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摘要：供配电的能源损耗已成为危及社会可持续发展的一个重大问题，所以供配电节能设计是当前一项极为紧迫的任务。文章论述了电气工程中节能设计的问题，提出了选择合适的低压电器、变配电、供配电等方面的节能设计措施与方法。
关键词：节能；损耗；功率因数；LED；变频；谐波
引 言
随着各行各业的快速发展，能源消耗在我国的问题日益严重，能源的过度损耗已经对生态环境造成极大的影响，不仅仅在国内，在全球范围内都受到了广泛的关注。电力能源是社会经济发展中重要的支柱产业，在市场经济的快速发展下，对于电力能源的需求越来越高，已经出现了供不应求的情况。设计人员在进行供配电系统的设计中，应该注重节能方法的应用，从多方面的角度入手，加强电力能源的利用率，降低过程中的能源损耗。在电力系统中，供配电系统是一个系统的工程建设，主要包含线路、照明、电气等几个方面，必须要做到各环节的节能效果，这样才能充分发挥供配电节能的实际效益，通过合理的运用节能设计方法、措施，多方面的综合考虑，响应我国节能降耗的发展策略，促进电力行业的健康发展。
1减少线供电路损耗
供电线路上的功率损耗可由下式表示：ΔP=3I2R·10-3 （1）
式中：ΔP 为三相输电线路的功率损耗，kW；I 为相电流，A；R为线路相电阻，Ω。
减小损耗可通过降低线路阻值和减小线路电流来实现，线路越长，则阻值越大。为了减小线路上的损耗，首先应合理选择变配电所的位置，应设置在企业的用电负荷中心位置，并应选择合理的供电路径，做到大功率用电设备的供电线路尽量缩短；其次，选择合理的供电电压，供电线路的损耗与线路电流的平方成正比，线路电流 I=U/R，当用电负荷较大时（0.4kV供电距离不宜超过 200m，当容量大于 500kW，宜考虑采用 10kV 供电），宜采用高压供电。合理选择供电电缆材质和截面也很重要，电缆材质尽量选择低电阻率的铜芯或合金电缆，少用铝芯电缆，另外，在满足电缆载流量的前提下，可按照经济电流选择电缆截面。
2 提高功率因数
有功功率 P 与视在功率 S 的比值，称为功率因数 cosφ，其计算公式为：cosφ=P/S=P（/P2+Q2）1/2，其中，Q 为无功功率。功率因数是衡量电气设备效率高低的一个系数。功率因数低，说明电路用于交变磁场转换的无功功率大，从而降低了设备的利用率，增加了线路供电损耗。采取无功补偿的措施，来提高功率因数，以减少供电线路损耗。具体设计中有就地补偿和集中补偿两种措施，需要根据具体情况，结合起来设计。现在通用的补偿方式为电容器补偿，电容器可产生超前无功电流抵消用电设备的滞后无功电流从而达到提高功率因数同时又减少整体无功电流。
补偿容量可按式（2）进行计算：
Q=P（tanφ1- tanφ2） （2）
式中，Q 为需要补偿的无功容量；P 为有功计算负荷，kW；tanφ1、tanφ2
为补偿前、后计算负荷功率因数角的正切值。
随着科技的发展，静止无功发生器（SVG）也越来越多应用于供电系统中，它具备可控电流源的作用，能够像发电机一样，向配电系统发出容性或感性电流，并能实现联系调节无功电流的大小，产生与系统无功电流大小相等方向相反的无功电流，实现无功功率的精细化补偿，亦能够避免过补偿和欠补偿。
3 变压器的节能
变压器的损耗主要有空载损耗和负载损耗两大部分，其有功损耗按式（3）计算：
ΔP=P0+β2Pk （3）
中，ΔP 为变压有功损耗，kW；P0为变压空载损耗，kW；Pk为变压器短路损耗，kW；β 为变压器的负载率。变压器的空载损耗一般占变压器总损耗的 20%~30%。空载损耗不随负载变化而变化。
P0=KCPCGC （4）
式中，K为工艺系数；PC为铁磁材料的单位损耗，W/kg；GC为铁芯质量，kg。
由式（4）可知，如果要降低变压器的空载损耗，必须采用优质硅钢以降低PC、GC。
采用先进工艺制造的变压器，以降低工艺系数 KC。在选择电力变压器时，可以选择优质冷轧硅钢牌子和选择工艺制造的节能变压器。
近些年，新型的非晶合金变压器也逐步在一些配电系统中应有。优质的非分晶合金材料铁损为 0.1W/kg，而优质的取向硅钢片的铁损为 0.87W/kg。由于优质的非晶合金材料铁损大大降低，所以非晶合金变压器的空载损耗比同容量硅钢片配电变压器降低 60%，但是由于价格偏高，并未在供配电系统中普遍使用。
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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＝0.5~0.6 时，变压器的能耗最小。但是在供配电设计时，要考虑负荷的波动、变压器的初装费、供电部门收取的容量费、增加变压器的费用等综合因素，一般设计中变压器的负载率按照 75%~85%为最经济合理。
4 选择合适的电动机
降低电动机的电量损耗，关键措施是增强电机的功率因数与工作效率。在工业生产过程中，异步电动机是电力系统中最常用的电动机，在系统运行过程中，异步电动机的工作效率与因数是主要的经济评价指标，并且二者联系密切。异步电动机在完善功率因数的同时提高了电动机功率。除此以外，在整个电力系统中异步电动机自身的无功功率约占其中的65%。如果异步电动机出现空载或者轻载的情况，系统会降低功率因数，电机空载时其功率因数接近于0.2；在电机功率满载的情况下，其功率的因数提高到0.9。因此，在设计过程中选择合理的异步电机的容量，在容量固定的前提下，应尽量满载运行。通常情况下，进行异步电机的功率因数与额定功率计算时，系统的负荷系数取值0.75～ 1，而电机输出的额定功率应取负荷功率的1.1 倍。在实际电力系统中，电机通常配套专业设备，并由有关部门统一配发。因此，供配电的节能设计在系统运行的过程中进行，一方面通过接地补偿电容器来要降低电量损耗；另一方面，设置调速变频设备来控制电机运转速度，通过调节转速适应系统的负载变化，来增加电机轻载时的工作效率，实现减少电动机的运行空载和轻载，达到电能节约的目的。
5 选择合适的低压电器
在电力工程中，低压电器是系统中使用较多的基础元件，就低压电器单体来分析，其电能的消耗很低，总体的消耗量较大，因此在电力系统供配电设计中应选择可靠、有效、成熟的低压节能的电器。
6 改善电力系统功率因数
提高电力系统的功率因数，能够降低电网功率的损耗，实现电力节能。在电力系统中，部分用电设备如变压器、灯具、电动机具有一定的电感性，从而出现了滞后电流。滞后电流
通过系统的高变压线路输送到用电设备终端，整个传输过程中增加了系统线路电量损耗，然而通过以下途径是能够降低避免电量损耗的。
1）降低用电无功设备的损耗。在电力系统配供电节能设计中，优先选择较高功率因数的用电设备，如果用电设备存在一定的电感性，应当设置用电补偿电容器。
2）设置静电电容器，补偿电能损耗。在电力系统中设置静电电容器能够出现无功电流，从而能够补偿用电设备因滞后电流产生的损耗，最终增加了功率因数。在供配电节能设计过程中可采用集中高压补偿和成组低压补偿、分散低压补偿等方式，根据实际情况选择合适的补偿方式。
7 风机水泵的节电
在工程设计中，尽量选用高效率的电动机，但是选取电动机通常由工艺、给排水、暖通、冷冻等专业完成，供配电节能需考虑具体的运行工况来采用相应的措施。当运行为两种固定工况的情况下，通常选择双速电机，根据运行工况的反馈来实现电机高速与低速切换实现节能。当运行过程中负载是变化的，则一般是采用变频调速来实现电动机输出与负载变化相适应来达到节能的效果。实际应用中，风机、水泵的变频调速，往往需要与自控设计相结合，通过装设压力、温度等传感器，并通过信号实时反馈设备的运行工况，来自动调节电机的旋转速度。
8 谐波治理
随着节能要求的提高，工业企业里电动机的变频调速设备越来越多，在节能的同时，变频器调速设备也会产生大量的谐波，还有荧光灯具的电子镇流器、UPS、整流器等非线性负载。大量的谐波会降低电动机和变压器的效率，也会增加线路传输中的损耗，另外，对设备及线路的绝缘和信号的传输都有影响。为避免大量的谐波对电网造成的危害和功率损耗，设计中通常采用无源滤波和有源滤波的方式。无源滤波主要是采用补偿电容串电抗的方法，但是在实际工程中的测试结果，对谐波的吸收效果并不理想。现在设计中主要采用有源滤波装置（APF），它是实时检测电网由非线性负载产生的电流波形，通过 IGBT 元件动态生成反向谐波，用以补偿负载谐波电流，具有响应速度快，滤波范围广，不受系统参数影响的特点。在实际应用中，谐波电流的计算通常按照变频调速电机、带镇流器的照明设备、UPS 额定工作电流的 30%来选取 APF 的容量。
9 结束语
综上所述，供配电系统在电力系统中有着重要的地位，对于电力的传输服务有着关键作用，在传输的过程中很容易受到各种因素的影响，而造成电力系统的输送质量，给社会经济建设和生产带来影响。主要的发生原因在于线损的产生，严重的线损不仅造成能源的过度消耗，还对企业的经济效益产生影响，所以，电力企业应该提高对供配电节能设计的发展，从各方面入手，最大限度的降低线损的产生，降低能源消耗，积极地采取措施手段，确保电力系统的顺利开展。
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论文作者:唐思敏
论文发表刊物:《基层建设》2018年第15期
论文发表时间:2018/7/23
标签：功率因数论文; 电流论文; 变压器论文; 节能论文; 功率论文; 线路论文; 谐波论文; 《基层建设》2018年第15期论文;