摘要：從變壓器的選擇、線路的選取和布局以及功率因數(shù)的提高三個方面詳細(xì)論述了電氣節(jié)能設(shè)計(jì)的技術(shù)措施，分析了這些技術(shù)措施的原理和效果。變壓器節(jié)能主要在于降低其空載損耗和有載損耗；線路節(jié)能在于減小電導(dǎo)率、增大截面積以及減少線路長度；功率因數(shù)的提高包括提高自然功率因數(shù)和通過無功補(bǔ)償設(shè)備提高功率因數(shù)。在實(shí)際工程應(yīng)用方面，討論了提高照明負(fù)荷、電動機(jī)負(fù)荷的用電效率并節(jié)省開支的措施。

關(guān)鍵詞：電氣節(jié)能；變壓器選擇；功率因數(shù)；工程應(yīng)用；損耗

作者簡介：邊云滿（1972-），男，遼寧臺安人，中鐵十六局集團(tuán)有限公司企業(yè)管理部，工程師。（北京#8194;100018）

中圖分類號：TM92#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文章編號：1007-0079（2012）15-0147-02

從日本京都到印尼巴厘島，從丹麥的哥本哈根到南非德班，國際社會正在節(jié)能減排的道路上艱難前行。[1，2]作為一個負(fù)責(zé)任的大國，加強(qiáng)節(jié)能減排也一直是我國在社會建設(shè)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展中不斷努力的方向?？茖W(xué)發(fā)展觀強(qiáng)調(diào)要堅(jiān)持以人為本，樹立全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)的發(fā)展觀，并指出要統(tǒng)籌人與自然和諧發(fā)展。因此，節(jié)能也是全面貫徹落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀的必然要求。當(dāng)前，國家經(jīng)濟(jì)正處在從粗放型的發(fā)展方式向集約型發(fā)展方式轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵階段。電力行業(yè)作為能源領(lǐng)域的重要行業(yè)，與國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展息息相關(guān)，而電能又是最為重要的二次能源，因此電氣節(jié)能是轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的重要環(huán)節(jié)，同時也是電力從業(yè)人員，特別是相關(guān)設(shè)計(jì)人員關(guān)注和研究的重點(diǎn)。

電氣設(shè)計(jì)人員處在電氣節(jié)能的首要環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)方案合理與否直接關(guān)系到節(jié)能的效果，這就要求電氣設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)進(jìn)行方案比較，從可靠性、經(jīng)濟(jì)性及節(jié)能等方面進(jìn)行綜合考慮。不能以犧牲建筑物功能為代價，也不能盲目花費(fèi)資金，而應(yīng)該在可接受范圍之內(nèi)，采取合理的設(shè)計(jì)，做到能源節(jié)約與資金節(jié)約的統(tǒng)一。

在電氣設(shè)計(jì)領(lǐng)域，節(jié)能技術(shù)主要包括以下幾個方面：變壓器的合理選擇、線路的選取和布局以及功率因數(shù)的提高。

一、變壓器的選擇

所謂變壓器的合理選擇，就是要選擇有功功率損耗低、運(yùn)行效率高的變壓器。變壓器的有功損耗可用下式表示：

（1）

式中為變壓器有功損耗，為變壓器空載損耗，為變壓器有載損耗，為變壓器負(fù)載率。

空載損耗即為通常所說的鐵損，主要由變壓器鐵芯的渦流和漏磁通產(chǎn)生，其大小可表示為[3]：

（2）

其中，為工藝系數(shù)，為單位損耗，為硅鋼片質(zhì)量。

由式（2）可見，的大小取決于鐵芯的制造工藝和硅鋼片的性能，而與變壓器負(fù)荷無關(guān)。在選擇變壓器時可以優(yōu)先選擇材料優(yōu)質(zhì)、制造工藝先進(jìn)的變壓器，如SL7、S9等型號的新型節(jié)能變壓器，從而獲得較低的鐵損。這類變壓器使用導(dǎo)磁效果好的冷軋晶粒硅鋼，并采取“取向”工藝，使得硅鋼片的磁場方向幾乎一致，從而減少渦流損耗，同時變壓器連接縫處密封性良好，使得漏磁損耗減少。表1為幾種新型變壓器在不同容量下額定時的空載損耗（單位瓦）對比。

變壓器有載損耗即通常所說的銅耗，其大小等于變壓器電流流過繞組時所消耗功率。應(yīng)盡量選擇銅芯電阻值較小的變壓器。

負(fù)載率的選取則需要考慮多方面的因素。取值低雖然有益于減少功率損耗，但低負(fù)載率必然要求變壓器容量較大，從而增加購置變壓器的費(fèi)用。此外，變壓器容量的加大，又使得出線開關(guān)、母聯(lián)開關(guān)容量增大，從而進(jìn)一步加大購置費(fèi)用。若取值過高，一方面會增大功率損耗，另一方面變壓器長時間高負(fù)載運(yùn)行也必將縮短其使用壽命。綜合考慮，的取值范圍應(yīng)在75%-85%之間。

另外，當(dāng)容量較大需要多臺變壓器時，在合理分配負(fù)荷的前提下，應(yīng)該盡量選擇容量較大的變壓器，減少變壓器臺數(shù)。從表1可以清楚地看到，2臺100kVA的S9變壓器在額定狀態(tài)下的空載損耗為580W，而選用一臺同型號容量為200kVA時，其空載損耗為480W，顯然減少臺數(shù)可以降低損耗。

二、線路的選取和布局

就普通工程而言，干線、支線的長度總和可達(dá)上萬米，因此在線路上產(chǎn)生的有功損耗也是相當(dāng)大的。顯然，線路上的有功損耗與線路的總電阻成正比，而可表示為：

（3）

為導(dǎo)線的電阻率，為線路總長度，為導(dǎo)線截面積。

由（3）式可知，通過選取電阻率低、截面積大的導(dǎo)線，減少線路總長度可降低線路總電阻，從而減少在線路上損失的功率。

銅的電阻率較低，鋁次之。然而銅的價格比鋁要高，因此要遵循節(jié)約用銅的原則，在負(fù)荷較大時采用銅線，負(fù)荷較小時采用鋁線。

對于較長的線路，在滿足動熱穩(wěn)定、保護(hù)配合等條件的情況下，可以考慮將線纜面積再加大一級。令加大線纜面積需花費(fèi)的費(fèi)用為M，因此降低損耗所減少的費(fèi)用為N，則M/N即為回收年限。當(dāng)回收年限在可接受的范圍之內(nèi)時，即可增加線纜面積。此外，還可以根據(jù)負(fù)荷的季節(jié)性，將大功率的空調(diào)、風(fēng)機(jī)等負(fù)荷和普通照明負(fù)荷公用一條線路，這樣在不使用空調(diào)的春、秋兩季，以較大截面積的導(dǎo)線傳輸電流較小的負(fù)荷，從而有效減小了線路上的損耗。

在減少線路長度方面，應(yīng)該遵循以下三點(diǎn)原則：首先，變電所應(yīng)盡量接近負(fù)荷中心，從而減少線路長度，降低線損。一般情況下，低壓線路的供電半徑不得超過200m。對于單層面積超過10000m2的建筑物而言，應(yīng)該設(shè)兩個及以上的變電所，以減少線路長度。其次，在高層建筑中，低壓配電室應(yīng)靠近強(qiáng)電豎井，而且由低壓配電室提供給每個豎井的干線，要避免“支線沿著干線倒送電能”的現(xiàn)象發(fā)生，盡可能減少回頭輸送電能的支線。[4]第三，線路應(yīng)盡量直走，盡量避免走回頭路，以減少總長度。

在實(shí)際的設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用中，只要遵循以上幾個原則，就可有效減少線路上的有功損耗，達(dá)到線路節(jié)能的目的。

三、功率因數(shù)的提高

三相輸電線路的功率損耗為：

（4）

即為三相輸電線路的有功功率損耗；P為輸電線路的三相有功功率，kW；U為線路的線電壓，kW；R為線路每相的電阻；為線路所連接負(fù)荷的功率因數(shù)。

由式（4）可知，在其他參數(shù)不變的情況下，增大可以減少線路上的功率損耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。令改善前的負(fù)荷功率因數(shù)為，改善后功率因數(shù)提高至，則減少的功率損耗為：

（5）

提高負(fù)荷的功率因數(shù)，可降低負(fù)荷電流，相當(dāng)于提升了供配電設(shè)備的供電能力。此外，當(dāng)變壓器二次側(cè)的功率因數(shù)提高時，總的負(fù)荷電流將減少，從而使得變壓器銅耗降低。提高功率因數(shù)的措施主要包括以下兩個方面：

第一，減少設(shè)備消耗的無功功率，提高自然功率因數(shù)。以往使用的直流設(shè)備如變流機(jī)組、汞弧整流器等往往耗費(fèi)大量無功，而使用新型的硅整流或晶閘管整流裝置則可以減少無功消耗。電機(jī)在空載運(yùn)行時同樣會吸收大量無功，因此有必要限制電機(jī)的空載運(yùn)行。對空載率大于50%的電動機(jī)和電焊機(jī)，可安裝空載斷電裝置；對大、中型連續(xù)運(yùn)行的膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)，可采用空載自?？刂蒲b置；對大型非連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的風(fēng)機(jī)、泵類籠型異步電動機(jī)，宜采用電動調(diào)節(jié)風(fēng)量、流量的自動控制方式，以節(jié)省電能。在容量相等的情況下，同步電動機(jī)的功率因數(shù)比異步電動機(jī)要高，因此條件允許時可考慮用同步機(jī)替代異步機(jī)或者異步機(jī)同步化運(yùn)行。

第二，采用無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行補(bǔ)償。供電部門規(guī)定高壓供電的用戶和高壓供電裝有帶負(fù)荷調(diào)整電壓裝置的電力用戶，其功率因數(shù)在電網(wǎng)負(fù)荷高峰時不得低于0.9，因此當(dāng)自然功率因數(shù)無法滿足要求時，就需要借助補(bǔ)償設(shè)備來提高功率因數(shù)。主要的補(bǔ)償設(shè)備是電容器。對于運(yùn)行在以下條件的電動機(jī)應(yīng)采用無功補(bǔ)償：高負(fù)載率變壓器供電的電動機(jī)、供電距離超過200m且連續(xù)運(yùn)行的電動機(jī)、較長時間處在輕載或空載的電動機(jī)等。

四、節(jié)能設(shè)計(jì)的工程應(yīng)用

居民負(fù)荷中的照明用電、工業(yè)負(fù)荷中的電動機(jī)用電占電力負(fù)荷的絕大部分，因此在實(shí)際的工程運(yùn)用中，對照明負(fù)荷和電動機(jī)負(fù)荷的節(jié)能至關(guān)重要。

1.照明負(fù)荷的節(jié)能

照明用電是居民用電負(fù)荷中的主要部分，因而其節(jié)能潛力頗大。對于照明負(fù)荷的節(jié)能，其應(yīng)用原則有以下幾點(diǎn)：

（1）對于不同的工作場所，選取不同的高效光源。對普通室內(nèi)的照明，應(yīng)避免使用白熾燈，可采用小功率高壓鈉燈或熒光燈作為光源，如U型節(jié)能熒光燈、T5細(xì)管。若燈具開合頻繁或有其他特殊需要時，可使用雙螺旋（雙絞絲）白熾燈。

對室內(nèi)空間較大場所以及室外場所（如室內(nèi)運(yùn)動館、公路）的照明，應(yīng)選用高光強(qiáng)氣體放電燈，如高壓鈉燈、金屬鹵化物燈等。

以上所說的氣體放電等和熒光燈都須安裝補(bǔ)償電容器，且氣體放電燈使用的鎮(zhèn)流器耗能應(yīng)盡量低。

（2）安裝高效率的燈具。高效燈具應(yīng)該滿足反透射系數(shù)高、控光合理、配光穩(wěn)定、直射光通比例高的條件。選用這樣的燈具，價格上雖比普通燈具高，在照明需求較大時，其節(jié)能效果也是明顯的。此外，選用非對稱光分布、由變質(zhì)速度緩慢材料制成的燈具，也能起到提高照明效能、減少光線衰減的作用。

（3）完善照明的控制管理。充分利用自然光，根據(jù)自然光的強(qiáng)度變化，對燈具開停進(jìn)行分組分片控制?？蛇m當(dāng)多設(shè)照明開關(guān)點(diǎn)，減少單個開關(guān)控制燈的數(shù)量，從而更合理地控制燈具的開閉。

對于面積較大場所的照明，采取分區(qū)控制方式，使得增照明回路分支的控制靈活性加強(qiáng)，避免打開不需使用的燈，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

必要時，應(yīng)盡量采用電氣控制裝置，如定時開關(guān)、調(diào)光器、節(jié)電開關(guān)。在公共場所，照明方式可采取集中控制的形式，并安裝帶延時的光電自動控制裝置。

室外照明系統(tǒng)要避免白天亮燈，因此宜采用光電控制開關(guān)代替普通開關(guān)。在設(shè)備停用時，若依然保持電源接通狀態(tài)，則會產(chǎn)生空載損耗，因此可在插座面板上設(shè)置翹板開關(guān)控制，方便設(shè)備不使用時切斷插座電源。

2.電動機(jī)負(fù)荷的節(jié)能

電動機(jī)負(fù)荷是工業(yè)用電的主要負(fù)荷，提高電動機(jī)的功率因數(shù)和效率，可以有效減少其功率損耗。高效電動機(jī)，如Y、YZ和YZR等新系列電動機(jī)，其效率往往比普通電動機(jī)的效率要高5%左右，平均功率因數(shù)高8%左右，總損耗低25%左右，因而其節(jié)能效果良好。當(dāng)然，新型電動機(jī)的價格也高于普通電動機(jī)，故采用此類電動機(jī)時，還應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)因素，即需節(jié)能產(chǎn)生的效益在可接受的時間內(nèi)能夠彌補(bǔ)選用新型設(shè)備而增加的經(jīng)費(fèi)。一般當(dāng)負(fù)載率高于0.6、電動機(jī)年持續(xù)運(yùn)行時間超過3000小時以及電機(jī)單機(jī)容量較大時，選用新型電動機(jī)可以滿足經(jīng)濟(jì)要求。

電力電子技術(shù)的發(fā)展，使變頻器在電動機(jī)的調(diào)速中得以廣泛應(yīng)用。對于采用變頻調(diào)速裝置的電動機(jī)，當(dāng)負(fù)載下降時，調(diào)速裝置可自動調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速，從而與負(fù)載的變化相適應(yīng)，提高了電動機(jī)在輕載時的效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

當(dāng)選用變頻器不滿足經(jīng)濟(jì)要求時，則可考慮對電動機(jī)進(jìn)行軟起動。軟起動的原理是按起動時間逐步調(diào)節(jié)晶閘管的導(dǎo)通角，從而實(shí)現(xiàn)對電壓變化的控制。由于電壓的變化是連續(xù)的，因此可以平穩(wěn)啟動。起動結(jié)束后，則以額定電壓運(yùn)行。軟起動器主要用于頻繁起動且容量較大的電機(jī)設(shè)備中，如水泵。此外，當(dāng)附近用電設(shè)備對電壓穩(wěn)定要求較高時，也可考慮使用軟起動器。

五、結(jié)束語

綜上所述，電氣節(jié)能涵蓋在電氣設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用中的各個方面。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時，應(yīng)該對各種可行的技術(shù)措施進(jìn)行評估、比較，得出最優(yōu)方案。同時還應(yīng)及掌握市場動態(tài)，了解新產(chǎn)品的性能、原理、效果以及價格，從而從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等角度進(jìn)行比較，真正實(shí)現(xiàn)節(jié)能、經(jīng)濟(jì)的目的。

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（責(zé)任編輯：劉輝）