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【摘 要】文中对供配电节能设计的重要性进行了探讨,阐述了供配电、变配电、照明等三个方面节能的方法和措施。
【关键词】电力工程；供配电；设计；节能
当前,根据有关资料,全国电网的损耗约占总发电率的5.32% ,因此如何尽量降低供配电环节的电能损耗具有重要的意义。《国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》在能效目标上明确提出:要确保到2010年,单位国内生产总值能源消耗降20%。节能应涵盖建筑、结构、设备和使用等方方面面。在此分析了供配电设计中的一些节能措施,仅供参考。
1 供配电系统总体规划方面的节能措施
供配电系统总体的规划设计,应充分考虑负荷容量、供电距离及分布、用电设备特点等因素,做到系统尽量简单可靠,操作方便。变配电所应尽量靠近负荷中心,以缩短配电半径,减少线路损耗。合理选择变压器的容量和台数,以适应由于季节性造成的负荷变化时能够灵活投切变压器,实现经济运行,减少由于轻载运行造成的不必要的电能损耗。
1.1 供电电压等级与节能
根据负荷容量、供电距离及用电设备等因素,合理设计供配电系统和选择供电电压等级。供电电压越高则线路电流越小,线路上损耗的电能就越少。
变电所应尽量靠近负荷中心以缩短供电半径、减少线路损失,在供电电压的范围内提高供电电压的等级,可以达到节能的目的,但却要增加投资。对此,必须进行方案的经济比较。供电电压与负荷大小、输送距离有一定关系。
1.2 线路设计的选择与节能
输电线路有架空线路与电缆线路两种,导线电缆的截面选择过大,虽然可以达到节能的目的,但却会增加投资；选择太小又会影响可靠运行,缩短使用寿命,带来安全隐患及经济损失。
设计时架空导线截面应按经济电流密度合理选择,较长距离的大电流回路或35kV以上的高压电缆,应选择经济截面。
线路设计时应遵循减少线路损耗的原则。配电线路有电阻,有电流通过时会产生功率损耗,其公式为:
式中: ———三相输电线路的功率损耗(kW)；
———线电流(A)；
———线路相电阻(Ω)。
其中,“ ”线路电阻在通过电流不变时,线路长度越长则电阻值越大。如果一个工程线路上下纵横交错,对于一般工程线路总长不下万米,大工程更长,造成的电能损耗是相当可观的。所以,减少线路能耗必须引起设计人员的足够重视。在具体工程中,线路上电流一般是不变的,要减少线损,只能尽量减少线路电阻。线路的电阻 ,即与导线电阻率 、导线长度 成正比,与导线截面 成反比。因此,要减少电阻值应从以下几个方面考虑:
1.2.1 尽量选用电阻率 较小的导线,如铜芯导线较佳,铝线次之；
1.2.2 尽可能减少导线长度。在设计中线路应尽量走直线少走弯路,在低压配电中尽可能不走或少走回头路,变电所应尽可能靠近负荷中心；
1.2.3 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,在选定线截面时要加大一级线截面。这样虽增加了线路费用,却因节约能耗而减少了年运行费用,综合考虑节能经济时还是合算的。
2 变配电设计方面的节能措施
2.1 合理选用变压器
变压器是电压变换设备, 广泛应用于电力系统,特别是10kV 和35kV 电压等级的变压器,在电力和配电系统中普遍使用,数量巨大。据估计,目前在电网上运行的10 kV 和35kV 级变压器约有10 亿kVA 以上。由于使用量大,运行时间长,变压器在选择和使用上存在着巨大的节能潜力, 特别是量大面广的10kV 和35kV 级变压器。选择高效节能产品,不但对节约能源具有重要意义,同时还可以大大降低变压器的运营成本,是企业改善经济效益的重要途径。因此,选择变压器时,应选用低损耗节能型变压器,如S系列或S10系列、S11系列，目前广东佛山最低配置用到S11的变压器。对于高层建筑、地下建筑、化工等单位及对消防要求较高场所,宜采用低损耗节能型干式电力变压器(SG10、SG11、SC6 等系列) 。对电网电压波动较大,为改善电能质量,可采用有载调压电力变压器。
2.2 多采用变频设备
变频器节电可以从4个方面节电:第一,软启动,一般交流电动机的启动电流为电动机额定电流的6～7倍,变频调速启动电流不超过电动机的额定电流。第二,节省设计冗余,一般设计都按照使用时的极端条件,因而都留有设计冗余,有的余量很大,形成大马拉小车。变频调速可以把这部分冗余节省下来。即负载变化时,变频器进行调速,电动机输出的轴功率相应变化。第三,调速节电,电动机轴上的输出功率和转速及负载转矩之间的关系如下式:
式中: 为电动机轴上的输出功率； 为负载转矩； 为电动机转速。转矩按平方降低特性的电动机如风机泵类, ,由此可知,转速下降,轴功率变小,这是变频调速的主要节电原理。以一台75kW的锅炉引风机为例,采用变频器后,节电相当可观。数据表明:应用变频调速装置其节电率可达到50%左右,并且风机所需风量越低,应用变频调速节电效果越好。第四,功率因数高,一般在0.95以上,节省无功,减轻了变压器的负担。
由于变频器的优异性能,许多以往采用电磁调速电机的设备都改为变频调速,在实际工作中改造采用变频器调速,既节省了电能,又优化了工艺。变频调速确实是节能降耗的好技术,已被许多企业认可并采用。
2.3 提高供配电系统的功率因数
功率因数提高了, 可以减少线路无功功率的损耗,从而达到节能的目的。前面提到的输电线路损耗△P 中包含了线路传输有功功率时引起的线损和线路传输无功功率时引起的线损。传输有功功率是为了满足设备功能所必须的,是不变的。而在供配电系统中的某些用电设备如电动机、变压器、灯具的镇流器等都具有电感性,会产生滞后的无功电流,它要从系统中经过高低压线路传输到用电设备末端,无形中又增加了线路的功率损耗。然而,这部分损耗是可以避免的, 可以通过以下两种方法来降低损耗:
2.3.1 减少用电设备无功损耗,提高用电设备的功率因数。在设计中, 应尽可能采用功率因数高的用电设备,如同步电动机等,电感性用电设备可选用有补偿电容器的用电设备(如配有电容补偿的荧光灯) 等。
2.3.2 用静电电容器进行无功补偿。电容器可产生超前无功电流以抵消用电设备的滞后无功电流,从而提高功率因数。同时减少整体无功电流在具体设计时可采用高压集中补偿、低压分散补偿和低压成组补偿等方式,可根据具体情况选择补偿方式。
3 照明设计方面的节能措施
照明节能设计应提倡绿色照明。绿色照明并不只是照明节能,而是在有益于提高人们生产、工作、学习效率和生活质量,保护身心健康的基础上达到节约能源、保护环境的目的。因此,照明节能设计就是在保证不降低作业面视觉要求、不降低照明质量的前提下,力求减少照明系统中光能的损失,从而最大限度的利用光能。通常照明的节能措施有以下几种:
3.1 充分利用自然光,这是照明节能的重要途径之一。在设计中,电气设计人员应多与建筑专业配合,做到充分合理地利用自然光,使之与室内人工照明有机地结合,从而大大节约人工照明电能。
3.2 《照明设计规范》规定了各种场所的照度标准、视觉要求、照明功率密度等。照度标准是不可随意降低的,也不宜随便提高。要有效地控制单位面积灯具安装功率, 在满足照明质量的前提下一般房间(场所) 应优先采用高效发光的荧光灯(如T5、T8 管) 及紧凑型荧光灯；高大车间、厂房及室外照明等宜采用高压钠灯、金属卤化物灯等高效气体放电光源。
3.3 推广使用低能耗、性能优的光源用电附件,如电子镇流器、节能型电感镇流器、电子触发器以及电子变压器等,公共建筑场所内的荧光灯宜选用带有无功补偿的灯具,紧凑型荧光灯优先选用电子镇流器,气体放电灯宜采用电子触发器。
3.4 改进灯具控制方式, 采用各种节能型开关或装置也是一种行之有效的节电方法。根据照明使用特点可采取分区控制灯或适当增加照明开关点。卧房、病房、客房等床头灯可采用调光开关；高级客房采用节电钥匙开关；公共场所及室外照明可采用程序控制或光电、声控开关；走道、楼梯人员短暂停留的公共场所可采用节能自熄开关。
4 结语
综上所述,节能是一项涉及全社会的工作,电气设计人员在设计中应从安全性、可靠性、经济性及节能等方面进行综合考虑。选择合理的设计方案, 尽可能有效地减小电能损耗,提高供配电系统运行的经济性,对提高电能的利用率、节约电能、促进经济可持续发展和建设节约型社会具有重要的意义。
【关键词】电力工程；供配电；设计；节能
当前,根据有关资料,全国电网的损耗约占总发电率的5.32% ,因此如何尽量降低供配电环节的电能损耗具有重要的意义。《国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》在能效目标上明确提出:要确保到2010年,单位国内生产总值能源消耗降20%。节能应涵盖建筑、结构、设备和使用等方方面面。在此分析了供配电设计中的一些节能措施,仅供参考。
1 供配电系统总体规划方面的节能措施
供配电系统总体的规划设计,应充分考虑负荷容量、供电距离及分布、用电设备特点等因素,做到系统尽量简单可靠,操作方便。变配电所应尽量靠近负荷中心,以缩短配电半径,减少线路损耗。合理选择变压器的容量和台数,以适应由于季节性造成的负荷变化时能够灵活投切变压器,实现经济运行,减少由于轻载运行造成的不必要的电能损耗。
1.1 供电电压等级与节能
根据负荷容量、供电距离及用电设备等因素,合理设计供配电系统和选择供电电压等级。供电电压越高则线路电流越小,线路上损耗的电能就越少。
变电所应尽量靠近负荷中心以缩短供电半径、减少线路损失,在供电电压的范围内提高供电电压的等级,可以达到节能的目的,但却要增加投资。对此,必须进行方案的经济比较。供电电压与负荷大小、输送距离有一定关系。
1.2 线路设计的选择与节能
输电线路有架空线路与电缆线路两种,导线电缆的截面选择过大,虽然可以达到节能的目的,但却会增加投资；选择太小又会影响可靠运行,缩短使用寿命,带来安全隐患及经济损失。
设计时架空导线截面应按经济电流密度合理选择,较长距离的大电流回路或35kV以上的高压电缆,应选择经济截面。
线路设计时应遵循减少线路损耗的原则。配电线路有电阻,有电流通过时会产生功率损耗,其公式为:
式中: ———三相输电线路的功率损耗(kW)；
———线电流(A)；
———线路相电阻(Ω)。
其中,“ ”线路电阻在通过电流不变时,线路长度越长则电阻值越大。如果一个工程线路上下纵横交错,对于一般工程线路总长不下万米,大工程更长,造成的电能损耗是相当可观的。所以,减少线路能耗必须引起设计人员的足够重视。在具体工程中,线路上电流一般是不变的,要减少线损,只能尽量减少线路电阻。线路的电阻 ,即与导线电阻率 、导线长度 成正比,与导线截面 成反比。因此,要减少电阻值应从以下几个方面考虑:
1.2.1 尽量选用电阻率 较小的导线,如铜芯导线较佳,铝线次之；
1.2.2 尽可能减少导线长度。在设计中线路应尽量走直线少走弯路,在低压配电中尽可能不走或少走回头路,变电所应尽可能靠近负荷中心；
1.2.3 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,在选定线截面时要加大一级线截面。这样虽增加了线路费用,却因节约能耗而减少了年运行费用,综合考虑节能经济时还是合算的。
2 变配电设计方面的节能措施
2.1 合理选用变压器
变压器是电压变换设备, 广泛应用于电力系统,特别是10kV 和35kV 电压等级的变压器,在电力和配电系统中普遍使用,数量巨大。据估计,目前在电网上运行的10 kV 和35kV 级变压器约有10 亿kVA 以上。由于使用量大,运行时间长,变压器在选择和使用上存在着巨大的节能潜力, 特别是量大面广的10kV 和35kV 级变压器。选择高效节能产品,不但对节约能源具有重要意义,同时还可以大大降低变压器的运营成本,是企业改善经济效益的重要途径。因此,选择变压器时,应选用低损耗节能型变压器,如S系列或S10系列、S11系列，目前广东佛山最低配置用到S11的变压器。对于高层建筑、地下建筑、化工等单位及对消防要求较高场所,宜采用低损耗节能型干式电力变压器(SG10、SG11、SC6 等系列) 。对电网电压波动较大,为改善电能质量,可采用有载调压电力变压器。
2.2 多采用变频设备
变频器节电可以从4个方面节电:第一,软启动,一般交流电动机的启动电流为电动机额定电流的6～7倍,变频调速启动电流不超过电动机的额定电流。第二,节省设计冗余,一般设计都按照使用时的极端条件,因而都留有设计冗余,有的余量很大,形成大马拉小车。变频调速可以把这部分冗余节省下来。即负载变化时,变频器进行调速,电动机输出的轴功率相应变化。第三,调速节电,电动机轴上的输出功率和转速及负载转矩之间的关系如下式:
式中: 为电动机轴上的输出功率； 为负载转矩； 为电动机转速。转矩按平方降低特性的电动机如风机泵类, ,由此可知,转速下降,轴功率变小,这是变频调速的主要节电原理。以一台75kW的锅炉引风机为例,采用变频器后,节电相当可观。数据表明:应用变频调速装置其节电率可达到50%左右,并且风机所需风量越低,应用变频调速节电效果越好。第四,功率因数高,一般在0.95以上,节省无功,减轻了变压器的负担。
由于变频器的优异性能,许多以往采用电磁调速电机的设备都改为变频调速,在实际工作中改造采用变频器调速,既节省了电能,又优化了工艺。变频调速确实是节能降耗的好技术,已被许多企业认可并采用。
2.3 提高供配电系统的功率因数
功率因数提高了, 可以减少线路无功功率的损耗,从而达到节能的目的。前面提到的输电线路损耗△P 中包含了线路传输有功功率时引起的线损和线路传输无功功率时引起的线损。传输有功功率是为了满足设备功能所必须的,是不变的。而在供配电系统中的某些用电设备如电动机、变压器、灯具的镇流器等都具有电感性,会产生滞后的无功电流,它要从系统中经过高低压线路传输到用电设备末端,无形中又增加了线路的功率损耗。然而,这部分损耗是可以避免的, 可以通过以下两种方法来降低损耗:
2.3.1 减少用电设备无功损耗,提高用电设备的功率因数。在设计中, 应尽可能采用功率因数高的用电设备,如同步电动机等,电感性用电设备可选用有补偿电容器的用电设备(如配有电容补偿的荧光灯) 等。
2.3.2 用静电电容器进行无功补偿。电容器可产生超前无功电流以抵消用电设备的滞后无功电流,从而提高功率因数。同时减少整体无功电流在具体设计时可采用高压集中补偿、低压分散补偿和低压成组补偿等方式,可根据具体情况选择补偿方式。
3 照明设计方面的节能措施
照明节能设计应提倡绿色照明。绿色照明并不只是照明节能,而是在有益于提高人们生产、工作、学习效率和生活质量,保护身心健康的基础上达到节约能源、保护环境的目的。因此,照明节能设计就是在保证不降低作业面视觉要求、不降低照明质量的前提下,力求减少照明系统中光能的损失,从而最大限度的利用光能。通常照明的节能措施有以下几种:
3.1 充分利用自然光,这是照明节能的重要途径之一。在设计中,电气设计人员应多与建筑专业配合,做到充分合理地利用自然光,使之与室内人工照明有机地结合,从而大大节约人工照明电能。
3.2 《照明设计规范》规定了各种场所的照度标准、视觉要求、照明功率密度等。照度标准是不可随意降低的,也不宜随便提高。要有效地控制单位面积灯具安装功率, 在满足照明质量的前提下一般房间(场所) 应优先采用高效发光的荧光灯(如T5、T8 管) 及紧凑型荧光灯；高大车间、厂房及室外照明等宜采用高压钠灯、金属卤化物灯等高效气体放电光源。
3.3 推广使用低能耗、性能优的光源用电附件,如电子镇流器、节能型电感镇流器、电子触发器以及电子变压器等,公共建筑场所内的荧光灯宜选用带有无功补偿的灯具,紧凑型荧光灯优先选用电子镇流器,气体放电灯宜采用电子触发器。
3.4 改进灯具控制方式, 采用各种节能型开关或装置也是一种行之有效的节电方法。根据照明使用特点可采取分区控制灯或适当增加照明开关点。卧房、病房、客房等床头灯可采用调光开关；高级客房采用节电钥匙开关；公共场所及室外照明可采用程序控制或光电、声控开关；走道、楼梯人员短暂停留的公共场所可采用节能自熄开关。
4 结语
综上所述,节能是一项涉及全社会的工作,电气设计人员在设计中应从安全性、可靠性、经济性及节能等方面进行综合考虑。选择合理的设计方案, 尽可能有效地减小电能损耗,提高供配电系统运行的经济性,对提高电能的利用率、节约电能、促进经济可持续发展和建设节约型社会具有重要的意义。