從節能角度淺談工廠供配電設計

龔志華，王光輝

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

0 引 言

當前國內經濟飛速發展，能源消耗持續增長，電能供不應求的局面日益嚴重，工廠企業為了效益對單位產品的電能消耗量相當重視。

從而，在供配電設計中運用節能技術，避免資料浪費及給企業帶來更高效益。既是設計者應有的一份責任，也是評價設計質量的一項重要指標。

1 在供配電系統中的節能方法

在工廠供配電設計中，電網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(工廠主要的用電設備)的功率損耗。下面分別來闡述節能方法。

1.1 降低電力線路功率損耗來節能

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；

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、增大線纜截面積，以及減少線路長度來進行節能。

1.1.1 提高輸電線路電壓等級

工廠的供電電壓應從用電容量、用電設備特性、供電距離、供電線路的回路數、用電單位的遠景規劃、當地公共電網現狀和它的發展規劃以及經濟合理等因數綜合考慮決定；配電電壓的高低取決于供電電壓、用電設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——電網升壓前的標稱電壓；

Un2——電網升壓后的標稱電壓。

電網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 提高電網的功率因數

提高功率因數能減少線路損耗，當有功功率和線路的電壓不變時，假定提高前的功率因數為提高后的功率因數為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；

cosφ2——提高后的功率因數。

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%。

在提高用電設備的自然功率因數不能滿足要求時，采用無功補償提高功率因數是最有效的方法。用電設備一般為感性，在電路中并聯電容來進行補償。目前的工程應用中，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補償及靜態補償；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的功率因數，比較容易滿足電力部門對功率因數的要求；從電力系統的全局來看，這種補償方式是必要且合理的。

2)配電變壓器高壓側相對集中補償(C3)，在各配電變壓器一側集中安裝，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 企業供配電系統無功補償方式

3)變壓器低壓側集中補償(C2)，實現無功就地平衡，對配電網和配電變壓器有降損作用，同時可提高負荷側的電壓水平，且單位補償容量較10 kV側投資少，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，就地補償用電設備組的無功功率，使低壓配電主干線路上的損耗相應減少。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。在紅河縣蘇紅老村旅游改造項目外部供電網設計中，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)用電設備就地補償(C5)，直接裝設在大容量用電設備旁邊，與設備同時投入或退出，使裝設點以上線路輸送的無功減少，線損相應減少，可以獲得最明顯的降損效益。

提高功率因數的意義不僅在于節能，讓企業經濟運行，而且能提高發電機的輸出功率、提高變電、輸電設施的供電能力、減少線路壓降，對整個電力系統意義重大。

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能，在滿足線路電壓降和導體載流量等技術條件下，導體截面積宜適當加大，因為節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，達到經濟合理，此方法稱為“按經濟電流選擇導體截面積”。

工作時間長、負荷穩定的線路，如三班制或兩班制生產場所宜按經濟電流選擇導體截面積；高電價地區或高電價用電單位的工作時間較長、負荷穩定的線路，應首先應用。

我們以10 kV及以下電力電纜經濟電流截面選用方法為例，簡要敘述。

10 kV及以下電力電纜經濟電流截面計算式如下：

式中：

Sj——經濟電流截面(mm2)；

Imax——第一年導體最大負荷電流(A)；

J——經濟電流密度(A/mm2)。

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

據規范(GB50217—2007 電力工程電纜設計規范)要求，在10 kV及以下電力電纜按經濟電流截面選擇時，“當電纜經濟電流截面比按熱穩定、容許電壓降或持續載流量要求的截面小時，則應按熱穩定、容許電壓降或持續載流量較大要求截面選擇。當電纜經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?！?/p>

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。根據供電距離與負荷的容量，合理地設計供電系統，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，變電站應設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分別設置在各層。住宅區配電變壓器深入內部，采用預裝式或埋地式變電站；

3)大型工業配電變壓器可根據縮短低壓配電線路的原則設置在建筑內部。如何降低線損是供配電系統節能的一個十分重要的課題，應在保證或有利于用電安全、有利于提高供電可靠性、經濟合理的原則基礎上實施。

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?？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，改良鐵芯的結構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損耗的大小跟負載沒有直接關系，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，在滿足技術要求的前提下，主要是改進絕緣結構以減小絕緣體積，使填充系數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用，節能效果較為顯著。因此，新建項目的變電所應盡可能選用低損耗的節能變壓器，舊有變壓器通過計算分析如經濟可行，也應及時更換，以節省電能。

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

ΔP=P0+β2Pk

式中：

P0——空載損耗，kW；

β——負載系數；

Pk——短路損耗，kW；

P1——電源側輸入功率，kW；

SN——變壓器的額定容量，kVA；

cosφ2——負載功率因數；

P2——負載側輸出功率，kW；

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

1.3 電動機的節能

提高電動機的效率和功率因數是減少電動機的電能損耗的主要方法。電動機節電的措施有許多，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就能通過節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年可節電：

式中：

W——每年節省的電能，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——電動機一年連續運行的時間，h取5 000；

K——負載率，取0.95。

1.3.2 根據負載大小合理地選擇電動機功率

選用適當的電機功率以避免“大馬拉小車”，提高電機效率及功率因數。

一般情況下，在電機的負載率應大于0.65時；對負載率小于0.3的舊有電機應進行更換。設計時，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能效果；當負載系數不同時，采取這種這種措施的效果差別較大。列項比較如下，

1)負載系數低于0.3時，節能效率明顯；

2)負載系數等于0.5時，無節能效果；

3)負載系數大于0.5時，節能效率更差。

此外，當負載系數低于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，這將有益于變壓器和輸電線路的節電。

此時應注意到，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約用電將近200千瓦時，這項節電技術應廣泛推廣。

1.3.5 調節電動機的轉速

企業內的許多風機、水泵的流量一般不總是要求恒定的。根據風機、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，在不影響生產與工作環境下，采用調速取得的節能效果十分顯著。

2 結 語

雖然節能的方法多種多樣，但必須在以下列條件為前提下進行：

1)應對產品的質量、性能和產量不構成影響。

2)要盡量避免工作環境的惡化。

3)能夠在短期內回收投資費用。為節電而花費的投資，能在2～5年內收回。

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

4)不應引起其他費用過高和額外工作量過大。最好是既節電又省事。

總之，要合理的使用電設備能經濟運行，推廣節電新技術，提高電能利用率。在滿足各項技術要求的同時，提高企業經濟效益。這對供配電設計來說有著重要意義。