浅谈供配电设计中的节能方法和措施

李巍巍

(江西铜业集团公司材料设备公司，江西贵溪 335424)

浅谈供配电设计中的节能方法和措施

李巍巍

(江西铜业集团公司材料设备公司，江西贵溪 335424)

在供配电系统设计中，节能方法和措施的合理运用，对于缓解我国能源紧张的局面、促进我国国民经济的可持续发展具有重要意义。从供配电系统总体规划、供配电线路设计、电气设备选择、人工无功功率补偿、照明节能设计等角度出发，介绍并讨论了几种节能的方法和措施，为供配电节能设计提供了借鉴和参考。

供配电设计;节能;电压等级;功率损耗;功率因数;无功功率补偿

1 引言

随着经济的发展和科技的进步，能源的消耗在世界范围内持续增长，能源问题日益突出，并已成为全球共同关注的问题。据世界能源署的统计数据显示，2009年中国能源总消耗已超过美国，成为世界第一大能源消耗国。在这样的形势和背景下，节能作为我国可持续发展的一项长远发展战略和基本国策被提到重要的位置上。作为电气设计人员，应该充分认识到节能的重要性，并在供配电设计中，从全局的角度出发，通过节能方法和措施的合理运用，达到节能降耗的目的。

2 供配电系统总体规划

供配电系统总体方案设计中，应根据负荷性质、用电容量、负荷分布、用电设备特性、供电距离等因素，综合考虑，合理选择电压等级，确定设计方案［1］。可采取减少配变电级数，简化接线等方式节约电能和投资［2］。同时，根据负荷特点和经济运行对变压器的台数和容量进行选择［2］，对于昼夜或季节性波动较大的负荷，可通过计算负荷结合技术经济比较确定变压器的容量。

一般，供电电压越高则线路电流越小，线路上损耗的电能就越少。总变电所和配电所应当尽量靠近负荷中心［1］，减小供电半径，降低供电线路上的损耗。在供电电压的范围内，提高线路的电压等级可以达到节能的目的。但随着线路电压等级的提高，对电气设备绝缘性能的要求也相应提高，投资也相应增加。对此，必须在技术经济对比合理的前提下才能进行。

一般来说，输电网的主干线和相邻电网间的联络线多采用500kV、330kV和220kV等级;二级输电网采用220kV和110kV等级;35kV用于城乡配电网及大型工业企业内部电网。10kV是最常用的较低一级的高压配电电压，但负荷中高压电动机的比重很大时，在技术经济合理下，应采用6kV的配电方案(高压电动机的额定电压一般为6kV)［3］。以江铜集团贵溪冶炼厂为例，各类风机、水泵、制氧机、氮压机、空压机、球磨机、半自磨机等6kV高压电动机负荷数量和总容量占据很大比重，企业在电压等级的选择上充分考虑了这一因素，选择了110kV/ 6kV的变配电方式。

同时，在供配电系统总体方案电压等级的确定上也要充分考虑各级电压等级和对应的线路输送能力(输送功率和输送距离)之间的关系，见表1。

表1 各级电压线路输送能力数据表［2－3］

3 供配电线路的设计

电力线路按结构可分为架空线路和电缆线路两大类别［3］。无论哪种类型的输电线路均采用金属导线传输电能，由于导线自身存在电阻，输电线路上因此而产生相应的功率损耗。

其公式为:

式中:△P为三相输电线路的功率损耗，kW;I为线电流，A;P为输电线路输送的有功功率，kW;R为输电线路每相线路的电阻，Ω;U为线电压，V; cosφ为输电线路的功率因数［2］。

由此可见，输电线路上的功率损耗与输电线路的电阻、电压和功率因数有关。当负荷功率一定时，输电线路上的功率损耗与输电线路的电阻成正比、与电压的平方和功率因数的平方成反比。为此，在供配电线路的设计过程中，可以通过降低输电线路的电阻，提高输电线路的电压等级和功率因数等几个方面降低线路损耗，达到节约电能的目的。

由输电线路的电阻公式R=PL/S可知，电阻与导线电阻率P、导线长度L成正比，与导线截面S成反比。要降低输电线路的电阻，可以采取以下措施:

(1)尽量选用电阻率P较小的导线，如铜芯导线较佳，铝线次之。

(2)尽可能减少导线长度。设计中，在条件允许的情况下，输电线路应尽量走直线而少走弯路。变电所应尽可能地靠近负荷中心，以减小供电半径。另外，在低压配电中，尽可能不走或少走回头路。

(3)适当增大导线截面积。对于较长的线路，在满足载流量，热稳定，保护配合及电压降要求的前提下，在选定导线截面时可适当加大一级。这样做虽然增加了输电线路的一次性投入费用，但用发展的眼光来看，节约电能的同时会带来长远的经济效益。

4 电气设备选择

在供配电设计中，可以通过正确合理地选择电气设备来提高用电设备的自然功率因数、改善电网的电能质量，从而达到节能降耗的目的。

一般工业企业消耗的无功功率中，异步电动机约占70%，变压器占20%、线路占10%，在设计中，可以通过正确选择电动机和变压器的容量，减少线路感抗。在功率条件适当时，采用同步电动机以及选用带空载切除的间隙工作制设备等措施，以提高用电单位的自然功率因数。选择电动机的经常负荷不低于额定容量的40%;变压器负荷率宜在75%～85%，不低于60%［2］。

减少电动机能量损耗的主要途径是提高电动机的工作效率和功率因数。异步电动机在空载或轻载运行时，功率因数很低，空载时功率因数低于0.4，轻载时约为0.6左右;负荷在70%以上至满载时功率因数较高，约为0.85左右［4］。所以，设计时如能正确的选择电动机的容量，使之尽可能地满负荷运行，将会大大提高自然功率因数。同时，在设计选型时，应注意选用高效节能电动机、稀土永磁电动机，淘汰高能耗的低效电动机［5］。并且根据负荷特性、启动次数和调速方面的具体要求，选择合适的电动机，避免“大马拉小车”而导致的电能浪费。

在工业用电动机中，异步电动机的应用十分广泛，异步电动机的功率因数和效率是电动机运行中的两个主要的经济指标［6］，且二者密切相关，在改善异步电动机效率的同时也改善了功率因数。另外，当工艺条件适当，经技术经济比较，证明工艺设备采用同步电动机合理时，也可以选择同步电动机，利用其过励磁超前运行，以补偿系统的感性无功功率［2］。

在供配电系统中，变压器是一种应用广泛的电能传递设备，它将某一种电压等级的电能转换成另一种电压等级的电能［7］。变压器的原绕组从电源吸取有功功率，在能量的转换过程中，有一部分有功功率消耗在绕组的电阻上产生铜损，还有一部分消耗在铁芯上产生铁损。

其公式为:△P=P0+β2Pk

式中:△P为变压器的有功功率损耗，kW;P0为变压器的铁损，空载损耗，kW;Pk为变压器的铜损，短路损耗，kW;β为变压器的负载率［7］。

从以上公式可以看出，变压器的有功功率损耗和变压器铁损、铜损以及负载率有关。

变压器的铁损主要由铁芯的涡流损耗及漏磁损耗组成，其值与铁芯材料及制造工艺有关，与负荷大小无关，又称不变损耗［7］。在选型时，应选择节能型变压器，如S9、S10、SC10系列产品，它们在铁芯材料上所采用的优质冷轧晶粒取向矽钢片，可有效减少铁芯上的有功功率损耗。

变压器的铜损与变压器原、副线圈上的电阻和通过的电流大小有关。在选择变压器时，可选用阻值较小的绕组线圈，如铜芯变压器。

一般的，变压器的负荷率在0.3～1的范围内均可，在0.5～0.6时效率最高。但效率最高时，并不代表其最经济运行，变压器的经济性受变压器价格、使用寿命、损耗、负荷特点、电价等技术经济指标的影响。在评判变压器的节能效益时，一般采用综合能效费用法(即TOC法)［2］，它是一种从经济角度对变压器的能效及技术经济进行科学评价的方法。一般，变压器的负荷率在0.75～0.85时，其效率和经济性比较平衡。在设计时，应综合考虑，选择合适的变压器容量。

5 人工无功功率补偿

在工业企业的供配电设计中，通过对电动机、变压器等感性负载进行科学的选型，可以提高这些在工业企业无功功率损耗中占较大比重的用电设备的自然功率因数。

同时，可以进行人工补偿无功功率，即采取装设无功功率补偿设备的方式进一步提高功率因数。对于感性负载的人工无功功率补偿，一般采用并联电力电容器的方法。为了尽量减少线路损耗和电压损失，宜就地平衡补偿，即低压部分的无功功率宜由低压电容器补偿，高压部分的无功功率宜由高压电容器补偿。可以根据具体情况，选择单独就地补偿、集中补偿和分散补偿等形式以及手动或自动的投切方式。以节能为主进行无功自动补偿时，在调节方式的选择上，应采用无功功率参数调节的方式［2］。

在采用并联电力电容器进行人工无功功率补偿时，由于并联电容器的容性阻抗特性，以及阻抗和频率成反比的特性，使得电容器容易吸收谐波电流而引起过载发热，当其容性阻抗与系统中的感性阻抗相匹配时，容易构成谐波谐振，使电容器发热导致绝缘击穿的故障增多。因此，一般在采用并联电力电容器进行人工无功功率补偿的同时，要采取相应的谐波治理措施，防止谐振造成的电容器绝缘击穿故障。

在有色冶炼、电化学行业中，整流变压器被广泛应用于电解作业。在整流、换流过程中，电力电子元件等非线性装置在工作时由于基波电流滞后于电网电压，因此而消耗大量无功功率;同时，由于其电压、电流波形畸变产生高次谐波，导致系统功率因数和用电设备的效率降低，增加了变压器和线路的损耗，产生大量电能浪费，加大了企业电力运行成本。

以江铜集团贵溪冶炼厂电解车间1108整流机组为例，整流变压器采用双反星型带平衡电抗器12脉波整流，额定容量6100kVA，网侧电源进线额定电压6kV，直流额定输出160V，32kA。运行工况:系统平均功率因数0.8左右，由于采用12脉波整流，特征谐波为11次、13次谐波，11次谐波电流为19.86A，13次谐波电流为16.49A，功率因数较低、谐波电流较大。为此，在该机组6kV高压测实施人工无功功率补偿及高次谐波治理。按照无功负荷曲线及相应计算，通过电容器等值发热、过电压、过电流校验确定设计补偿容量为900kvar，补偿后6kV高压进线侧功率因数0.95，且不反送无功功率。补偿形式为6kV高压侧就地补偿，投切方式为自动投切，根据负荷的变化实行自动调节。滤波支路设计为11次高通滤波，可有效滤除11次、13次及以上各次谐波。

目前，该项目正处于实施阶段，通过高压自动无功补偿及谐波治理装置对系统的无功功率补偿和高次谐波治理，可有效提高该机组6kV高压进线侧无功功率因数，消除谐波，改善供电质量，降低变压器及线路损耗，节约电能，降低企业电力运行成本，为企业增加经济效益。

6 照明节能设计

在工业企业、民用和公共建筑以及市政道路等场所，照明设施在供配电系统的用电终端中数量巨大，照明的节能设计成为设计人员不容忽视的问题。在照明设计中，可以在充分利用天然采光的基础上，从合理的照明计算、负荷分配，对照明灯具、电光源以及照明控制方式的正确选择等方面进行节能设计。

在照明计算方面，应按照现行照明设计标准，对照度、功率密度进行计算，并对比复核。在低压照明配电系统中存在大量的单相负荷，为此，在照明设计的负荷分配中，应注意三相负荷的平均分配，避免由于三相负荷分配不均而造成的三相不平衡加重变压器及线路的损耗。

在节能效果方面，照明灯具和电光源的选择尤为重要。随着科技的发展进步，照明灯具和电光源不断向节能高效方向发展，其节能效果十分显著。与普通白炽灯对比，T8型荧光灯的节能可达10%，T5型荧光灯比T8型节能效果更好，紧凑荧光灯比普通灯具的寿命长，节能效果好;高压钠灯替代高压汞灯，可节能约37%，金卤灯替代高压汞灯，可节能约30%［8］。另外，LED(发光二极管Light Emitting Diode)作为继白炽灯、荧光灯和HID光源之后的第四代电光源［9］，正以其寿命长、启动时间短、结构牢固和功耗低等优点在照明的节能设计中被广泛应用。照明控制方式的合理选择也是照明节能设计的有效措施，尤其在智能建筑设计中更为重要。一般，根据工作场所的照明系统要求，通常采取分区分时以及调节亮度的控制方式，结合智能模块、传感器、智能开关和总线控制等先进技术对工作场所的照明灯具进行科学控制，在节能的同时，简化了照明系统布线。

7 结语

“十二五”规划纲要中明确提出，面对日趋强化的资源环境约束，必须增强危机意识，树立绿色、低碳发展理念，以节能减排为重点。大力推进节能降耗，落实节约优先战略。

作为电气设计人员，应该在供配电设计中，把节能的理念放在重要的位置，并在具体设计中作为一个重要的考虑因素。一个好的节能设计，可以为工业企业带来长远的经济效益，同时，为国民经济的可持续发展起到良好的推动作用。

［1］GB50052－2009，供配电系统设计规范［S］.

［2］任元会主编.工业与民用配电设计手册［M］.北京:中国电力出版社，2005:16－41.

［3］韩祯祥主编.电力系统分析［M］.杭州:浙江大学出版社，2002:14－27.

［4］刘宝林主编.电气设备选择·施工安装·设计应用手册［M］.北京:中国水利水电出版社，1997:2576.

［5］冯送京，米易主编.机电设备技术和节能［M］.西安:西北大学出版社，2007:201－205.

［6］周梦公编著.工厂系统节电与节电工程［M］.北京:冶金工业出版社，2008:19－30.

［7］牛秀岩主编.电机学［M］.北京:冶金工业出版社，1990:43－45.

［8］李良才.照明节能和供配电系统节能设计的讨论［J］.陕西建筑，2011，(2):9－10.

［9］周太明等.高效照明系统设计指南［M］.上海:复旦大学出版社，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，黑龙江哈尔滨人，本科，主要从事供配电设计及工业自动化控制等方面的研究。E－mail:leevv2006@163.com