供配电系统的节能设计方案的探讨研究

　　由于人口的快速增长，工业的迅速发展，人们生活水平的不断提高，能源的消耗也呈现出急剧增加的趋势，能源供应压力越来越大。近些年，党中央、国务院高度重视能源的节约问题，并出台了一系列关于节约能源的政策，提出了建设“资源节约型”社会的伟大目标，大力推广“节能省地”型建筑。在“十一五”规划纲要中，首次将建筑节能工程列入国家十大节能工程，节约能源已成为每位公民应尽的责任和义务。
　　 1. 供配电系统的节能
　　供配电系统设计应在满足可靠性、经济性及合理性的基础上，提高整个供配电系统的运行效率，并尽量降低建筑物的单位能耗和系统损耗。根据负荷容量、供电距离及分布、用电设备特点等因素合理设计供配电系统，做到系统尽量简单可靠、操作方便，同一电压供电系统变配电级数不宜多于两级。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，以适应由于季节变缓造成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电能损耗。?
　　 1.1 供电方案
　　针对电气系统构成做全方位的节能分析，在安全、可靠的前提下，供配电系统设计应将节能作为主要技术经济指标进行多方案比较，优化设计方案，改进机电设备经济运行方式，提高变配电系统节能运行的实效性。
　　图1和图2所示是一个住宅小区的供配电方案比较。第一方案是采用两台1 000kVA的变压器集中设置变电所，变电所距用电负荷较远，外部低压电缆出线回路多，线路长，投资高，运行费用大，高低压设备一次投资较小;第二方案是将两台大容量的变压器分解为若干容量较小的变压器，以箱式变电站的型式供电，使变配电设施尽可能地接近负荷中心。该方案高低压设备一次投资大，供电可靠性高，且运行费用低。其运行时间越长，节能效果就越明显，但该方案由于箱变接近用电负荷中心，布置分散，管理起来不太方便，且占地多。综合比较以上两方案，建议在条件允许时优先选用第二方案。




　　1.2 负荷计算的合理性
　　电气设计一般根据工程使用性质，设备选用情况等进行负荷计算，得出计算负荷后，选择相应的电气产品。计算负荷是一个假想的持续性负荷，其热效应与同一时间内实际变动负荷所产生的最大热效应相等。
　　负荷计算的方法有很多种，配电房的负荷计算一般采用需要系数法，需要系数取值是否合理对计算结果的准确性至关重要。
　　1.3 变配电设备的选择
　　在现行的相关规范中已对变配电设备节能等方面做出规定，应遵照执行。人们通常容易追求狭义上的节能，而能源是各种资源中的一种，如果从广义上追求节能，应该与节约自然资源、社会资源、节约投资相统一。除了应该从系统使用周期内分析如何选择电气产品以外，还应该从使用期前和使用期后的不同角度进行更加全面的分析。如选择的变压器绝缘材料在生产和回收时是否更加节能环保，利用程度等方面是否合理。
　　主要变配电设备必须通过电力负荷、电能损耗、无功功率补偿计算确定。避免出现“大马拉小车”等浪费现象，并且要在追求节能的同时，充分利用有限的投资更加切合实际地提高系统的可靠性。
　　1)变配电设备的选择原则
　　(1)选择自身功耗低的变配电设备。
　　(2)选择国家认证机构确认的节能设备。
　　(3)选择符合国家节能标准的变配电设备。
　　(4)变压器的选择
　　据有关资料统计，我国变压器的总损耗占系统发电量的10%左右，10kV供配电系统中，配电变压器的损耗占80%以上。因此，合理选择节能型变压器对整个供配电系统的节能起着至关重要的作用。
　　变压器的选择应做到：
　　(1)应选用低损耗、低噪音的节能变压器。
　　(2)根据各种用电设备的性质，正确进行负荷计算，合理选择变压器容量、台数、接线方式及运行方式。变压器负荷率不应低于30%，宜在70%~80%的范围，并保持三相负荷平衡分配。
　　(3)单台变压器的容量不宜过大，以避免供电线路过长，增加线路损耗。
　　变压器的有功功率损耗如下式表示：△Pb=Po+Pkβ2 其中：
　　△Pb——变压器有功损耗(kW);
　　Po——变压器的空载损耗(kW);
　　Pk——变压器的有载损耗(kW);
　　β——变压器的负载率。
　　Po部分为空载损耗，又称铁损，它是由铁芯的涡流损耗及漏磁损耗组成，是固定不变的部分，大小随矽钢片的性能及铁芯制造工艺而定。所以，变压器应选用节能型的，如S11、SL11、SH15及SC10、SCRBH15等型油浸式变压器或干式变压器，它们都是采用优质冷轧取向矽钢片，由于“取向”处理，使矽钢片的磁畴方向接近一致，以减少铁芯的涡流损耗;45°全斜接缝结构，使接缝密合性好，以减少漏磁损耗。
Pk是传输功率的损耗，即变压器的线损，决定于变压器绕组的电阻及流过绕组电流的大小，即与负载率β的平方成正比。因此，应选用阻值较小的绕组，可采用铜芯变压器。从Pkβ2用微分求它的极值，在β=50%处每千瓦的负载，变压器的能耗最小。因此，在上世纪80年代中期设计的民用建筑，变压器的负载率绝大部分在50%左右，在实际使用中有一半变压器没有投入运行，有的设计人员一直沿袭这种做法。但是，这仅是为了节能，而没有考虑经济价值。举下例可看出其不可取的程度。
　　SC10-2 000kVA的变压器，当β=50%时相对于β=85%时可节能为P=16.01×(0.852-0.52)=7.56kW，按商场最高用电小时计：每天12h，365天全营业，则总节约电能：W=7.56×12×365=33 113kW·h。按营业性电价每度0.78元计，则每年节约：33 113×0.78=25 828元。
　　按每千瓦的初装费投资：2 000kVA变压器应用于大型民用建筑，必然双电源进线，则初装费每kVA为2 240元，每年节能省下的电费只能提供(25 828/2 240=11.53)11.53kVA的初装费。还有988.5kVA的初装费，加上由于加大变压器容量而多付的变压器价格，由于变压器增加而使出线开关柜、母联柜增加引起的设备购置费，安装上述设备使土建面积增加而引起的土建费用，这是笔相当可观的投资，还没有计及折旧维护等费用。由此可见，取变压器负载率为50%是得不偿失的。
　　事实上50%负载率仅减少了变压器的线损，并没有减少变压器的铁损，因此也不是最节能的措施。计及初装费、变压器、低压柜、土建的投资及各项运行费用，又要使变压器在使用期内预留适当的容量，变压器的负载率应在75%～85%为宜。这样也可以做到物尽其用，因为变压器绝缘的使用年限满负荷计为20年，20年后可能有更好的变压器问世，这样就可以有机会更换新的设备，才能使该建筑总趋技术领先地位。
　　在变压器选择中，能掌握好上述几点原则，即满足节约能源，又经济合理的原则。
　　下面再简单介绍一种正在被积极推广并将被广泛应用的新型节能变压器——非晶合金变压器。
　　从上世纪70年代发展起来的非晶合金，作为一种高效节能材料，进入90年代后，在配电变压器上进入了实用阶段。迄今为止，全球已有200万台非晶合金铁芯变压器在电网上运行，其中运行时间最长的已达30余年。实践证明，非晶合金变压器性能稳定可靠，节能效果显著，是配电变压器理想的更新换代产品。
　　非晶合金是一种厚度约0.025mm的特殊软磁材料，它是一定比例的合金原料在熔融状态下经过超速冷却而形成的带状金属。它具有极低的损耗，特别适合用作变压器的铁芯。目前非晶合金变压器分为油浸式和干式两种，干式又分为环氧和浸渍式。非晶合金干式变压器继承了传统干式变压器的难燃、阻燃、可靠性高及免维护等优点，还具备空载损耗低(比普通S9硅钢片变压器低80%左右，比常规干式变压器低70%以上)、空载电流下降约80%，且对输电线路无特殊要求，无论是用电高峰或低谷它都可以连续节能。
　　现以一台10型1 000kVA普通干式变压器(售价约为18万元)为例，相应一台非晶合金变压器的价格大约为24万元左右，根据其节能效果，经综合比较，大约6年左右即可收回多余成本。考虑银行利息为6%，不考虑通货膨胀因素，多投资的部分含利息为7.8万元，变压器正常寿命30年，剩余24年节约费用12.6万元。可见，非晶合金变压器节能效果和经济性都十分显著。
　　1.4 功率因数补偿
　　功率因数的补偿应做到：
　　1)在配电设计时，应正确选择变压器容量、照明灯具等，提高用电单位的自然功率因数。
　　2) 当自然功率因数偏低，达不到电网合理运行的要求时，应采用并联电容器作为无功补偿装置。
　　3)低压部分的无功功率宜由低压电容器补偿，高压部分的采用高压无功补偿装置。
　　4)配电系统中基本无功补偿宜在变电所内集中进行。
　　5)容量较大，负荷平稳且经常使用的用电设备宜就地补偿。
　　6) 10kV，35kV供电的单位，进户点功率因数应不低于0.9;低压供电的单位，在进行无功补偿时，其功率因数应不低于0.85。
　　有功功率是满足建筑物功能所必须的，因此是不可变的。系统中的用电设备，如电动机、变压器、线路、气体放电灯中的整流器都具有电感，会产生滞后的无功功率，需要从系统中引入超前的无功功率相抵消，这样超前的无功功率就从系统经高、低压线路传输到用电设备，产生了有功损耗，而这部分损耗是可以想办法改变的，其措施是，提高设备的自然功率因数，以减少对超前无功的需求，可采用功率因数较高的同步电动机;采用电感镇流器的气体放电灯，单灯安装电容器等，都可使自然功率因数提高到0.85～0.95，这就可减少系统的超前无功功率。
　　由于感抗产生的是滞后的无功，可采用电容器补偿，因为电容器产生的是超前的无功，两者可以相互抵消，即Q=QL-QC，因此无功补偿，可以提高功率因数，因而也减小了无功的需求量。
　　目前，建筑设计中，绝大部分采用变压器低压侧集中补偿，这种做法仅减少了区域变电站至用户处的高压线路上的无功传输，提高了用户处的功率因数，可以不受或少受电业局的罚款。而对用户，无功仍由变压器低压母线经传输线路输送到各用户点，低压线路上的无功传输并没有减少，那么无功补偿也就达不到节能的目的。对容量超过10kW的风机、水泵、传送带等电动机端宜设置就地补偿装置，空调主机及冷冻泵等常在其附近设有变配电所，可以集中补偿，但若供电距离超过20m时也最好采用就地补偿。
　　负荷平稳的电动机可采用就地补偿是因为负荷变动时电机端电压也变化，使电容器没有放完电又充电，这时电容器会产生无功浪涌电流，使电机易产生过电压而损坏。因此，断续负载，如电梯、自动扶梯、自动步行道等不应在电动机端加装补偿电容器;另外，如星三角起动的异步电动机也不能在电动机端加装补偿电容器，因为它起动过程中有开路闭路瞬时转换，使电容器在放电瞬间又充电，也会使电机过电压而损坏。
　　处理好上述几部分，即减少自然无功、无功补偿及补偿装置的安装地点，就可以实现合理的选择无功补偿方式而达到节能的目的。
　　1.5 谐波的治理
　　随着科技的迅速发展，电子技术和产品被大量使用，在给人们的生活带来便捷的同时，也因其使用大量的非线性、高动态负荷，从而给电网注入了大量的谐波，对电能质量造成了很大的影响。
　　谐波的危害主要表现在以下几个方面：
　　1)谐波对旋转电机的影响
　　谐波对旋转电机的主要影响是引起附加损耗，其次是产生机械振动、噪声和谐波过电压。
　　2)谐波对供电变压器的影响
　　谐波电流不但引起变压器绕组附加损耗，也引起外壳、外层硅钢片和某些紧固件发热，并且有可能引起局部的严重过热。谐波使变压器噪声增大，谐波源造成的流经变压器的谐波电流在谐振条件下可能损害变压器。
　　3)谐波对换流装置的影响
　　交流电网的电压畸变可能引起常规变流器控制角触发脉冲间隔不等，并通过正反馈而放大系统的电压畸变，使整流器的工作不稳定;而对逆变器则可能发生连续的换相失败而无法正常工作，甚至损坏换相设备。
4)谐波对并联补偿电容器和电缆的影响
　　谐波会引起电容器局部放电，加速电容器介质老化，缩短使用寿命。在一定条件下谐波极易与无功补偿电容器组引起谐振或谐波放大，从而导致电容器因过负荷或过电压而损坏;对电力电缆也会造成电缆的过负荷或过电压击穿。
　　为预防和有效的治理谐波，在电气设计时，应采取以下措施：
　　(1)在供配电系统中，变压器的绕组宜采用D,Yn-11型联结。
　　(2) 对于某次谐波特别严重的场所，可采用专用的变压器供电。
　　(3)根据负荷性质，在变电所低压侧补偿电容器回路串接适当配比的消谐电抗器。
　　(4) 当设计过程中对谐波难以预测时，宜预留必要的滤波设备空间。
　　(5)尽可能使用电负荷三相平衡。
　　(6)采用无源和有源滤波装置。
　　(7)建筑物内的低压配电系统采用TN-S型。
　　1.6 减少线路损耗
　　据资料统计，在我国的10kV供配电系统中，线路损失占到20%左右。低压配电系统中，在线路上的总电能损耗，一般为用电设备总额定功率的5%~8%，其所占比例是相当可观的。
　　当电网输送电能时，在网络中就产生功率损耗，其线路参数和负荷大小密切相关。提高电网的功率因数，减少电网的无功功率及导线中的电阻等,均能降低电网中的线损。具体途径如下:①合理选择线路路径;②合理确定电气功能用房的位置，变压器尽量接近负荷中心，以减少供电半径;③增大导线截面，充分利用季节性负荷线路;④提高系统的功率因数，提高设备的自然功率因数,以减少对超前无功的需求，安装无功补偿装置，容量大且平稳的负荷实行就地补偿方式，容量较小或断续的负荷宜采用变压器低压侧集中补偿方式。
　　线路损耗的公式展开后得下列计算式：
　　△P=3IΦ2R×10-3
　　=(RP2/UL2+RQ2/UL2)10-3 (kW)
　　式中：UL——线电压(V)
　　P——有功功率(kW)
　　Q——无功功率(kVar)
　　IΦ——相电流(A)
　　R——线路电阻(Ω)
　　前项RP2/UL2为线路上传输有功功率而引起的功率损耗，后项RQ2/UL2为线路上传输无功功率而引起的功率损耗。
　　例如，在L=100m的VV-3×50+2×25的电缆上传输60kW，cosφ=0.8的电能，其有功损耗量，可由以下步骤求得：IΦ=60×103/(×380×0.8)=113.6A。

　　芯线温度70℃的50mm2铜芯线每公里电阻R0=0.44，则R=0.1×0.44=0.044(Ω)。
　　△P=3×113.62×0.044×10-3=1.704kW
　　从以上可看到，线路上的功率损耗相当于每6m的线路上装一个100W的灯泡。
　　在一个工程中，线路左右上下纵横交错，小工程线路全长不下万米，大工程更是不计其数，所以线路上的总有功损耗是相当可观的，减少线路上的能耗必须引起设计重视。
　　线路上的电流是不能改变的，要减少线路损耗，只有减小线路电阻。线路电阻R=P×L/s，即线路电阻与电导P成正比，与线路截面S成反比，与线路长度L成正比，因此减少线路的损耗应从以下几方面入手：
　　(1)应选用电导率较小的材质做导线：铜芯最佳，但又要贯彻节约用铜的原则。因此，在负荷较大的二类、一类建筑中采用铜导线，在三类或负荷量较小的建筑中采用铝芯导线。
　　(2)减小导线长度：首先，线路尽可能走直线，少走弯路，以减少导线长度;其次，低压线路应不走或少走回头线，以减少来回线路上的电能损失;第三，变压器尽量接近负荷中心，以减少供电距离，低压线路的供电半径一般不超过200m，由最末一级照明配电箱至最末端一个灯具的支线长度，一般要求不宜超过40m，直线距离不宜大于30m。当建筑物每层面积在10 000m2左右时(这种情况一般少见)，至少要设两个变配电所，以减少干线的长度;第四，在高层建筑中，低压配电室应靠近竖井，而且由低压配电室提供给每个竖井的干线，不至于产生支线沿着干线倒送的现象。即低压配电室与竖井位置的布局上应使线路都分向前送，尽可能减少回头送电的支线。
　　(3)增大导线截面：首先，对于比较长的线路，除满足载流量、热稳定、保护的配合及电压损失所选定的截面，应再加大一级导线截面，所增加的费用为M，由于节约能耗而减少的年运行费用为m，则M/m为回收年限，若回收年限为几个月或一、二年，则应加大一级导线截面。一般而言，导线截面小于70mm2，线路长度超过100m的增加一级导线截面比较容易实现上述条件。其次，利用某些季节性负荷的线路，这些用户不用时，可提供给常期用户作供电线路使用，以减少线路和电阻。例如，将空调风机、风机盘管与照明、电开水等计费相同的负荷，集中在一起，采用同一干线供电，既可便于用一个火警命令切除非消防用电，又可在春秋两季空调不用时，使同样大的干线截面传输较小的电流，从而减小了线路损耗，这就相当于充分利用了季节负荷的线路。
　　另外，我国铜矿资源较少，而铝矿资源比较丰富。国内配电导体所采用的铜主要依靠进口，在国际铜价持续高涨的形势下，如果设计人员只用铜导体而不用铝导体，全国将在导体材料上有更大的耗费，也必然多耗费能源，不利于我国的资源开发利用。节能设计不是为了追求单一化的节能目标，而是必须要考虑能源与资源之间的关系，提高全国大范围的社会系统效率。现在不是简单地重提“以铝代铜”的政策，而是要强调在设计中科学地使用导体材料，该用铜时就用铜、该用铝时就用铝，倡导“以铝节铜”。这样的应用方式符合我国具体的国情，符合建设节约型社会的发展方向，对在全国范围内相关联的产业结构健康持续发展和长期节能有很大好处。
　　2 建筑电气设备的节能控制
　　建筑电气设备的节能控制主要包括：(1) 空调系统。其主要内容包括： ①冷冻水与冷却水系统的优化控制; ②冰蓄冷系统的优化控制，现行的冰蓄冷控制技术还很不成熟，冰蓄冷控制策略仍需作深入研究，尤其是在蓄冰装置优先方式下的融冰策略的研究，对于提高冰蓄冷系统的能源利用效率，促进冰蓄冷技术的商业化应用具有决定性的意义; ③热交换系统温差与流量的优化控制; ④变风量系统等控制技术。(2) 给排水系统的优化控制。 (3) 电梯，包括电梯的合理选型(如速度、载重量、调速方式等) 、停层计划及群控策略。(4) 电动门窗，包括门窗的节能控制、遮阳系统的自动控制等。
　　变频技术在水泵、风机等系统中的应用越来越广泛。它根据系统的运行情况，实时调整系统的运行参数，使系统达到最佳运行状态，并最终达到节能的目的。它的缺点是给系统带来了谐波污染。
　　3 动力设备的节能控制
　　作为动力源的电动机，从家用电器到民用建筑内部以及各行各业中均用得比较普遍，其耗电量极大。减少电动机电能损耗的主要途径是提高电动机的效率和功率因数，主要可以从以下几个方面着手：
　　1) 采用高效率电动机。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途径。与普通电动机相比，高效电动机的效率要高3%～6%，平均功率因数高7～9%，总损耗减少20%～30%，因而具有较好的节电效果。所以在设计和技术改造中，应选用Y、YZ、YZR等新系列高效率电动机，以节省电能。另一方面要看到，高效电机价格比普通电机要高20%～30%，故采用时要考虑资金回收期，即能在短期内靠节电费用收回多付的设备费用。一般符合下列条件时可选用高效电机：
　　(1)负载率在0.6以上;
　　(2)每年连续运行时间在3 000h以上;
　　(3)电机运行时无频繁启、制动(最好是轻载启动，如风机、水泵类负载);
　　(4)单机容量较大。
　　2) 根据负荷特性合理地选择电动机容量。首先要了解负荷的特性，然后根据电机的工作环境及负载特点选用合适的电动机，避免“大马拉小车”的现象出现，以提高电动机运行的效率和功率因数。
　　3) 轻载电动机采取降压运行，对经常处于轻负荷运行的电动机，应采用三角-星切换装置。当负荷系数低于0.13时，将三角形接法的电动机改为星形接法，可以达到良好的节电效果。对于经常轻载(负载率小于0.14)的生产机械，也可采用具有启动功能的轻载节电器，以达到“轻载降压运行节点”的目的。条件允许时，可采用比变频器价格便宜的另一种节能措施是采用软起动器。软启动器设备是按启动时间逐步调节可控硅的导通角，以控制电压的变化。由于电压可连续调节，因此起动平稳，起动完毕，则全压投入运行。软启动器也可采用测速反馈、电压负反馈或电流正反馈，利用反馈信息控制可控硅导通角，以达到转速随负载的变化而变化。
　　软启动器通常用在电机容量较大、且又频繁启动的水泵设备以及附近用电设备对电压的稳定要求较高的场合。因为它从启动到运行，其电流变化不超过三倍，可保证电网电压的波动在所要求的范围内。但由于它是采用可控硅调压，正弦波未导通部分的电能全部消耗在可控硅上，不会返回电网。因此，它要求散热条件较好、通风措施完善。
　　4) 改进控制方式，提高运行效率。对需要根据负荷变化调节的设备采用调速电机，是节电的有效方法。交流电动机调速分为变极调速、变频调速和变转差率调速三种方式，节电效果以变频调速最为明显。在水泵、风机、压缩机、电梯等机械上应用变频器不但可以节约大量电能，还可以提高控制质量，是实现机电一体化的重要手段。
　　4 结束语
　　我国加入WTO 后，在建筑电气节能设计领域中面临着新的挑战，因为国外的设计公司在设计过程中十分重视节能和环保，如果我们在设计过程中不重视节能，就有可能被淘汰出局。而节能工作牵涉的方面又十分广泛，从发电厂开始到线路末端的用户都应该高效地使用电能以减少损失。对于设计者而言，就是要正确的确定供电方案、合理的选用电器设备(变压器，电动机，电缆，照明光源等)，为人类提供健康、舒适、安全的居住、工作和生活空间的同时，又能行之有效地节约能源。