電氣自動化節能設計技術

摘 要：文章分析了大力發展電氣節能技術的必要性，并從減少電能傳輸的損耗、變壓器的節能設計技術、無功補償設備的合理配置、利用光伏發電推進電氣節能技術發展等方面闡述了電氣自動化的節能設計技術。

關鍵詞：電氣自動化；節能技術

中圖分類號：TU201.5 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）30-0001-02

電氣自動化過程中的節能設計技術在整個自動化系統中起著非常重要的作用，優良的節能技術方案可以降低電力用戶的用電成本以及減小能源消耗。在電氣自動化系統中，實現節能的前提條件是確保系統可靠運行，并在此基礎上不斷優化各個電力傳輸環節，實現電能的高效利用。在節能設計過程中，需要以提高電氣自動化系統的運行效率為目標，最大可能地降低電力能源的各種方式損耗。只有充分發揮電氣節能技術的優勢，才能真正實現電氣自動化系統的高效優質管理與傳輸電能的作用與價值，為國家帶來良好的經濟和社會效益。

1 電氣自動化及節能設計簡述

在社會和經濟高速發展的前提下，電力的需求越來越大，建立穩健可靠的供電系統成為電網公司的首要任務。傳統電力系統由于設備陳舊，主要依托人力來實現運行于管理。隨著計算機以及自動化技術的發展，電氣自動化技術應運而生。電氣自動化系統是當前實現電能優質、靈活和可靠傳輸的最佳解決方案，系統中的節能設計方案也一直在不斷研究進步。當電氣自動化系統中節能設計方案不能充分發揮作用時，會造成電能的嚴重浪費并且可能威脅到整個系統的安全穩定運行。當系統受到不利影響后，輸電、供電和配電環節就必然產生惡性循環，給生產生活帶來嚴重挑戰。當前電網結構復雜，容量增速很大，特別對于城市電網設計性能優良的節能方案十分困難。當前電網中存在的非線性負載，比如變頻器和整流器，這些設備會引入大量諧波污染，給節能設計也帶來很大的干擾和挑戰。因此，如何提高節能系統的可靠性，如何最大限度地提升供電效率，是需要不斷投入研究的熱點問題。從電力傳輸的各個環節來看，減少輸電線路的傳輸損耗，提高變壓器的效率以及合理布置無功補償裝置都可以達到節能的目的。

2 發展電氣自動化節能設計的必要性

我國十二·五規劃中明確指出節能減排的目標是2010年的萬元GDP能耗由2005年的1.22 t標準煤下降到0.98 t標準煤左右，下降20%。大力發展工業節能、建筑施工節能是中國可持續發展的必然選擇。電力作為現代社會的主要能源之一，隨著工業以及生活電器的增多、用電量的增大，發展電力節能具有很強的現實意義。目前電能供應過程中出現較多的損耗，如果不改善優化，很可能出現電能供應緊張的問題，影響社會的正常秩序。為了解決這一問題，必須降低電氣自動化設備的能源消耗，提高其電能傳輸效率。只有充分提高了電能的傳遞、使用效率，才能緩解當前電能供應出現的危機，才能降低電力成本，提高供電單位的效益。

3 電氣自動化節能技術設計

3.1 減少電力傳輸過程的損耗

電能通常由地處偏遠的電廠產生，在到達負荷中心前需要經過架空線或者電纜等導線進行傳輸。由于導線電阻以及電抗的存在，傳輸過程中會產生一定量的功率損耗，包括有功和無功功率損耗。根據電路原理，要想減小這部分損耗就需要減小導線阻抗，或者增大電網的運行電壓。就導線本身的優化而言，由于導線的電阻是和其橫截面積成反比的，因此可以通過增大導線線徑的方法減小電阻進而減小有功功率損耗。但是較粗的導線意味著導線成本的提高，另外由于重量以及體積的增大，給安裝施工以及后續維護以及更換帶來麻煩。所以通過科學的評價方法選擇合適的導線線徑對于電氣自動化的節能設計具有非常重要的意義。在減小導線阻抗方面，還可以選擇電阻率較小材料的導線，例如用銅線代替鋁線，不過這同時也意味著成本的增加。在線路走線方面，盡量避免走彎路，這樣可以減小輸電線路的長度，也可以起到減小線路阻抗的目的。總體來考慮，減少電力傳輸工程中能源損耗的方法就是使用單位阻抗小的導線作為傳輸通道、優化線路走線，但是需要權衡投入，使得投入和損耗最小，電能產出最大，達到真正意義上的節能減排。

3.2 變壓器節能技術

變壓器作為電氣自動化系統中的常用電力設備，在輸電以及配電系統中起著至關重要的作用。在實際使用過程中，變壓器中的線圈由于存在電阻也會產生有功損耗，稱為銅耗；組成變壓器磁路的鐵磁材料也會產生鐵耗，這些損耗都不利用電能的高效傳輸。對于電力變壓器的技能設計而言，有效降低其空載損耗、負載過程的銅耗以及鐵耗是節能設計的方向。具體措施比如優化線圈的繞線結構、采用阻值較小的漆包線、使用性能優良的鐵磁材料等。在解決了變壓器自身損耗的基礎上，合理配置其接線形式，提高電能質量，也可以從負載角度提高電能利用效率。

3.3 有源濾波器對于節能的積極意義

有源電力濾波器是針對電力系統中的諧波而提出的電力裝置。近年來，隨著電力電子型非線性負載在電網中的大量使用，系統的電壓中出現了大量諧波。諧波的存在使得電能質量變差，對用戶產生很大的影響，同時也會造成不必要的電能損耗。電網中的諧波會導致電壓變化不正常，可能會引發系統誤操作，影響到各種電機的正常使用。隨著半導體功率器件技術的進步，利用有源電力濾波器來消除電力系統中的諧波成為解決諧波問題的重要方案。相比傳統無源濾波器，利用有源電力濾波器可以更大程度消除諧波，減少不必要的電能損耗，因此對于電氣自動化的節能優化也有著積極作用。

3.4 無功補償設備的合理配置

無功補償技術在電力系統中發揮著重要的作用，它可以改善電網的功率因數、平衡系統電壓以及降低輸送線路的功率損耗。通過合理配置無功功率裝置，可以最大可能地降低電網的能量損耗，改善電壓質量。相反，如果沒有科學合理的無功功率補償，電力系統會出現電壓波動、功率損耗增大的情況，影響系統的健康運行。

無功補償設備包括傳統的靜止電容器、同步調相機以及同步發電機和靜止無功補償器（SVC），也包括利用柔性交流輸電系統（FACTS）技術發展而來的靜止無功發生器（SVG）。這些無功補償裝置均能優化電氣自動化系統中的功率分布，但同時必須注意各種設備具有不同的工作特性。比如，同步調相機由于響應速度較慢并且自身損耗大，已基本淘汰。利用開關投切電容器的方案簡單可靠，但是只能有級調節，無法實現連續的調控能力。因此，在選擇無功補償設備的過程中，就需要有針對性使用。電氣自動化節能設計過程中必須科學設計無功補償裝置的配置，具體需要遵循以下幾個原則：

①根據系統運行參數選擇無功補償裝置，比如電壓等級和負荷容量等。

②根據電網的實際負荷狀態進行無功補償設備選擇，因為除了系統的具體參數外，必須還要考慮到負荷的特點，比如較大功率負荷適宜選擇動態補償裝置，而小負荷則優先選擇靜態補償裝置，這樣的配置方案可以使得電氣自動化系統的節能效果十分明顯。

③必須合理確定無功補償裝置的投切方式。在實際選擇過程中，必須優先選擇適用面廣和準確系數高的投切方式，避免使用投切遲緩、故障率高的方式。

④優先選擇就地補償方式。就地配置無功補償裝置可以達到更好的補償效果，同時降低功率損耗。

3.5 電氣自動化照明系統節能設計

照明系統是電氣自動化中一個必不可少的部分，其功率損耗也在整個系統的損耗中占據很大比例。因此，在電氣自動化照明系統中采取節能設計，對于提高能源利用率具有重要意義。鑒于照明系統自身的特點，其節能設計可以從以下兩個方面考慮：

①應該優化當前照明系統的照明效率，可以從更換更加節能的照明設備入手，也可以從系統角度分析，即對照明系統大范圍規劃，減少不必要的浪費，提高電能利用率。

②盡可能借助自然光進行照明，是節能的另一個思路，太陽光的大范圍利用對于電氣自動化的節能具有非常重要的意義。

3.6 光伏發電技術推進電氣自動化節能發展

光伏發電作為新興的可再生能源技術，是應對能源危機的解決方法之一。通過對太陽光能的捕捉，光伏系統可以將其轉化為電力共人們利用。充分利用太陽能這一綠色能源，對于電氣自動化的節能設計具有很強的現實意義。當前光伏發電系統尚處于發展期，在政府持續出臺支持光伏產業發展政策的機遇下，電氣自動化過程中應該更加注重這方面的節能設計，通過新能源的使用達到節能的目的。

4 結 語

在電氣自動化設備廣泛應用于各行各業的前提下，開展電氣節能設計具有非常重大的實際意義。本文從減少輸電環節的能量損耗、變壓器節能以及積極使用有源電力濾波器和無功補償裝置實現節能、照明系統節能和大力發展光伏發電推進節能等方面闡述了具體的節能設計方案及技術措施。隨著電氣自動化節能技術的發展，電能的使用過程會越來越高效和經濟，這對于改善電能使用緊張的現狀以及促進經濟社會的發展都有非常積極的作用。

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