龔志華，王光輝

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

0 引 言

當(dāng)前國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，能源消耗持續(xù)增長(zhǎng)，電能供不應(yīng)求的局面日益嚴(yán)重，工廠企業(yè)為了效益對(duì)單位產(chǎn)品的電能消耗量相當(dāng)重視。

從而，在供配電設(shè)計(jì)中運(yùn)用節(jié)能技術(shù)，避免資料浪費(fèi)及給企業(yè)帶來更高效益。既是設(shè)計(jì)者應(yīng)有的一份責(zé)任，也是評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

1 在供配電系統(tǒng)中的節(jié)能方法

在工廠供配電設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)(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(jì)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(jì)算有功功率；

△QL——三相線路中計(jì)算有功功率；

Ue——額定線電壓；

cosθ——計(jì)算功率因數(shù)；

r、x——線路單位長(zhǎng)度的交流電阻及電抗，與纜線截面積成反比；

L——線路計(jì)算長(zhǎng)度

從以上公式中不難看出，在工廠或車間計(jì)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(jí)、功率因數(shù)及線纜截面積的平方成反比，與線路長(zhǎng)度成正比，進(jìn)而我們可以用提高電壓等級(jí)與功率因數(shù)、增大線纜截面積，以及減少線路長(zhǎng)度來進(jìn)行節(jié)能。

1.1.1 提高輸電線路電壓等級(jí)

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(yuǎn)景規(guī)劃、當(dāng)?shù)毓搽娋W(wǎng)現(xiàn)狀和它的發(fā)展規(guī)劃以及經(jīng)濟(jì)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(fù)荷大小和分布情況等。

所以工廠供配電線路的電壓等級(jí)一般不從節(jié)能的角度來進(jìn)行考慮。

但在有條件情況下的供電方案對(duì)比中，我們從節(jié)能角度分析出，當(dāng)輸送負(fù)荷不變時(shí)升壓后降低功率損耗的百分率計(jì)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(biāo)稱電壓；

Un2——電網(wǎng)升壓后的標(biāo)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(jí)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(dāng)有功功率和線路的電壓不變時(shí)，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(shí)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(jì)算得出，當(dāng)cosφ從0.6提高到0.9時(shí)，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(shí)，采用無功補(bǔ)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(jìn)行補(bǔ)償。目前的工程應(yīng)用中，無功補(bǔ)償按照補(bǔ)償位置來分類有集中補(bǔ)償、就地補(bǔ)償和分組補(bǔ)償；按投入的快慢分實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償及靜態(tài)補(bǔ)償；按是否能自動(dòng)投切分為自動(dòng)補(bǔ)償及固定補(bǔ)償。

在10 kV高壓供電企業(yè)中，主要采取的無功補(bǔ)償方式見圖1。

1)變配電所高壓集中補(bǔ)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(duì)功率因數(shù)的要求；從電力系統(tǒng)的全局來看，這種補(bǔ)償方式是必要且合理的。

2)配電變壓器高壓側(cè)相對(duì)集中補(bǔ)償(C3)，在各配電變壓器一側(cè)集中安裝，以補(bǔ)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(bǔ)償方式

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

4)低壓分組補(bǔ)償(C4)，分散安裝在各配電點(diǎn)低壓母線上，就地補(bǔ)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(bǔ)償裝置管理及維護(hù)不太方便，只在當(dāng)用電負(fù)荷點(diǎn)較多、較分散時(shí)，補(bǔ)償效率才能很好體現(xiàn)。在紅河縣蘇紅老村旅游改造項(xiàng)目外部供電網(wǎng)設(shè)計(jì)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(bǔ)償方式。

5)用電設(shè)備就地補(bǔ)償(C5)，直接裝設(shè)在大容量用電設(shè)備旁邊，與設(shè)備同時(shí)投入或退出，使裝設(shè)點(diǎn)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(jì)運(yùn)行，而且能提高發(fā)電機(jī)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(duì)整個(gè)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(dāng)加大，因?yàn)楣?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(fèi)用能夠補(bǔ)償加大截面積所增加的費(fèi)用，達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理，此方法稱為“按經(jīng)濟(jì)電流選擇導(dǎo)體截面積”。

工作時(shí)間長(zhǎng)、負(fù)荷穩(wěn)定的線路，如三班制或兩班制生產(chǎn)場(chǎng)所宜按經(jīng)濟(jì)電流選擇導(dǎo)體截面積；高電價(jià)地區(qū)或高電價(jià)用電單位的工作時(shí)間較長(zhǎng)、負(fù)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(jì)電流截面選用方法為例，簡(jiǎn)要敘述。

10 kV及以下電力電纜經(jīng)濟(jì)電流截面計(jì)算式如下：

式中：

Sj——經(jīng)濟(jì)電流截面(mm2)；

Imax——第一年導(dǎo)體最大負(fù)荷電流(A)；

J——經(jīng)濟(jì)電流密度(A/mm2)。

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

據(jù)規(guī)范(GB50217—2007 電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范)要求，在10 kV及以下電力電纜按經(jīng)濟(jì)電流截面選擇時(shí)，“當(dāng)電纜經(jīng)濟(jì)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(shí)，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(dāng)電纜經(jīng)濟(jì)電流截面介于電纜標(biāo)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?！?/p>

1.1.4 減少線路長(zhǎng)度

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

1)對(duì)負(fù)荷較大、較分散的場(chǎng)所，變電站應(yīng)設(shè)置在負(fù)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(gè)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(jì)合理的原則基礎(chǔ)上實(shí)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(fù)載損耗?？蛰d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(fù)載損耗主要為負(fù)載電流通過繞組時(shí)的損耗，也稱為銅損。

通常，降低空載損耗和負(fù)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?？蛰d損耗的大小跟負(fù)載沒有直接關(guān)系，降低空載損耗對(duì)負(fù)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(fù)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(fù)載損耗，在滿足技術(shù)要求的前提下，主要是改進(jìn)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(fù)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(xiàng)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(jì)算分析如經(jīng)濟(jì)可行，也應(yīng)及時(shí)更換，以節(jié)省電能。

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

ΔP=P0+β2Pk

式中：

P0——空載損耗，kW；

β——負(fù)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(fù)載功率因數(shù)；

P2——負(fù)載側(cè)輸出功率，kW；

但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，不能簡(jiǎn)單化地只采用經(jīng)濟(jì)負(fù)荷率，而應(yīng)綜合考慮售電單價(jià)與方式、負(fù)荷性質(zhì)、運(yùn)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(dòng)機(jī)的節(jié)能

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

1.3.1 選用更高效率的電動(dòng)機(jī)

當(dāng)前，各電動(dòng)機(jī)廠家采用了很多的措施來降低電動(dòng)機(jī)的損耗，進(jìn)一步提高了電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)及運(yùn)行效率。高效率電動(dòng)機(jī)的總損耗比普通標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)減少了近1/4，同時(shí)，前者比后者的效率能提高到6%。

但是，由各廠家給出的價(jià)格比較，高效率的電動(dòng)機(jī)的價(jià)格比一般的電機(jī)要高出大約20%，但選用高效率的電動(dòng)機(jī)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(shí)可采用高效率電機(jī)：

1)負(fù)載率達(dá)到60%以上；

2)連續(xù)運(yùn)行時(shí)間達(dá)到3 000 h/a以上；

3)不頻繁起動(dòng)(最好是輕載起動(dòng)，如風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載)；

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

式中：

W——每年節(jié)省的電能，kW·h；

PN——電機(jī)的額定功率，kW；

η1——普通電動(dòng)機(jī)的效率；

η2——高效電動(dòng)機(jī)的效率；

t——電動(dòng)機(jī)一年連續(xù)運(yùn)行的時(shí)間，h取5 000；

K——負(fù)載率，取0.95。

1.3.2 根據(jù)負(fù)載大小合理地選擇電動(dòng)機(jī)功率

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

一般情況下，在電機(jī)的負(fù)載率應(yīng)大于0.65時(shí)；對(duì)負(fù)載率小于0.3的舊有電機(jī)應(yīng)進(jìn)行更換。設(shè)計(jì)時(shí)，選用過大電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的繞組接法

當(dāng)電動(dòng)機(jī)經(jīng)常負(fù)荷過輕，選用三角-星切換裝置將電動(dòng)機(jī)的三角形接法改為星形接法能取得較好的節(jié)能效果；當(dāng)負(fù)載系數(shù)不同時(shí)，采取這種這種措施的效果差別較大。列項(xiàng)比較如下，

1)負(fù)載系數(shù)低于0.3時(shí)，節(jié)能效率明顯；

2)負(fù)載系數(shù)等于0.5時(shí)，無節(jié)能效果；

3)負(fù)載系數(shù)大于0.5時(shí)，節(jié)能效率更差。

此外，當(dāng)負(fù)載系數(shù)低于0.4時(shí)，將三角形接法改為星形接法后，能提高電動(dòng)機(jī)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(shí)應(yīng)注意到，電動(dòng)機(jī)的極限容許負(fù)載是電動(dòng)機(jī)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(shí)，必須驗(yàn)算是否滿足要求。

1.3.4 電動(dòng)機(jī)無功就地補(bǔ)償

對(duì)供電距離較遠(yuǎn)的連續(xù)運(yùn)行的較大容量電動(dòng)機(jī)，選用無功功率就地補(bǔ)償裝置對(duì)改變遠(yuǎn)距離供電的電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)較低，減少線路的損失及提高變壓器負(fù)載率等方面有著良好的效果。

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

1.3.5 調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速

企業(yè)內(nèi)的許多風(fēng)機(jī)、水泵的流量一般不總是要求恒定的。根據(jù)風(fēng)機(jī)、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(fēng)機(jī)、泵類的特點(diǎn)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(yáng)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(dāng)風(fēng)機(jī)、水泵采用改變風(fēng)門或閥門的開度來控制流量時(shí)，效率很低。而采用轉(zhuǎn)速來控制流量時(shí)，電機(jī)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(jìn)行：

1)應(yīng)對(duì)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(fèi)用。為節(jié)電而花費(fèi)的投資，能在2～5年內(nèi)收回。

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

4)不應(yīng)引起其他費(fèi)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(jì)運(yùn)行，推廣節(jié)電新技術(shù)，提高電能利用率。在滿足各項(xiàng)技術(shù)要求的同時(shí)，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。這對(duì)供配電設(shè)計(jì)來說有著重要意義。