水利水电工程泵站供配电节能设计研究

袁 辉

（山东省调水工程运行维护中心寿光管理站）

0 引言

水利水电工程中，泵站需要供配电运作需求耗费大量的电能，而这部分能耗支出占据了水利水电工程运行成本支出的重要部分，因此，为了缩减水利水电工程运行成本，实现水利水电运行的节能增效，需要积极探索泵站供配电节能设计，并采取有效的设计手段，降低泵站供配电的能耗，深入优化水利水电工程的运行水平，助力水利水电工程领域的发展。

1 案例概述

案例泵站为某水利水电工程的泵站，泵站装机容量为1177.4Kw，该泵站主要作用是抽水灌溉，以保证农业生产。但在泵站的长时间运作中，工作者发现泵站的耗电量较大，为当地的供配电系统带来了较大的运行压力，因此，为了深入优化泵站的性能，减少水利水电工程运行支出，拟对泵站供配电系统进行优化，并借助节能设计，降低供配电环节的电能损耗，提高泵站的运行效率。

2 水利水电工程泵站供配电节能设计思路

泵站作为水利水电工程运行中不可或缺的设施，其需要长时间不间断地运行，这使得泵站的能耗支出占据了水利水电工程总能耗量的大部分。在此背景下，虽然泵站运行本身的能耗支出无法避免，但在供配电环节，存在较多的电能损耗情况，使得所供给的电能未能充分地应用到泵站的运行中，因此，需要针对供配电阶段，会造成电能损耗的因素，采取相应的节能措施，以缩减供配电环节的电能损耗，提高泵站的电能利用率［1］。

基于此，在相关的节能设计思路建设上，应当先明确造成供配电损耗的因素，再进行针对性节能设计措施的设置［2］。就目前来看，造成供配电环节电能损耗的因素主要包括，管线、变压器设计不合理，无功需求量过大、谐波危害，以及负荷设计不合理造成的轻载运行。为此，在设计思路建设上，要立足于上述几点，采取相应的节能设计方案，以实现泵站供配电节能［3］。

3 水利水电工程泵站供配电节能设计原则

为了让供配电节能设计效果能够有效达到预期，在案例泵站设计时遵循以下原则：

第一，合理性原则，应当根据实际情况和现有条件，选用合适的设计方案，以保证节能设计的可行性。

第二，准确性原则，需要有效运用相关的电能计算公式，推导出影响损耗量的具体因素，再立足于该因素开展节能设计，提高节能设计的准确性。

第三，择优原则，在节能设计上，需要选择最优方案，优先选用效率高、能耗低、性能优的设备，以获得更好的节能效果。

第四，合规原则，进行节能设计时应当严格遵循现行的标准和规程，以确保节能设计方案的顺利应用［4］。

4 水利水电工程泵站供配电节能设计研究

4.1 供配电线路节能设计

在案例工程中，供配电系统电能的线路损耗，通常能够占泵站设备额定功率的5%左右，所以，线路节能设计是泵站供配电节能设计的重要部分。在供配电过程中，线路的损耗遵循公式如下：

式中，ΔP为功率损耗（KW）、IΦ为相电流（A）、R为线路电阻（Ω）。

将上述公式展开可以得到公式：

式中，P为有功功率（KW），UL为线路电压、Q为无功功率（KVаr）

由此可以看到，线路损耗量主要与RP2/U2L+RQ2/U2L有关。其中，RP2/U2L为有功功率引起的损耗，而RQ2/U2L为无功功率引起的损耗。而根据公式可以看到，这些损耗量的大小取决于，电流、电阻两个因素，而在泵站的供配电中，电流是不能改变的，所以，要减少损耗，就需要从电阻入手，进行线路的电阻节能设计。在此过程中，根据线路的电阻计算公式，R=P×L/s，其中，R为电阻、P为电导率、S为线路的截面，可以了解到，在节能设计中，可以通过增加截面积、降低电导率、减少导线长度，降低电阻，减少损耗。

为此，在节能设计中，首先，可以考虑适当地将当前的导线截面积等级上升一级，由此增加截面积，但应当保持所增加费用，与电能支出节省费用之间的平衡，确保截面增加带来的费用小于节能设计节省的费用。其次，应优化线路设置路线，尽量选择直线布置，以缩短导线的长度，由此达到节能的效果。最后，应当选择电导率较低的线路，以减少电能损耗。一般来说，电导率主要与材质有关，目前常用的线路材质电导率如表1。从表中可见，铜导线的导电率最小，因此，可优先选用铜导线，但考虑到铜导线的成本较高，所以，也可以根据实际条件，选用铝导线，以减少电能在线路上的损耗，达到节能的效果。

表1 各材质导线的电导率表

4.2 供配电变压器节能设计

在泵站的供配电环节，变压器作为供配电系统中的关键设备，负责将传输到泵站的电压，转换为适合泵站设备使用的电压，以保证泵站的稳定运行。但在变压器的运行中，也会造成电力的损耗，所以，在节能设计中，也需要对变压器进行节能优化，以提高供配电系统对电能的利用率。对于变压器来说，其的运行效率公式如下：

其中，η为变压器运行效率，P2为有功功率（KWh）、P1为无功功率（KWh）。

将上述公式展开可以得到公式如下：

其中，cosψ2为二次侧功率因数，cosψ2为功率因数，为取值在0.8~0.9之间的常数，SN为变压器额定容量（Kvа），β为负载系数，PFe为空载损耗（KWh），PCuN为负载损耗（KWh）。由该公式可见，变压器的运行效率主要与空载损耗和负载损耗有关，两者越少，变压器处的电能损耗越小，因此，在节能设计上，需要结合实际条件，秉承择优原则，先选择能耗低、国家机构确认节能、符合国家节能标准的变压器设备，然后对选中的几种变压器设备进行节能效果的比较，并进行这几种变压器空载损耗和负载损耗的对比分析，由此择优选用变压器，以达到节能的效果。在本案例工程中，选择了三种节能变压器，这三种变压器的空载损耗与负载损耗对比分析结果如表2。从表中可以看到，损耗最少的是SFZ8型号，所以，在节能设计中，需要选用SFZ8型号的变压器，作为泵站供配电用的变压器，以实现泵站供配电系统的节能设计。

表2 三种节能变压器的损耗对比分析表

4.3 供配电无功补偿设计

在泵站的运行中，有功功率是必须的，且不可改变，但泵站内各类用电设备中的整流器均存在电感，导致滞后性无功的形成，此时，就需要从供配电系统中引入超前的无功加以抵消。在此过程中，这种用于抵消滞后性无功的，超前无功功率就会从供配电系统的高、低压线路，传输到泵站的设施，由此形成了有功损耗。这部分因感抗所产生的损耗，与泵站设备运行用的有功损耗不同，是可以通过提高设备的自然功率因数改变的。在泵站的运行中，通过提高设备自然功率因数，可以减少泵站设备对超前无功的需求，降低此部分无功损耗。

而在节能设计中，有专门用来补偿因设备感抗而形成的滞后性无功的设施，即电容器，所以，可以为泵站的设备设置电容器，结构如图1，运用其产生的超前无功，将设备感抗形成的滞后性无功加以补偿，即可有效提高设备的功率因数，缩减其对无功的需求，达到节能的效果。在上述设计过程中，如果设备的自然功率因数过小，不满足供配电系统的运行要求时，可以通过设计一个并联的电容器进行无功补偿，但案例工程的泵站自然功率因数已经达到了供配电系统的要求，所以，可以直接通过在供配电系统的低压部分，设置低压电容器进行无功补偿，以减少供配电过程中的损耗，达到节能的效果。

图1 电容器结构图

4.4 供配电谐波治理设计

在水利水电工程中，泵站的用电设备较多，尤其是在农业生产灌溉需求较大的时间段内，泵站需要保持高负荷的运作，而泵站设备的运作或多或少会向供配电系统中注入一定的谐波，由此造成了供配电的损耗。就目前来看，谐波会导致电缆过热、中性线电流增大、电力电容器介质过热等现象，而这些现象会均会造成供配电损耗增加的情况。为此，在节能设计中，供配电谐波治理设计，也是一项关键的环节。

在节能设计中，为了有效实现谐波治理，需要采取以下几项措施：

第一，在供配电系统设计中，将变压器的绕组方式，设计为Dyn-11型联结模式，这样可以将3次，以及3倍数次的谐波隔绝在三角形绕组中，使其不再进入输入端系统，以免其对供配电系统产生影响，增加损耗。

第二，在变电的低压侧，设计一个消谐电抗器如图2，并采用串联的方式，将其与电容器相连，以更好地消除谐波。

图2 消谐电抗器图

第三，对于供配电系统中谐波较为严重的位置，需设计使用专门的变压器。

第四，在节能设计中，如果出现谐波难以预测的情况，那么则应预留出一定的滤波设备空间，以便于有效地对设计进行调整，保证节能设计效果。

第五，在此环节的节能设计中，也要遵循合理性原则，考虑到谐波问题可能存在于供配电系统的各个部分，所以，为了减少节能设计落实对泵站供配电运行的影响，需要合理规划设计上述谐波治理措施的实施顺序和时间，保持泵站的稳定运行，深入优化节能设计水平。

4.5 供配电的负荷计算

在节能设计中，需要先根据水利水电工程的运行需求，以及泵站的作业情况，对供配电负荷进行计算，然后根据计算结果，对现有的供配电系统设备进行调整，确保供配电的设施参数符合泵站供电的需求，以免轻载运行造成功率损耗。就目前来看，常用的负荷计算方法主要包括需要系数法、单位指标法、利用系数法等。其中，需要系数法，可以通过直接将泵站设备功率与需要系数、同时系数相乘，得出符合，这种算法比较简单，因此，其应用较为广泛。单位指标法，则是用单位面积所需的电能参数乘以总面积，得出相应的负荷计算结果，这种方法主要用于设计期间，用电设备数量和功率均无法确定的情况下，且多用于工业和民用建筑的负荷计算，所以，在泵站的负荷计算中不运用此方法。利用系数法则是一种根据概率论和数理统计法，构建出的一种符合计算方法，其适用性较强，但计算操作较为繁琐。为此，综合来看，需要系数法相对较为适用，因此，在案例工程中，运用了需要系数法，作为泵站供配电负荷计算方法。

在节能设计中，为了保证负荷计算结果的准确性，需要先做好现场勘察工作，并认真收集所需的各类数据，然后借助计算机技术进行计算，以减少人的因素对计算结果准确性的影响。待得出计算结果后，还要对计算结果进行审核检验，确认无问题后，才能运用负荷计算结果进行后续的节能设计，以保证节能设计的准确性。

5 结束语

综上所述，借助合理、有效的供配电节能设计措施，可以降低水利水电工程泵站运行能耗成本。在水利水电工程运行中，通过对泵站进行供配电的节能设计，可以缓解谐波、线路等因素带来的电能损耗问题，减轻泵站的能耗负担，提高水利水电工程的电力资源利用效率，由此助力水利水电工程的可持续发展，让该工程能够创造出更大的经济效益和社会效益。