摘要：本文主要從供配電系統(tǒng)設(shè)計、設(shè)備選擇、系統(tǒng)運行等方面分析了工業(yè)企業(yè)供配電系統(tǒng)的節(jié)能措施，以達(dá)到工業(yè)企業(yè)整體節(jié)能減排的目的。

關(guān)鍵詞：供配電設(shè)計;節(jié)能;措施

0. 引言

經(jīng)過幾十年的高速發(fā)展，我國已成為全球工業(yè)門類最齊全的第二大經(jīng)濟(jì)體，也是第一大工業(yè)國，工業(yè)用電的需求量非常巨大，再加上人們生活水平的不斷提高，生活用電量也是穩(wěn)步提升，所以我國也是能耗第一大國。隨著全球的氣候變化，我國也提出了2060年的碳中和目標(biāo)，所以作為能耗大戶的工業(yè)企業(yè)節(jié)能降耗顯得十分重要。本文通過對工業(yè)企業(yè)配電系統(tǒng)中各方面節(jié)能措施的利用，以達(dá)到節(jié)約電能的目的。當(dāng)然工業(yè)企業(yè)的節(jié)能措施涉及到方方面面，還有很多可以研究的地方，限于作者的專業(yè)與能力水平，在處不作進(jìn)一步拓展。

1.供配電系統(tǒng)規(guī)劃階段的節(jié)能措施

在項目工程總體規(guī)劃設(shè)計階段，首先要做好總體負(fù)荷容量的估算，根據(jù)總?cè)萘?，結(jié)合當(dāng)?shù)毓╇娖髽I(yè)的條件，選擇適當(dāng)?shù)墓╇婋妷旱燃壟c路徑，是節(jié)能的重要一環(huán)。

線路電能損耗的基本公式：△P=3I2R×10-3，△P：損耗的電功率（KW）， I：線路電流（A） ，R：線路電阻（Ω）

電路基本公式S= UI ，S：容量（KVA），U：電壓（KV），I：電流（A）， ：功率因數(shù)

1.1、選擇合適的供電電壓等級

由公式可知電能損耗與電流（I）的平方成正比，所以降低供電線路電流值是降低損耗的有效手段，而在企業(yè)總負(fù)荷（S）一定的情況下，電壓與電流成反比，提高電壓（U）值可有效降低電流值，所以在供配電系統(tǒng)設(shè)計時，根據(jù)企業(yè)總負(fù)荷容量和當(dāng)?shù)毓╇娖髽I(yè)的實際情況，在能提供的供電電壓范圍內(nèi)，選擇相對較高的電壓等級，可有效降低供電線路電流，從而達(dá)到線路節(jié)能的目的。

1.2、選擇合適的線路

由電能損耗公式還可知，損耗的電能功率也與線路的電阻成正比。線路電阻的計算公式： ?， R：線路電阻（Ω）， ：線路材料的電阻率（Ω·mm2/m），L：線路的長度（m），S：線路的截面積（mm2），由上可知，要降低線路電阻，可以通過三個方面來實現(xiàn)，①選用低電阻率的材料，如銅的 為：0.0172（Ω·mm2/m），而鋁的 為：0.0282（Ω·mm2/m），顯然銅的電阻率要比鋁低近40%，在其他相同的情況下，選用銅比鋁電阻低40%，損耗也低40%。②選擇合適的變電站位置，使之更靠近負(fù)荷中心，從而減小大電流線路的供電距離L，這能有效減小線路電阻。③在合理的條件下，選擇相對相大的線路截面，也是減小電阻的方法之一。當(dāng)然大截面線路的選擇，會增加初始投資，所以在供配系統(tǒng)規(guī)劃時，要綜合考慮，依據(jù)經(jīng)濟(jì)電流密度值合理選擇線路截面。

2、供變配電系統(tǒng)設(shè)計階段的節(jié)能措施

在確定電壓等級和供電線路以后，在進(jìn)行企業(yè)內(nèi)部變配電系統(tǒng)設(shè)計時，主要從系統(tǒng)主接線方式，變壓器的選擇、用電設(shè)備的選擇、無功補償和諧波處理等幾個方面入手進(jìn)行節(jié)能評估，選擇合理的方案，以達(dá)到節(jié)能的目的，有條件的企業(yè)也可以考慮光伏發(fā)電的合理利用。

2.1系統(tǒng)主接線

系統(tǒng)主接線的選擇，除了滿足供電可靠性的同時，也要考慮節(jié)能的需要，每個企業(yè)的生產(chǎn)一般都很難做到全年負(fù)荷均衡，都會有用電波峰和波谷，特別是總負(fù)荷容量較大的企業(yè)，更是如此。在電壓等級為10KV以上時，應(yīng)盡量考慮采用單母線分段的接線方式，并將總負(fù)荷容量較為均勻地分布于不同母線段。當(dāng)負(fù)荷較大時，變壓器應(yīng)全部投入，母線分段運行。當(dāng)負(fù)荷較小時，可退出部分變壓器，將負(fù)荷轉(zhuǎn)移到另外的變壓器，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

2.2、變壓器的合理選擇

變壓器在配電系統(tǒng)中是重要的設(shè)備，起到變換電壓等級的作用，但其自身也會產(chǎn)生一定的損耗。變壓器的損耗分為二種：空載損耗和負(fù)載損耗，這二種損耗中同時還包括有功損耗與無功損耗?？蛰d損耗是變壓器建立電磁場所消耗的能量，與負(fù)載的大小無關(guān)，但它與變壓器的結(jié)構(gòu)與材料選用有關(guān)。負(fù)載損耗是變壓器在正常帶負(fù)載過程中，繞組的損耗，它與變壓器的繞組材料選用與負(fù)載大小有關(guān)。

變壓器的損耗計算公式

有功損耗：△PT=△P0 +β2△PK，△PT：變壓器有功損耗（KW）， △P0：變壓器空載有功損耗（KW） ，β：變壓器負(fù)載率（實際負(fù)荷/額定負(fù)荷），△PK：變壓器短路有功損耗（KW）。

無功損耗：△QT=△Q0 +β2△QK，△QT：變壓器無功損耗（Kvar）， △Q0：變壓器空載無功損耗（Kvar） ，β：變壓器負(fù)載率（同上），△QK：變壓器短路無功損耗（Kvar）。

上述損耗計算公式中，△P0 、△PK、△Q0、△QK都是變壓器出廠時就已確定的數(shù)值，所以選擇低損耗變壓器是關(guān)鍵。

上述公式中，只有β（變壓器負(fù)載率）是現(xiàn)場實際運行數(shù)據(jù)，那么β為多少時，最節(jié)能呢？似乎β=0最節(jié)能，但β=0時，實際負(fù)荷即為0，即不帶負(fù)載，這肯定是不行的。那么如何確定合理的β值呢，這可以從變壓器綜合功率損耗率與平均負(fù)載系數(shù)β的函數(shù)特性曲線中確定。

變壓器綜合功率損耗率與平均負(fù)載系數(shù)β的函數(shù)特性曲線

從圖中可以看出當(dāng)變壓器負(fù)載率在0.75左右時，既能充分發(fā)揮變壓器的容量，也處于經(jīng)濟(jì)運行區(qū)（即變壓器的損耗相對較小），所以在配電系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)企業(yè)總負(fù)荷容量，選擇合適的低損耗變壓器臺數(shù)，使企業(yè)實際運行負(fù)荷容量與總的變壓器額定容量之比（即負(fù)載率β）保持在0.75左右。

2.3、無功補償?shù)暮侠硎褂茫ㄌ岣吖β室驍?shù)）

在供配電系統(tǒng)中，既存在有功功率（P（KW））也存在無功功率（Q（Kvar）），這二種功率的疊加形成視在功率（S（KVA）），計算公式為：S= ?，有功功率是真實做功所需要的功率，（如：水泵需要將水從低處提升到高處，則配套的電機(jī)功率為P ， 式中P：有功功率（KW）， ：余量系數(shù)， ：水的比重（Kg/m3）， ：水的流量（m3/s）， ：水的揚程（m）， ：換算系數(shù)（1KW=102Kg·m/s）， ：水泵的效率（%）， ：機(jī)械傳動效率（%））

而無功功率是旋轉(zhuǎn)類電機(jī)建立旋轉(zhuǎn)磁場需要的，不參與實質(zhì)性的做功，但也是必須的。同時S= UI ， ?= ?，由公式可知，在有功（P）一定的情況下，無功（Q）的增加將導(dǎo)致視在功率（S）的增大，視在功率的增大會導(dǎo)致線路電流（I）的增大和功率因數(shù)（ ）的降低，所以也會導(dǎo)致線路損耗的增加。所以在配電系統(tǒng)設(shè)計時需要對企業(yè)中旋轉(zhuǎn)類電機(jī)（一般占總用電量的70%）所需要的無功進(jìn)行補償，以降低企業(yè)對供電系統(tǒng)無功的需求，減少線路損耗。具體為提升企業(yè)內(nèi)配電系統(tǒng)的功率因數(shù)（ ），一般要求達(dá)到0.95以上。對于配電系統(tǒng)的無功補償宜在低壓配電柜處集中補償，對于大功率旋轉(zhuǎn)類電機(jī)宜采用就地補償，對于分散布置的靜止類負(fù)荷（如照明燈具等），宜采用單體補償。

2.4、降低諧波含量

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，電子產(chǎn)品在工業(yè)企業(yè)中的大量使用，給企業(yè)的管理與生產(chǎn)帶來極大的便利，但同時也產(chǎn)生了諧波，使電流的波形產(chǎn)生畸變。諧波的危害是多方面的，一是加大了電能損耗，二是對通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，三是如系統(tǒng)配置不好會產(chǎn)生危險的諧振過電壓，危及系統(tǒng)設(shè)備安全。本文只對因諧波而加大了電能的損耗進(jìn)行分析表述。（1）諧波電流加大相導(dǎo)體電流，相導(dǎo)體基波電流（I1）疊加諧波電流（Ih）的計算公式為：I1‘= ? 從上式可知，當(dāng)諧波電流增加時，線路相導(dǎo)體電流亦會增加，所以也會導(dǎo)致線路損耗的增加。（2）3次諧波（含3的奇次倍諧波）對于三相四線制線路中的中性導(dǎo)體（N）會產(chǎn)生更大的影響，產(chǎn)生更大的損耗，當(dāng)三相負(fù)荷平衡時，3次諧波電流在中性導(dǎo)體（N）中呈現(xiàn)3倍疊加，IN‘=3I1HRI3，（IN‘：中性線中的3次諧波疊加電流，HRI3：3次諧波電流含有率（%）），由上式可知，中性導(dǎo)體的電流隨3次諧波電流的增加而急劇增大，而線路損耗與電流的平方成正比，所以中性線路損耗的增加更是急劇增大，所以降低諧波含量對于節(jié)能有著重要意義。所以我們在配電系統(tǒng)設(shè)計時，要重視對諧波電流的抑止，抑止諧波的措施有：①選用諧波較小的產(chǎn)品;②當(dāng)系統(tǒng)中有較多變頻器等整流換流裝置時，應(yīng)增加整流變壓器二次側(cè)的相數(shù)和換流裝置的脈動數(shù)，并使整流變二次側(cè)有適當(dāng)?shù)南嘟遣?③選用D，yn11接線組別的三相變壓器;④采用有源濾波器、無源濾波器等抑制諧波的措施。

3、合理選擇用電設(shè)備

工業(yè)企業(yè)中的用電設(shè)備多種多樣，主要有以照明設(shè)備為主的靜止負(fù)荷和以旋轉(zhuǎn)電機(jī)為主的動負(fù)荷，且以動負(fù)荷為主（約占總負(fù)荷的70%）。所以在企業(yè)變配電系統(tǒng)設(shè)計時，對用電設(shè)備應(yīng)當(dāng)盡量選擇能耗低的用電設(shè)備。在現(xiàn)階段的工業(yè)企業(yè)用電設(shè)計中，照明設(shè)備選擇應(yīng)以高能效的LED照明設(shè)備為主（對于有特殊視覺要求的除外）并輔助于智能照明控制手段，盡量減少無效照明的存在。對于一些常年需要照明的區(qū)域（如地下室等）應(yīng)設(shè)計非用電的導(dǎo)光管系統(tǒng)，輔助于一般的高效照明燈具，以充分利用日光，減少電能消耗。對于旋轉(zhuǎn)電機(jī)中最常用的三相異步電動機(jī)，應(yīng)選擇高效電動機(jī)，并使電動機(jī)的功率與負(fù)荷功率相匹配，而不應(yīng)出現(xiàn)“大馬拉小車”的情況，如負(fù)荷是階段性變動負(fù)荷（如穩(wěn)壓水泵等），則宜設(shè)計采用變頻器控制。

4、合理利用光伏發(fā)電

有條件的工業(yè)企業(yè)應(yīng)在項目規(guī)劃與設(shè)計階段考慮設(shè)置分布式光伏發(fā)電設(shè)施，光伏發(fā)電本身就是一種節(jié)能措施，太陽能也是理想的清潔能源，不會對環(huán)境產(chǎn)生破壞;再次光伏發(fā)電設(shè)施只有一次性投資，基本沒有日后維護(hù)的成本。所以在項目的變配電系統(tǒng)設(shè)計過程中，電氣專業(yè)設(shè)計人員要與建設(shè)方多溝通、多交流，充分利用屋頂，外墻，幕墻等條件，設(shè)置光伏發(fā)電設(shè)施，減少工業(yè)企業(yè)對系統(tǒng)電網(wǎng)的電能需求，進(jìn)而達(dá)到項目整體節(jié)能的目標(biāo)。

5、供配電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運行

一般工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)過程有旺季和淡季之分，此時，用電負(fù)荷也就有高峰與低谷之分，供配電系統(tǒng)除要滿足安全可靠的供電需求之外，也要盡量減少不必要的電能損耗。對于一些用電負(fù)荷高峰與低谷差值較大的企業(yè)，尤其需要重視系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運行。一般企業(yè)都有多臺配電變壓器，為提高供電可靠性，多數(shù)采用二次側(cè)有聯(lián)絡(luò)線的分列運行方式，在總供電負(fù)荷有高峰與低谷之分時，需要對二種負(fù)荷情況下，是共用一臺還是二臺分列運行的方式進(jìn)行比較選擇，在采用一臺變壓器就能滿足負(fù)荷的情況下，應(yīng)對二臺分列運行變壓器的空載損耗和額定負(fù)載損耗進(jìn)行比較，選擇總損耗最低的為共用變壓器，再對選定的共用變壓器與兩臺變壓器分列運行方式進(jìn)行比較，選擇出綜合功率損耗率最小的運行方式。共用與分列運行變壓器的臨界綜合負(fù)載視在功率的計算可參見國家標(biāo)準(zhǔn)《電力變壓器經(jīng)濟(jì)運行》GB/T13462的相關(guān)內(nèi)容，因計算過程較為復(fù)雜，在此不再贅述。

6、結(jié)語

隨著國家”雙碳“目標(biāo)的發(fā)布，工業(yè)企業(yè)受到越來越多的用能限制，一些高能耗、高排放的項目將被直接取消。工業(yè)企業(yè)是用能大戶，也是節(jié)能的重要對象。在企業(yè)的供配電系統(tǒng)中，不可避免地會存在能量損耗的情況，鑒于當(dāng)前社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展面臨的能源緊缺現(xiàn)狀和2060年碳中和的目標(biāo)，有必要在項目的供配電系統(tǒng)設(shè)計和運行過程中強(qiáng)化節(jié)能環(huán)保意識。在規(guī)劃設(shè)計過程中，要根據(jù)企業(yè)負(fù)荷的大小與特點，認(rèn)真分析供配電系統(tǒng)的每一環(huán)節(jié)，研究供配電系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計的可能性，從供配電系統(tǒng)總體規(guī)劃和變配電系統(tǒng)的設(shè)計，從用電設(shè)備設(shè)施的選擇到系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運行方式等多方面入手，讓節(jié)能、低碳、環(huán)保的意識深入到每個設(shè)計運行人員的心中，為實現(xiàn)國家的”“雙碳”“目標(biāo)作出我們應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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[2]任元會編. 低壓配電設(shè)計解析. 中國電力出版社. 2020.

作者簡介：袁朝陽（1969年4月-），性別：男，民族：漢，籍貫：江蘇南通，職務(wù)/職稱：高級工程師，學(xué)歷：本科，單位：中國電子系統(tǒng)工程第二建設(shè)有限公司，研究方向：建筑供配電系統(tǒng)設(shè)計。