李樹庭 / 陳 勇(中南建筑設(shè)計院股份有限公司， 湖北 武漢 430071)

1 概述

1.1 節(jié)能與全生命周期節(jié)能

對配電系統(tǒng)來說，節(jié)能就是在保證配電系統(tǒng)的功能性要求、滿足用電需求的情況下，使能源的消耗下降。

按配電系統(tǒng)節(jié)能考慮范圍的不同，可以分為狹義節(jié)能和廣義節(jié)能。

1)狹義節(jié)能

狹義節(jié)能是指直接看得見的節(jié)能，或者說是有形的節(jié)能。對配電系統(tǒng)來說，就是節(jié)約電能，使配電系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)配電、輸電損耗減小。此部分可以直接用能源消耗量(如多少度電)來統(tǒng)計或計量。

2)廣義節(jié)能

廣義節(jié)能是指完全的節(jié)能，它既包括直接的看得見的節(jié)能，又包括間接的看不見的節(jié)能。對于配電系統(tǒng)來說，這種完全的節(jié)能更加重要。這里無形的能源消耗，很難簡單地用能源消耗量來統(tǒng)計或計量，而且是在系統(tǒng)全生命周期范圍內(nèi)的節(jié)能。

配電系統(tǒng)的廣義節(jié)能措施主要為:

(1)提高能源系統(tǒng)效率(減少變配電及線路損耗)；

(2)合理節(jié)省物資消耗(合理選擇電纜、導(dǎo)線、母線等導(dǎo)體材料的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)形式和截面，降低電能損耗，降低資源消耗量，降低碳排放量；合理選用配電形式，減少配電環(huán)節(jié)。設(shè)計選擇的各類設(shè)備材料均要具有合理的利用效率、物盡其用)；

(3)節(jié)約不必要的勞務(wù)量(降低配電系統(tǒng)安裝和維護(hù)的人力消耗、提高系統(tǒng)自動化水平)；

(4)節(jié)約資金占用量(提高配電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、降低運(yùn)營成本)。

3)配電線路節(jié)能的常規(guī)方式

配電系統(tǒng)線路節(jié)能是在設(shè)計中較為重要的方面，這個部分可以簡單的用電能消耗來計算?？赏ㄟ^優(yōu)化導(dǎo)體種類、減少輸電線路長度以及加大導(dǎo)線截面的方法達(dá)到節(jié)能的目的。具體來說就是選擇電導(dǎo)率高、成本低的導(dǎo)體，并優(yōu)化變配電所選址，對供電距離長的負(fù)荷，在滿足線路供電安全、電壓降和動熱穩(wěn)定等要求的前提下，適當(dāng)選用截面較大的導(dǎo)線(如經(jīng)濟(jì)電流法)，減少線路損耗。

4)節(jié)材的意義

由于配電系統(tǒng)所用的設(shè)備、材料在開采、冶煉、加工和運(yùn)輸?shù)鹊囊幌盗协h(huán)節(jié)中都需消耗一定的能量而獲得，所以在設(shè)計中節(jié)材也相當(dāng)于節(jié)能。

配電系統(tǒng)節(jié)材主要通過減少配電導(dǎo)體消耗、減少橋架和支架等電纜構(gòu)筑物消耗、減少配電設(shè)備消耗等方式進(jìn)行。下面列出電纜銅導(dǎo)體、橋架鋼材及電力折標(biāo)煤情況，供設(shè)計參考。

(1)電纜銅導(dǎo)體生產(chǎn)能耗情況

銅生產(chǎn)包括采礦、選礦和冶煉三個階段。我國生產(chǎn)1t銅采礦平均能耗為763kg標(biāo)煤，選礦平均能耗為2 038kg標(biāo)煤，冶煉平均綜合能耗為780kg標(biāo)煤《銅冶煉企業(yè)單位產(chǎn)品能源消耗限額》(GB 21248-2007)要求為950kg標(biāo)準(zhǔn)煤)平均總能耗為3 581kg標(biāo)準(zhǔn)煤。

對電纜導(dǎo)體來說，其每米導(dǎo)體含銅量G為：

S：導(dǎo)體截面積

ρ：導(dǎo)體材料比重(銅為8.89 g/cm3)

如YJV-0.6/1KV -3×185+2×95電 纜， 可估算其每米耗銅量為5.785kg，相應(yīng)其內(nèi)每米銅材冶煉能耗為4.51kg標(biāo)準(zhǔn)煤，每米銅材冶煉總能耗為20.72kg標(biāo)準(zhǔn)煤。

(2)橋架鋼材生產(chǎn)能耗情況

我國2013年上半年全國重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)每噸鋼材冶煉綜合能耗為594.29kg標(biāo)煤，而每噸鐵礦采礦、選礦工序單位能耗合計共約20kg標(biāo)準(zhǔn)煤。平均總能耗約614kg標(biāo)準(zhǔn)煤。

如鋼制電纜槽式橋架800×150，其板厚按2mm計算，每米展開面積約為1.2m2，其密度為7.85 g/cm3，則可估算其每米耗鋼量約為18.84kg。相應(yīng)其內(nèi)每米鋼材總能耗為11.57kg標(biāo)準(zhǔn)煤。

(3)電能折標(biāo)準(zhǔn)煤

電能折標(biāo)準(zhǔn)煤為每度電(電能當(dāng)量值)折0.1229kg標(biāo)準(zhǔn)煤，考慮到熱電發(fā)電效率，我國供電煤耗一般按每度電折0.366kg標(biāo)準(zhǔn)煤。

按需要系數(shù)取0.7，圖1、圖2為典型辦公場所負(fù)荷曲線。辦公建筑的負(fù)荷特點(diǎn)為電氣工作日為周一～周五，工作時間是早8:00～晚5:30，每年工作日按251日計。依圖1和圖2得，工作日折算最大負(fù)荷利用小時為6.59h，非工作日折算最大負(fù)荷利用小時為2.34h，其年最大負(fù)荷利用小時依曲線計算為1 538h，年最大負(fù)荷損耗小時按τ=800h計算。

計算兩例30年運(yùn)行周期內(nèi)的電纜(YJV-1kV)截面選擇和30年線路電能損耗，結(jié)果如表1所示。

圖1 典型辦公場所休息日負(fù)載率曲線

圖2 典型辦公場所工作日負(fù)載率曲線

從表1中估算結(jié)果可知，配電線路導(dǎo)體截面越大，初始投資越多，對應(yīng)的長期運(yùn)行電能損耗越大，在工程設(shè)計中，配電線數(shù)量多、線路長，電纜導(dǎo)體的初始投資及損耗均相當(dāng)可觀，因此，減少導(dǎo)線長度和用量，降低材料消耗十分必要。

從表1中計算可知，從使總費(fèi)用最小的角度上來看，為了使初始投資與運(yùn)行費(fèi)用(電能損耗)之和最小。需選擇適當(dāng)?shù)膶?dǎo)體截面，合理降低材料的使用量，同時降低費(fèi)用投資，提高了經(jīng)濟(jì)效益，也更利于節(jié)能。

1.2 配電系統(tǒng)的耗能與節(jié)能

1)配電損耗占配電總電能消耗的比例

輸配電損耗包括供電源與配電點(diǎn)之間輸送電力以及向消費(fèi)者配送電力過程中產(chǎn)生的損耗。依據(jù)國際能源機(jī)構(gòu)(IEA)《非經(jīng)合組織國家能源統(tǒng)計與平衡》、《經(jīng)合組織國家能源統(tǒng)計數(shù)據(jù)》和聯(lián)合國《能源統(tǒng)計年鑒》相關(guān)資料，我國配電損耗占電能消耗的比例見圖3所示。

由圖3可知，2011年我國配電損耗占配電總能耗的比例略低于6%，相應(yīng)此數(shù)值日本及美國為5%，德國為4%。

由于上述配電損耗數(shù)值包含電網(wǎng)損耗及末端配電損耗，而由于配電變壓器的損耗在配電損耗中占了相當(dāng)大的比重，(約占配電總損耗的50%～70%)，因此選擇高效率、低損耗的變壓器對降低配件損耗是十分重要的，而低壓配電傳輸部分的損耗占總損耗的比例占消耗電能的比例一般不大于3%，占比較小。

表1 30年運(yùn)行周期內(nèi)的電纜(YJV-1kV)截面選擇和30年線路電能損耗表

圖3 我國配電損耗占配電總能耗的比例

例如某辦公樓建筑面積約3.9萬m2，其年電能實際能耗統(tǒng)計為500萬kWh，其每年配電損耗按3%粗略估算為15萬kWh，低壓配電傳輸部分每年損耗則為7.5萬kWh。

某鐵路站房建筑面積約6萬m2，其設(shè)備安裝功率為4 200kW，按年工作時間5 110h，需要系數(shù)取0.6，則其年耗能估算為1 288萬m2，粗略估算其每年配電損耗即為38萬m2。

2)經(jīng)濟(jì)電流法介紹

電纜截面的選擇既要考慮經(jīng)濟(jì)性，又要考慮其功能性。導(dǎo)體的截面偏小，則線路初始投資較小，但線路損耗較大，導(dǎo)體截面偏大，則線路損耗降低，但會增加線路初始投資。

按經(jīng)濟(jì)電流密度選擇導(dǎo)線和電纜的截面，即按總費(fèi)用最小法則，其電纜截面選擇是經(jīng)濟(jì)選型，經(jīng)濟(jì)電流即是在壽命期間內(nèi)，使投資和導(dǎo)體損耗費(fèi)用之和最小的適用截面區(qū)間所對應(yīng)的工作電流。

3)經(jīng)濟(jì)電流法的典型計算

經(jīng)濟(jì)電流法電纜截面選擇計算與年最大負(fù)荷利用小時Tmax、年最大負(fù)荷利用小時對應(yīng)的年最大負(fù)荷損耗小時τ、電價P等參數(shù)有關(guān)。

1)如辦公類建筑，年最大負(fù)荷利用小時取Tmax=1 500h，在cosφ=0.85時τ=900h(參照《工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊》(第三版)圖1-6)，其他各參數(shù)做如下取值：

N=30年，D=252元/(kW·年)，現(xiàn) 值 系 數(shù)Q/(1+i%)=11.2，Np=4( 采 用TN-S 系 統(tǒng))，A=2.276(YJV-1kV(3+2)電纜)，按電價P=0.72元/kWh。計算電纜導(dǎo)體經(jīng)濟(jì)電流密度如下：

2)對石油工業(yè)用電，年最大負(fù)荷利用小時取Tmax=7000h，在cosφ=0.8時τ=5 950h，按 電 價P=0.72元/kWh。相應(yīng)計算其電纜導(dǎo)體經(jīng)濟(jì)電流密度如下：

下面分別針對兩種情況下，對160A負(fù)載的經(jīng)濟(jì)電流截面和載流量截面選擇進(jìn)行比較。

根據(jù)Ic=160A，溫度35℃，無孔托盤并列敷設(shè)，其載流量矯正系數(shù)取0.72，按160/0.72=222A查《工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊》(第三版)表9-36，其載流量截面為95mm2。

經(jīng)濟(jì)電流密度計算如下：

辦公類用電經(jīng)濟(jì)電流截面為：

Sse=160/1.685=95mm2，選擇95mm2電纜。

石油工業(yè)類用電經(jīng)濟(jì)電流截面為：

Sse=160/0.630=254mm2，選擇250mm2電纜。

4)經(jīng)濟(jì)電流法的局限性

依據(jù)商業(yè)、辦公、住宅等類型的民用建筑的用電特點(diǎn)，其年最大負(fù)荷運(yùn)行時間與工業(yè)行業(yè)相比要小得多，即年最大負(fù)荷損耗小時τ也小得多。由經(jīng)濟(jì)電流密度j的計算公式可見，經(jīng)濟(jì)電流截面隨著τ的增加而增加，并隨用電價格的增加而加大。

同時，在實際運(yùn)行中，商業(yè)、辦公、住宅等類型的民用建筑運(yùn)行負(fù)荷電流波動較大(長期大大低于用于計算載流量的最大運(yùn)行電流)，同時由于其用電負(fù)荷隨著季節(jié)變化波動較大，因此其年最大負(fù)荷損耗小時τ相比直接采用前面按配電設(shè)計手冊直接查表的方式來說更小，從而使其并不能真正反映使投資和導(dǎo)體損耗費(fèi)用之和最小的原則，在Tmax＜1 500h時，經(jīng)濟(jì)電流截面已不大于滿足載流量的截面。

而工業(yè)生產(chǎn)類用電企業(yè)的負(fù)荷電流由工藝裝置的負(fù)荷情況決定，因此較為穩(wěn)定，能較為準(zhǔn)確的反映和體現(xiàn)總費(fèi)用最小的原則，適合采用經(jīng)濟(jì)電流密度法。

1.3 低壓配電系統(tǒng)推廣廣義節(jié)能概念的必要性

對配電系統(tǒng)來說，如經(jīng)過系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)化，降低了配電系統(tǒng)電能損耗，節(jié)約若干度電，這個數(shù)字是狹義節(jié)能的數(shù)字。而與此同時，此種系統(tǒng)優(yōu)化采用的措施(如加大電纜截面、采用更復(fù)雜的設(shè)備)，也是在開采、冶煉、加工和運(yùn)輸?shù)鹊囊幌盗协h(huán)節(jié)中都需消耗一定的能量而獲得的，它應(yīng)當(dāng)與某個數(shù)量的能源等價。

另外，在設(shè)計中降低了材料(如銅材)的使用量，這個部分的節(jié)能效果則體現(xiàn)在減少了開采、冶煉、加工和運(yùn)輸?shù)纫幌盗协h(huán)節(jié)中消耗的能量，因此也相當(dāng)于節(jié)能。

此外，在采用不同的配電系統(tǒng)時所付出的設(shè)備安裝、后期維護(hù)的勞動力也是不同的。此部分勞動力以勞務(wù)費(fèi)來體現(xiàn)，但是工作人員得到的勞務(wù)費(fèi)系用于衣、食、住、行，進(jìn)而與能源消耗間接掛鉤等。

因此，只考慮狹義節(jié)能是不全面的，需要考慮的是廣義的節(jié)能、全生命周期節(jié)能。

2 短路保護(hù)(熱穩(wěn)定)校驗與低壓配電系統(tǒng)的廣義節(jié)能

2.1 短路電流大小、切斷短路電流時間與電纜(導(dǎo)線)截面選擇的對應(yīng)關(guān)系

1)熱穩(wěn)定校驗的必要性

《低壓配電設(shè)計規(guī)范》(GB 50054-2011)第6.2.1條要求“配電線路的短路保護(hù)電器，應(yīng)在短路電流對導(dǎo)體和連接處產(chǎn)生的熱作用和機(jī)械作用造成危害之前切斷電源”。

《電力工程電纜設(shè)計規(guī)范》(GB 50217-2007)3.7.7條“對非熔斷器保護(hù)回路，應(yīng)按滿足短路熱穩(wěn)定條件確定電纜導(dǎo)體允許最小截面”，以及3.7.8條“短路點(diǎn)應(yīng)選取在通過電纜回路最大短路電流可能發(fā)生處”。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，新建項目規(guī)模越來越大，其配電變壓器容量普遍較大，由低壓柜配出線路的短路電流自然也較大。因此熱穩(wěn)定校驗是低壓配電設(shè)計中普遍面臨的問題。

2)短路切斷時間與電纜(導(dǎo)體截面)選擇的關(guān)系

《低壓配電設(shè)計規(guī)范》(GB 50054-2011)第6.2.3條規(guī)定“當(dāng)短路持續(xù)時間小于等于5S時，絕緣導(dǎo)體的截面積應(yīng)符合本規(guī)范公式3.2.14的要求……短路持續(xù)時間小于0.1S時，校驗絕緣導(dǎo)體截面積應(yīng)計入短路電流非周期分量的影響”

校驗式為 ：

即KxSx(導(dǎo)體熱承受能力)>Ixt(短路電流的熱效應(yīng))

當(dāng)斷路器切斷時間較長(同樣短路電流，通過斷路器的短路電流的熱效應(yīng)較大)時，相應(yīng)的導(dǎo)體截面要求也越大。

2.2 未采用快速開斷及限流斷路器時，短路電流大小與導(dǎo)體截面選擇及全周期耗能關(guān)系

當(dāng)斷路器切斷時間較長(同樣短路電流，通過斷路器的短路電流的熱效應(yīng)較大)時，相應(yīng)的導(dǎo)體截面要求也越大。

如某短路點(diǎn)三相短路電流為48kA。按導(dǎo)體熱穩(wěn)定計算如下：(選擇YJV電纜，C取143；斷路器短路開斷時間取20ms)。

2.3 采用快速開斷及限流斷路器時，短路電流大小與導(dǎo)體截面選擇及全周期耗能關(guān)系

當(dāng)斷路器切斷時間較短(同樣短路電流，允許通過斷路器的短路電流的熱效應(yīng)受到限制)時，相應(yīng)的導(dǎo)體截面要求就大為降低。

如應(yīng)用某型具限流作用的斷路器，由其熱應(yīng)力限制曲線查得其Id＝50kA 處It<7×105(A2s)，再次計算如下：

因此，通過采用具有快速開斷并具有限流作用的斷路器，使斷路器保護(hù)下的配電導(dǎo)體尖峰電流(kA峰值)和通過能量I2dt兩個方面都得到降低，使配電導(dǎo)體截面合理的減小，達(dá)到節(jié)材進(jìn)而節(jié)能的目的。

3 短路保護(hù)(靈敏度)校驗與低壓配電系統(tǒng)的 廣義節(jié)能

3.1 短路電流大小、斷路器脫扣特性與電纜(導(dǎo)線)截面選擇的對應(yīng)關(guān)系

按照《低壓配電設(shè)計規(guī)范》(GB 50054-2011)第6.2.4條的要求，“短路電流不應(yīng)小于低壓斷路器瞬時或短延時過電流脫扣器整定電流的1.3倍”。

對于TN系統(tǒng)的低壓網(wǎng)絡(luò)，單相接地故障電流Id(1)可用式(4)計算：

其中Rphp、Xphp—短路電路的相保電阻、相保電抗mΩ。

在工程設(shè)計中，采用過電流保護(hù)電器兼作接地故障保護(hù)時，需根據(jù)電纜末端接地故障電流Imin，判斷過電流保護(hù)是否能可靠分?jǐn)?，滿足要求。

對長距離電纜配電，電纜線路末端短路電流過小，采用普通的熱磁脫扣器時，由于熱磁脫扣型斷路器，瞬時分?jǐn)嘤呻姶琶摽燮魍瓿?，長延時分?jǐn)嘤蔁崦摽燮鱽硗瓿?，其短路動作電流倍?shù)往往不可調(diào)或倍數(shù)較大，達(dá)不到保護(hù)靈敏度的要求。

這種情況下一般采用三種方式：

1)加大導(dǎo)體截面。這種方式除了提高導(dǎo)體材料消耗外，還增加了導(dǎo)體敷設(shè)鋼管、橋架等的消耗，其經(jīng)濟(jì)性較差，不利于節(jié)能。

2)選用電磁脫扣倍數(shù)較低的熱磁脫扣器。此種方式受具體產(chǎn)品的限制較多，因而較少采用。

3)選用具有短延時功能(短延時脫扣電流可整定為較低倍數(shù))的電子脫扣器。

不采用短延時技術(shù)時，配電距離與電纜(導(dǎo)線)截面選擇及廣義節(jié)能關(guān)系。

1)微型斷路器

常用微型斷路器脫扣曲線為BCD曲線,其中B型脫扣曲線脫扣電流為(3～5)In、C型脫扣曲線脫扣電流為(5～10)In、D型脫扣曲線脫扣電流為(10～14)In。表2為采用微型斷路器時，滿足短路保護(hù)靈敏度的配電距離與導(dǎo)體截面的選擇關(guān)系。

2)塑殼斷路器

表3計算不采用具有短延時功能的電子脫扣器的塑殼斷路器(其電磁脫扣器瞬動倍數(shù)按10倍取值)配電距離與導(dǎo)體截面的選擇關(guān)系。

3.2 采用短延時技術(shù)時，短路電流大小與電纜(導(dǎo)線)截面選擇及廣義節(jié)能關(guān)系

下面討論采用具有短延時功能的電子脫扣器的塑殼斷路器(短延時倍數(shù)5倍為例)配電距離與導(dǎo)體截面的選擇關(guān)系。

由于所采用計算公式的線性特點(diǎn)，當(dāng)配電線路電纜截面不變(即單位長度阻抗不變)，而上級斷路器短路脫扣電流由I1減小(為I2)時，相應(yīng)的出線電纜最大供電半徑R2max按式(5)換算即可：

如：表前中5×16電纜對應(yīng)Is=500A斷路器(Is=10In電磁脫扣器)的最大供電半徑為102m，則由上式可簡單計算出5×16電纜對應(yīng)Is=300A斷路器(Is=6In電磁脫扣器)的最大供電半徑為：

即采用帶短延時脫扣器的斷路器時，相同截面導(dǎo)體滿足短路保護(hù)(靈敏度)的供電距離能顯著的增加。針對配電距離較長的電纜配電回路，如所選的電纜截面已滿足電壓偏差和熱穩(wěn)定要求，可采用此方式在滿足短路保護(hù)的條件下通過節(jié)省材料消耗有效降低總費(fèi)用，因此能達(dá)到節(jié)能的目的。

表2 短路保護(hù)靈敏度的配電距離與導(dǎo)體截面的選擇關(guān)系

表3 塑殼斷路器配電距離與導(dǎo)體截面的選擇關(guān)系

[1]中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會.低壓配電設(shè)計規(guī)范(GB 50054-2011)[S].北京：中國計劃出版社，2012.

[2]中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計研究院.工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊(第三版)[M].北京:中國電力出版社，2005.162-172.