷（如穩壓水泵等），則宜設計采用變頻器控制。

4、合理利用光伏發電

有條件的工業企業應在項目規劃與設計階段考慮設置分布式光伏發電設施，光伏發電本身就是一種節能措施，太陽能也是理想的清潔能源，不會對環境產生破壞;再次光伏發電設施只有一次性投資，基本沒有日后維護的成本。所以在項目的變配電系統設計過程中，電氣專業設計人員要與建設方多溝通、多交流，充分利用屋頂，外墻，幕墻等條件，設置光伏發電設施，減少工業企業對系統電網的電能需求，進而達到項目整體節能的目標。

5、供配電系統的經濟運行

一般工業企業生產過程有旺季和淡季之分，此時，用電負荷也就有高峰與低谷之分，供配電系統除要滿足安全可靠的供電需求之外，也要盡量減少不必要的電能損耗。對于一些用電負荷高峰與低谷差值較大的企業，尤其需要重視系統的經濟運行。一般企業都有多臺配電變壓器，為提高供電可靠性，多數采用二次側有聯絡線的分列運行方式，在總供電負荷有高峰與低谷之分時，需要對二種負荷情況下，是共用一臺還是二臺分列運行的方式進行比較選擇，在采用一臺變壓器就能滿足負荷的情況下，應對二臺分列運行變壓器的空載損耗和額定負載損耗進行比較，選擇總損耗最低的為共用變壓器，再對選定的共用變壓器與兩臺變壓器分列運行方式進行比較，選擇出綜合功率損耗率最小的運行方式。共用與分列運行變壓器的臨界綜合負載視在功率的計算可參見國家標準《電力變壓器經濟運行》GB/T13462的相關內容，因計算過程較為復雜，在此不再贅述。

6、結語

隨著國家”雙碳“目標的發布，工業企業受到越來越多的用能限制，一些高能耗、高排放的項目將被直接取消。工業企業是用能大戶，也是節能的重要對象。在企業的供配電系統中，不可避免地會存在能量損耗的情況，鑒于當前社會經濟發展面臨的能源緊缺現狀和2060年碳中和的目標，有必要在項目的供配電系統設計和運行過程中強化節能環保意識。在規劃設計過程中，要根據企業負荷的大小與特點，認真分析供配電系統的每一環節，研究供配電系統節能設計的可能性，從供配電系統總體規劃和變配電系統的設計，從用電設備設施的選擇到系統的經濟運行方式等多方面入手，讓節能、低碳、環保的意識深入到每個設計運行人員的心中，為實現國家的”“雙碳”“目標作出我們應有的貢獻。

參考文獻

[1]GB/T 13462-2008， 電力變壓器經濟運行[S].

[2]任元會編. 低壓配電設計解析. 中國電力出版社. 2020.

作者簡介：袁朝陽（1969年4月-），性別：男，民族：漢，籍貫：江蘇南通，職務/職稱：高級工程師，學歷：本科，單位：中國電子系統工程第二建設有限公司，研究方向：建筑供配電系統設計。