从节能角度浅谈工厂供配电设计

龚志华，王光辉

(昆明有色冶金设计研究院股份公司电气自动化工程部，云南 昆明 650051)

0 引 言

当前国内经济飞速发展，能源消耗持续增长，电能供不应求的局面日益严重，工厂企业为了效益对单位产品的电能消耗量相当重视。

从而，在供配电设计中运用节能技术，避免资料浪费及给企业带来更高效益。既是设计者应有的一份责任，也是评价设计质量的一项重要指标。

1 在供配电系统中的节能方法

在工厂供配电设计中，电网中的功率损耗主要包含电力线路中的功率损耗、电力变压器的功率损耗以及电动机(工厂主要的用电设备)的功率损耗。下面分别来阐述节能方法。

1.1 降低电力线路功率损耗来节能

三相线路中有功功率损耗为：

三相线路中无功功率损耗为：

X=xL 。

IC——计算相电流；

R——每相线路电阻；

X——每相线路电抗；

△PL——三相线路中计算有功功率；

△QL——三相线路中计算有功功率；

Ue——额定线电压；

cosθ——计算功率因数；

r、x——线路单位长度的交流电阻及电抗，与缆线截面积成反比；

L——线路计算长度

从以上公式中不难看出，在工厂或车间计算有功功率一定的情况下，供配电线路中功率损耗与电压等级、功率因数及线缆截面积的平方成反比，与线路长度成正比，进而我们可以用提高电压等级与功率因数、增大线缆截面积，以及减少线路长度来进行节能。

1.1.1 提高输电线路电压等级

工厂的供电电压应从用电容量、用电设备特性、供电距离、供电线路的回路数、用电单位的远景规划、当地公共电网现状和它的发展规划以及经济合理等因数综合考虑决定；配电电压的高低取决于供电电压、用电设备的电压以及供电范围、负荷大小和分布情况等。

所以工厂供配电线路的电压等级一般不从节能的角度来进行考虑。

但在有条件情况下的供电方案对比中，我们从节能角度分析出，当输送负荷不变时升压后降低功率损耗的百分率计算公式如下：

式中：

ΔΔP%——升压后功率损耗降低百分比；

Un1——电网升压前的标称电压；

Un2——电网升压后的标称电压。

电网升压后功率损耗降低百分率，见表1。

表1 各级升压后的功率损耗降低百分率

1.1.2 提高电网的功率因数

提高功率因数能减少线路损耗，当有功功率和线路的电压不变时，假定提高前的功率因数为提高后的功率因数为cosφ2，那么三相回路实际减少的功率损耗可按以下公式得出：

式中：

P——有功功率；

U——线路电压；

cosφ1——提高前的功率因数；

cosφ2——提高后的功率因数。

计算得出，当cosφ从0.6提高到0.9时，线路功率损耗可以降低约56%。

在提高用电设备的自然功率因数不能满足要求时，采用无功补偿提高功率因数是最有效的方法。用电设备一般为感性，在电路中并联电容来进行补偿。目前的工程应用中，无功补偿按照补偿位置来分类有集中补偿、就地补偿和分组补偿；按投入的快慢分实时动态补偿及静态补偿；按是否能自动投切分为自动补偿及固定补偿。

在10 kV高压供电企业中，主要采取的无功补偿方式见图1。

1)变配电所高压集中补偿(C1)，主要目的是改善电网的功率因数，比较容易满足电力部门对功率因数的要求；从电力系统的全局来看，这种补偿方式是必要且合理的。

2)配电变压器高压侧相对集中补偿(C3)，在各配电变压器一侧集中安装，以补偿变压器的空载无功；可以降低高压配电干线的线损。

图1 企业供配电系统无功补偿方式

3)变压器低压侧集中补偿(C2)，实现无功就地平衡，对配电网和配电变压器有降损作用，同时可提高负荷侧的电压水平，且单位补偿容量较10 kV侧投资少，被较多采用。

4)低压分组补偿(C4)，分散安装在各配电点低压母线上，就地补偿用电设备组的无功功率，使低压配电主干线路上的损耗相应减少。由于补偿装置管理及维护不太方便，只在当用电负荷点较多、较分散时，补偿效率才能很好体现。在红河县苏红老村旅游改造项目外部供电网设计中，由于单体建筑物(主要是客栈、民宿)较多且分散，采用了此种补偿方式。

5)用电设备就地补偿(C5)，直接装设在大容量用电设备旁边，与设备同时投入或退出，使装设点以上线路输送的无功减少，线损相应减少，可以获得最明显的降损效益。

提高功率因数的意义不仅在于节能，让企业经济运行，而且能提高发电机的输出功率、提高变电、输电设施的供电能力、减少线路压降，对整个电力系统意义重大。

1.1.3 增大线缆截面积

有度的增大线缆截面积可以降损节能，在满足线路电压降和导体载流量等技术条件下，导体截面积宜适当加大，因为节能与电缆投资是相互矛盾的，在使用周期总共降低线损的费用能够补偿加大截面积所增加的费用，达到经济合理，此方法称为“按经济电流选择导体截面积”。

工作时间长、负荷稳定的线路，如三班制或两班制生产场所宜按经济电流选择导体截面积；高电价地区或高电价用电单位的工作时间较长、负荷稳定的线路，应首先应用。

我们以10 kV及以下电力电缆经济电流截面选用方法为例，简要叙述。

10 kV及以下电力电缆经济电流截面计算式如下：

式中：

Sj——经济电流截面(mm2)；

Imax——第一年导体最大负荷电流(A)；

J——经济电流密度(A/mm2)。

从而，当已知电缆的经济电流密度及求得第一年导体最大负荷电流后，通过上式就能得出经济电流截面。

据规范(GB50217—2007 电力工程电缆设计规范)要求，在10 kV及以下电力电缆按经济电流截面选择时，“当电缆经济电流截面比按热稳定、容许电压降或持续载流量要求的截面小时，则应按热稳定、容许电压降或持续载流量较大要求截面选择。当电缆经济电流截面介于电缆标称截面档次之间，可视其接近程度，选择较接近一档截面，且宜偏小选取。”

1.1.4 减少线路长度

所谓减少线路长度，就是让高压深入负荷中心缩短低压配电线路。根据供电距离与负荷的容量，合理地设计供电系统，以减少电能损耗，可采取下列措施：

1)对负荷较大、较分散的场所，变电站应设置在负荷中心位置以减少低压线路的损耗；

2)高层建筑配电变压器应分别设置在各层。住宅区配电变压器深入内部，采用预装式或埋地式变电站；

3)大型工业配电变压器可根据缩短低压配电线路的原则设置在建筑内部。如何降低线损是供配电系统节能的一个十分重要的课题，应在保证或有利于用电安全、有利于提高供电可靠性、经济合理的原则基础上实施。

1.2 降低电力变压器的功率损耗

1.2.1 变压器的损耗主要有空载损耗、负载损耗。空载损耗主要是铁芯损耗，由磁滞损耗和涡流损耗组成，也称为铁损；变压器的负载损耗主要为负载电流通过绕组时的损耗，也称为铜损。

通常，降低空载损耗和负载损耗的方法有：

1)采用高性能的硅钢片，改良铁芯的结构等措施来降低空载损耗，变压器空载损耗约占变压器总的损耗1/4。空载损耗的大小跟负载没有直接关系，降低空载损耗对负载不大的中小型电力变压器来讲是有非常重要。所以，降低电力变压器的功率损耗主要就是降低其空载损耗。

2)变压器的负载损耗一般占变压器总损耗的70%～80%左右。要降低变压器的负载损耗，在满足技术要求的前提下，主要是改进绝缘结构以减小绝缘体积，使填充系数得到提高和减小线圈尺寸来降低其负载损耗。

近年来各种低损耗电力变压器已广泛应用，节能效果较为显著。因此，新建项目的变电所应尽可能选用低损耗的节能变压器，旧有变压器通过计算分析如经济可行，也应及时更换，以节省电能。

1.2.2 变压器经济运行以节约电量为主，按有功功率考虑时，变压器功率损ΔP(kW)和损失率ΔP% 的基础计算公式如下：

ΔP=P0+β2Pk

式中：

P0——空载损耗，kW；

β——负载系数；

Pk——短路损耗，kW；

P1——电源侧输入功率，kW；

SN——变压器的额定容量，kVA；

cosφ2——负载功率因数；

P2——负载侧输出功率，kW；

但在实际应用时，不能简单化地只采用经济负荷率，而应综合考虑售电单价与方式、负荷性质、运行情况、变压器投资等因数来合理选择变压器容量。

1.3 电动机的节能

提高电动机的效率和功率因数是减少电动机的电能损耗的主要方法。电动机节电的措施有许多，下面介绍简要介绍几个行之有效的办法。

1.3.1 选用更高效率的电动机

当前，各电动机厂家采用了很多的措施来降低电动机的损耗，进一步提高了电动机的功率因数及运行效率。高效率电动机的总损耗比普通标准电动机减少了近1/4，同时，前者比后者的效率能提高到6%。

但是，由各厂家给出的价格比较，高效率的电动机的价格比一般的电机要高出大约20%，但选用高效率的电动机在短期内就能通过节能来收回多投资的那部分钱。一般情况下，满足以下条件时可采用高效率电机：

1)负载率达到60%以上；

2)连续运行时间达到3 000 h/a以上；

3)不频繁起动(最好是轻载起动，如风机、水泵类负载)；

举例说明，将1台100 kW，效率为91.5%的普通三相异步电动机更换成同功率、效率为95.4%的高效电动机后，1年可节电：

式中：

W——每年节省的电能，kW·h；

PN——电机的额定功率，kW；

η1——普通电动机的效率；

η2——高效电动机的效率；

t——电动机一年连续运行的时间，h取5 000；

K——负载率，取0.95。

1.3.2 根据负载大小合理地选择电动机功率

选用适当的电机功率以避免“大马拉小车”，提高电机效率及功率因数。

一般情况下，在电机的负载率应大于0.65时；对负载率小于0.3的旧有电机应进行更换。设计时，选用过大电动机功率，既增大了一次投资还耗能，是不可取的。

1.3.3 改变电动机的绕组接法

当电动机经常负荷过轻，选用三角-星切换装置将电动机的三角形接法改为星形接法能取得较好的节能效果；当负载系数不同时，采取这种这种措施的效果差别较大。列项比较如下，

1)负载系数低于0.3时，节能效率明显；

2)负载系数等于0.5时，无节能效果；

3)负载系数大于0.5时，节能效率更差。

此外，当负载系数低于0.4时，将三角形接法改为星形接法后，能提高电动机的功率因数，这将有益于变压器和输电线路的节电。

此时应注意到，电动机的极限容许负载是电动机额定容量的40%左右(由三角形接法改成星形接法后)，在采用此措施节能时，必须验算是否满足要求。

1.3.4 电动机无功就地补偿

对供电距离较远的连续运行的较大容量电动机，选用无功功率就地补偿装置对改变远距离供电的电动机功率因数较低，减少线路的损失及提高变压器负载率等方面有着良好的效果。

事实证明，每千乏补偿电容一年就能节约用电将近200千瓦时，这项节电技术应广泛推广。

1.3.5 调节电动机的转速

企业内的许多风机、水泵的流量一般不总是要求恒定的。根据风机、水泵的压力—流量特性曲线，采用变速变流量控制，能有效节能。

理论上，风机、泵类的特点如以下各式：

式中：

Q1，Q2——流量，m3/s；

N1，N2——流量，r/min；

P1，P2——功率，kW；

H1，H2——扬程，m。

可以理解为流量与转速、功率与流量的3次方分别成比例。当风机、水泵采用改变风门或阀门的开度来控制流量时，效率很低。而采用转速来控制流量时，电机所需的功率随着流量的下降，近似地按流量的3次方下降。所以，在不影响生产与工作环境下，采用调速取得的节能效果十分显著。

2 结 语

虽然节能的方法多种多样，但必须在以下列条件为前提下进行：

1)应对产品的质量、性能和产量不构成影响。

2)要尽量避免工作环境的恶化。

3)能够在短期内回收投资费用。为节电而花费的投资，能在2～5年内收回。

另外，由于实行节电措施而使设备寿命缩短时，必须考虑在扣除设备的更新和维护费用后还有足够的效益。

4)不应引起其他费用过高和额外工作量过大。最好是既节电又省事。

总之，要合理的使用电设备能经济运行，推广节电新技术，提高电能利用率。在满足各项技术要求的同时，提高企业经济效益。这对供配电设计来说有着重要意义。