許冬梅(中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院， 北京 100044)

在電能的傳輸過(guò)程中，變配電所是必不可少的，并起著至關(guān)重要的作用，因此對(duì)變配電所的設(shè)計(jì)要認(rèn)真分析、研究，并采取全方位的節(jié)能措施。

1 變配電所所址選擇

民用建筑中，電氣設(shè)備的電壓等級(jí)通常為220/380V，常用的變配電系統(tǒng)為10/0.4kV變配電系統(tǒng)，因此本文所論及的變配電所即專指10/0.4kV變配電所?！睹裼媒ㄖ姎庠O(shè)計(jì)規(guī)范》(JGJ 16-2000)及《10kV及以下變電所設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50053-94)均要求變配電所的位置應(yīng)深入或接近負(fù)荷中心，以盡可能地縮短低壓出線電纜的長(zhǎng)度，從而減少輸電線路上的壓降、降低輸電線路電能的損耗。

舉例說(shuō)明：假設(shè)一內(nèi)設(shè)一臺(tái)10/0.4kV 1000kVA變壓器的變配電所離負(fù)荷中心的距離減少100m，即高壓供電電纜的長(zhǎng)度增加100m、低壓供電電纜的長(zhǎng)度減少100m，由此產(chǎn)生的電能損耗變化為(假定變壓器的負(fù)載率β=Sjs/Sr=80%，式中：Sjs為變壓器計(jì)算負(fù)荷，kVA；Sr為變壓器計(jì)算負(fù)荷，kVA：

(1)YJV-10/8.7kV-150mm2高壓電纜增加部分產(chǎn)生的電能損耗為：

其中：高壓側(cè)計(jì)算電流：

I=1 000kVA/(10kV×1.732)=57.7A ；

100m高壓電纜電阻

R=0.15Ω/km×0.1km=0.015Ω

(2)100m低壓電纜減少部分產(chǎn)生的電能損耗為：

其中:低壓側(cè)計(jì)算電流I=1 000kVA×0.8/(0.4kV×1.732)=1 155A，選用饋出電纜為YJV-1kV-4(4×240+1×120)電纜 ；

100m低壓電纜電阻

R=0.0905Ω/km×0.1km/4=0.00226Ω

(3)因此減小的有功功率：

△P=△P2-△P1=9.05kW-0.15W=8.9kW(3)

(4)假定該工程日運(yùn)行時(shí)間為12h、使用系數(shù)為0.7、則年耗電量可減少值為：

(5)折合節(jié)約的燃煤量：2.73萬(wàn)kWh×1.229t/萬(wàn)kWh=3.36t

即當(dāng)一臺(tái)1 000kVA變壓器深入負(fù)荷中心100m時(shí)，每年折合可節(jié)約燃煤約3.36t。

在實(shí)際工程項(xiàng)目中，變壓器裝機(jī)容量往往不止1 000kVA，而是幾千甚至是幾萬(wàn)kVA，因此具有更大的節(jié)能空間。如筆者新近設(shè)計(jì)的一個(gè)22萬(wàn)m2的大型商業(yè)建筑,變壓器裝機(jī)容量為27 000kVA，按每1 000kVA折合可節(jié)約燃煤3.36t計(jì)算，則其每年折合可節(jié)約的燃煤量達(dá)到90.72t，節(jié)約效果非?？捎^。

一旦實(shí)現(xiàn)變配電所深入負(fù)荷中心，各個(gè)變電所需要配置的變壓器的容量就不會(huì)太大。當(dāng)變壓器容量不大于1 250kVA，高壓配電柜可采用環(huán)網(wǎng)柜時(shí)，可采用一體化組合式變電站或戶內(nèi)箱式變電站。

一體化變電站由三個(gè)模塊即高壓環(huán)網(wǎng)柜模塊、變壓器模塊和低壓柜模塊組裝而成。可廣泛應(yīng)用于變壓器容量不大于1 250kVA的變配電所。其高壓柜和變壓器之間的電纜連接、變壓器和低壓柜的電纜連接均在變電站模塊柜內(nèi)完成。這種緊湊型變電站能節(jié)省連接線路的線材和電力損耗。據(jù)有關(guān)資料顯示，對(duì)于一臺(tái)1 000kV的變壓器，采用一體化變電站后較傳統(tǒng)的室內(nèi)變電所其連接線一次投資可節(jié)省約16 000元，節(jié)省效率為88%；連接線電力損耗減小214W，節(jié)省效率約為73.2%；線路長(zhǎng)度減少1.6m，節(jié)省效率約為55.2%。

戶內(nèi)變電站是在一體化變電站的基礎(chǔ)上進(jìn)一步升級(jí)，是戶外箱式變電站的戶內(nèi)版，具有傳統(tǒng)戶內(nèi)變配電所所有的功能，完全可替代傳統(tǒng)戶內(nèi)變配電所。此產(chǎn)品采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，占地僅為2～4m2，高度僅為1.8m，全絕緣、全密封。只要是在室內(nèi)，不需要專設(shè)的房間，可安裝在地下室的任何地方，便于直接深入負(fù)荷中心。對(duì)于低壓出線回路比較少的住宅小區(qū)變電所，戶內(nèi)變電站尤其適用。戶內(nèi)變電站較傳統(tǒng)戶內(nèi)變配電所可節(jié)省母線橋架、柜內(nèi)母線、低壓電纜、建筑面積等工程總投資20%～80%；還可降低線路損耗及因此產(chǎn)生的電費(fèi)。

表1 各類建筑物的單位建筑面積用電指標(biāo)

2 變壓器容量及運(yùn)行方式選擇

配電用變壓器是配電系統(tǒng)中常用的主要電源設(shè)備，同時(shí)又是自身耗能的電氣設(shè)備，只要通電，變壓器就一直處在運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)然自身也在持續(xù)地消耗著電能。

盡可能地減少變壓器能耗的主要技術(shù)措施包括選用節(jié)能型變壓器；合理選用變壓器的容量與負(fù)荷、控制變壓器運(yùn)行臺(tái)數(shù),使變壓器運(yùn)行在最佳狀態(tài)。

(1)變壓器容量選擇

變壓器有功電能損耗為：

其中：△P0—變壓器空載有功損耗，kW；

△Pk—變壓器負(fù)載(短路)有功損耗，kW；

Sjs—變壓器計(jì)算負(fù)荷，kVA；

Sr—變壓器計(jì)算負(fù)荷，kVA；

β=(Sjs/Sr)—變壓器的負(fù)載率

由上式可以看出，變壓器的電能損耗不是由某一個(gè)參數(shù)決定的，而是和變壓器自身的空載有功損耗、短路有功損耗及負(fù)載率等多個(gè)參數(shù)有關(guān)。其中變壓器的空載損耗(即鐵損)是固定損耗，只要接通電源，此損耗就存在且數(shù)值是基本不變的；而變壓器運(yùn)行時(shí)實(shí)際產(chǎn)生的負(fù)載有功損耗(即變壓器的銅損)是可變損耗，與變壓器自身的短路有功損耗及運(yùn)行時(shí)的負(fù)載率有關(guān)。變壓器的空載、短路有功損耗越小，則其有功電能損耗越??；變壓器的負(fù)載率越小，變壓器的有功損耗也會(huì)越小。對(duì)于同一型號(hào)的變壓器，容量越大，其空載有功損耗和短路有功損耗也會(huì)越大。對(duì)一負(fù)荷基本不變的負(fù)載來(lái)說(shuō)，如果選用大容量的變壓器，其負(fù)載率小，但變壓器自身的損耗大；如果選用小容量的變壓器，變壓器自身的損耗小，但其負(fù)載率又大。通常情況下變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的負(fù)載率為60%～85%。

綜合評(píng)估，合理選擇變壓器的容量，要求變壓器的設(shè)計(jì)容量處于最佳值，同時(shí)要求變壓器所帶的實(shí)際負(fù)荷與其設(shè)計(jì)值盡可能的接近。

設(shè)計(jì)選用變壓器的容量時(shí),可參照表1。

(2)變壓器運(yùn)行方式選擇

變壓器的功率損耗率：

其中：Pjs—變壓器運(yùn)行時(shí)所帶的實(shí)際負(fù)載功率，kW；

變壓器的功率損耗率即為變壓器每傳輸單位電功率的電損耗，簡(jiǎn)稱功耗率。

變壓器所帶實(shí)際負(fù)荷的值在不同運(yùn)行階段是不同的，特別是季節(jié)性負(fù)荷(如采暖、空調(diào))或?qū)Ｓ秘?fù)荷(如體育場(chǎng)的場(chǎng)地比賽照明、演出場(chǎng)所的演出用電)對(duì)系統(tǒng)的影響更大。變壓器運(yùn)行在負(fù)荷過(guò)小、負(fù)載系數(shù)過(guò)低狀態(tài)時(shí)，其傳遞電能的效率很低，此時(shí)功耗率和電能損耗急劇增大，特別是變壓器長(zhǎng)時(shí)間在低載狀態(tài)下運(yùn)行。

另外，變壓器在不同的負(fù)載系數(shù)下，其電能損耗也是不同的。因此不能單純追求變壓器最小功耗率。要使變壓器運(yùn)行于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)下，必須在確保其工作效率盡可能高的前提下盡量降低實(shí)際能量損耗。為此,可采取設(shè)置兩臺(tái)或多臺(tái)變壓器并列運(yùn)行，對(duì)于季節(jié)性負(fù)荷或?qū)Ｓ秘?fù)荷還可設(shè)置專用變壓器。

3 功率因數(shù)補(bǔ)償

電力系統(tǒng)的自然平均功率因數(shù)為

式中：Pjs-有功功率,kW

Sjs-視在功率,kVA

有功功率是設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)用于將電能轉(zhuǎn)換為其他能量的電功率，如水泵用電動(dòng)機(jī)就是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能而帶動(dòng)水泵抽水、照明設(shè)備就是將電能轉(zhuǎn)換為光能以供人們工作或生活照明。無(wú)功功率是相對(duì)有功功率來(lái)說(shuō)的，它的產(chǎn)生是由于電力系統(tǒng)中電感性負(fù)載(如變壓器、電動(dòng)機(jī)、照明燈具啟動(dòng)器、整流器、變頻器、線路等)的存在，它是維持這些電感設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)但并不消耗的能量，存在于電網(wǎng)與設(shè)備之間，是電網(wǎng)和設(shè)備不可缺少的能量部分。然而無(wú)功功率如果被設(shè)備占用過(guò)多，使得電力系統(tǒng)功率因數(shù)偏低、電流加大從而使傳輸電流的導(dǎo)線截面增加、降低變壓器有功功率輸出能力即同樣大小的有功負(fù)荷需選用更大容量的變壓器、電能傳輸過(guò)程中壓降加大、引起線路損耗及電力系統(tǒng)無(wú)功電能消耗量加大。負(fù)載功率因數(shù)與變壓器有功功率輸出能力的關(guān)系參見(jiàn)表2。

為了提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，首先考慮采用提高自然功率因數(shù)的措施。包括合理選擇電動(dòng)機(jī)、盡量避免變壓器輕載甚至空載運(yùn)行、合理調(diào)整工藝流程以改善機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、在可能的情況下采用同步電動(dòng)機(jī)代替異步電動(dòng)機(jī)及選用帶空載切除的間隙工作制設(shè)備等。如選擇電動(dòng)機(jī)的經(jīng)常負(fù)載不低于額定容量的40%；變壓器的負(fù)載率宜選擇在75%～85%，不低于60%。

實(shí)際情況往往是在盡可能采用提高自然功率因數(shù)措施后仍然滿足不了電網(wǎng)的合理運(yùn)行要求，這就需要設(shè)置電力電容器作為無(wú)功補(bǔ)償裝置以提高系統(tǒng)功率因數(shù)。

高壓電氣設(shè)備的無(wú)功功率宜采用高壓電容器補(bǔ)償，低壓電氣設(shè)備的無(wú)功功率宜采用低壓電容器補(bǔ)償。對(duì)于民用建筑來(lái)說(shuō)，通常的做法就是在變電所低壓側(cè)集中設(shè)置低壓電容器，自動(dòng)補(bǔ)償。

對(duì)于初中生而言，年齡相對(duì)較小，對(duì)任何事情都具有著很大的好奇心，因此只要初中語(yǔ)文教師注重活躍課堂氛圍，就很容易將學(xué)生帶到相應(yīng)的情境之中，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣。在過(guò)去傳統(tǒng)的初中語(yǔ)文教學(xué)中，教師并不重視課堂氛圍，只是簡(jiǎn)單地講授知識(shí)點(diǎn)，造成學(xué)生認(rèn)為語(yǔ)文學(xué)習(xí)枯燥乏味，出現(xiàn)排斥心理，影響到初中語(yǔ)文的教學(xué)質(zhì)量。因此，為了打破過(guò)去教學(xué)方法的束縛，教師應(yīng)該積極使用多元化的教學(xué)方法。在講課的過(guò)程中，教師可以面帶微笑，在課堂上營(yíng)造出輕松、活躍的課堂氛圍，通過(guò)提問(wèn)或是小故事等形式引導(dǎo)學(xué)生積極發(fā)言，多與學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)。例如在講述詩(shī)歌古文時(shí)，教師可以以小組為單位舉行朗誦比賽，讓學(xué)生們扮演詩(shī)人來(lái)抒發(fā)自己的情懷等。

低壓集中自動(dòng)補(bǔ)償一般是將低壓電容器分成多組接在變電所低壓母線側(cè)，同時(shí)需裝有自動(dòng)控制器。通過(guò)采集低壓母線上的無(wú)功功率和設(shè)定要求的功率因數(shù)來(lái)控制電容器組的投切，使功率因數(shù)基本維持在設(shè)定的數(shù)值附近。電容器的投切分組進(jìn)行，是有級(jí)別的，不是平滑調(diào)節(jié)。當(dāng)電力系統(tǒng)中諧波嚴(yán)重時(shí)，還應(yīng)在電容器回路中串接一定量的電抗器。

表2 負(fù)載功率因數(shù)與變壓器有功功率輸出能力的關(guān)系

為了使電網(wǎng)處于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)，供電部門往往要求變電所低壓側(cè)功率因數(shù)達(dá)到0.9以上，北京地區(qū)要求為0.95。

提高功率因數(shù)后能耗的減少最直接的體現(xiàn)就是電力系統(tǒng)的無(wú)功電能消耗量。

舉例說(shuō)明：

假定一變電所，其所供電設(shè)備計(jì)算有功功率Pjs為1 000kW，其補(bǔ)償前的功率因數(shù)為0.8，要求補(bǔ)償后的功率因數(shù)為0.95，則

補(bǔ)償前企業(yè)的年無(wú)功電能消耗量為：

式中:β—年無(wú)功功率系數(shù)，一般取0.8；

補(bǔ)償后企業(yè)的年無(wú)功電能消耗量為：

補(bǔ)償后減少的無(wú)功電能損耗為1 475 184 kWh

折合節(jié)約的燃煤量：

14.75 萬(wàn)kWh×1.229t/ 萬(wàn)kWh=18.1t。

由此可見(jiàn)，通過(guò)補(bǔ)償方式提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，也是變配電所節(jié)能設(shè)計(jì)的有效措施。

另外，變配電所設(shè)置監(jiān)控系統(tǒng)，采用間隔層、通訊管理層和監(jiān)控管理層三層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，利用專業(yè)組態(tài)監(jiān)控軟件對(duì)變配電所進(jìn)行實(shí)時(shí)的管理監(jiān)控，對(duì)每個(gè)用電設(shè)備的電壓、電流、每日峰谷電量和平時(shí)電量等運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，對(duì)比當(dāng)前設(shè)備的耗能情況作出分析，采取糾正措施，可獲得變配電設(shè)備的最佳節(jié)能運(yùn)行模式。

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展使得能源需求不斷攀升，由此造成自然資源日益枯竭，作為電能使用的設(shè)計(jì)者，應(yīng)盡可能以高效和可持續(xù)的方式使用電能。

[1]住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部工程質(zhì)量安全監(jiān)管司,中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院編制.全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施·節(jié)能專篇：電氣 [M].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2007.

[2]中國(guó)航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院等編.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)(第3版)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2005.