淺議供配電系統設計節能

李澤平(北方設計研究院， 河北 石家莊 050011)

由于人口的快速增長，工業的迅速發展，人們生活水平的不斷提高，能源的消耗也呈現出急劇增加的趨勢，能源供應壓力越來越大。近些年， 黨中央、國務院高度重視能源的節約問題，并出臺了一系列關于節約能源的政策，提出了建設“資源節約型”社會的偉大目標，大力推廣“節能省地”型建筑。在“十一五”規劃綱要中，首次將建筑節能工程列入國家十大節能工程，節約能源已成為每位公民應盡的責任和義務。

1 供配電系統的節能

供配電系統設計應在滿足可靠性、經濟性及合理性的基礎上，提高整個供配電系統的運行效率，并盡量降低建筑物的單位能耗和系統損耗。根據負荷容量、供電距離及分布、用電設備特點等因素合理設計供配電系統，做到系統盡量簡單可靠、操作方便，同一電壓供電系統變配電級數不宜多于兩級。變配電所應盡量靠近負荷中心，以縮短配電半徑減少線路損耗。合理選擇變壓器的容量和臺數，以適應由于季節變緩造成負荷變化時能夠靈活投切變壓器，實現經濟運行，減少由于輕載運行造成的不必要電能損耗。

1.1 供電方案

針對電氣系統構成做全方位的節能分析，在安全、可靠的前提下，供配電系統設計應將節能作為主要技術經濟指標進行多方案比較，優化設計方案，改進機電設備經濟運行方式，提高變配電系統節能運行的實效性。

圖1和圖2所示是一個住宅小區的供配電方案比較。第一方案是采用兩臺1 000kVA的變壓器集中設置變電所，變電所距用電負荷較遠，外部低壓電纜出線回路多，線路長，投資高，運行費用大，高低壓設備一次投資較小；第二方案是將兩臺大容量的變壓器分解為若干容量較小的變壓器，以箱式變電站的型式供電，使變配電設施盡可能地接近負荷中心。該方案高低壓設備一次投資大，供電可靠性高，且運行費用低。其運行時間越長，節能效果就越明顯，但該方案由于箱變接近用電負荷中心，布置分散，管理起來不太方便，且占地多。綜合比較以上兩方案，建議在條件允許時優先選用第二方案。

1.2 負荷計算的合理性

圖1 某住宅小區的供配電方案一

圖2 某住宅小區的供配電方案二

電氣設計一般根據工程使用性質，設備選用情況等進行負荷計算，得出計算負荷后，選擇相應的電器產品。計算負荷是一個假想的持續性負荷，其熱效應與同一時間內實際變動負荷所產生的最大熱效應相等。

負荷計算的方法有很多種，配電房的負荷計算一般采用需要系數法，需要系數取值是否合理對計算結果的準確性至關重要。

1.3 變配電設備的選擇

在現行的相關規范中已對變配電設備節能等方面做出規定，應遵照執行。人們通常容易追求狹義上的節能，而能源是各種資源中的一種，如果從廣義上追求節能，應該與節約自然資源、社會資源、節約投資相統一。除了應該從系統使用周期內分析如何選擇電氣產品以外，還應該從使用期前和使用期后的不同角度進行更加全面的分析。如選擇的變壓器絕緣材料在生產和回收時是否更加節能環保，利用程度等方面是否合理。

主要變配電設備必須通過電力負荷、電能損耗、無功功率補償計算確定。避免出現“大馬拉小車”等浪費現象，并且要在追求節能的同時，充分利用有限的投資更加切合實際地提高系統的可靠性。

1)變配電設備的選擇原則

(1)選擇自身功耗低的變配電設備。

(2)選擇國家認證機構確認的節能設備。

(3)選擇符合國家節能標準的變配電設備。

(4)變壓器的選擇

據有關資料統計，我國變壓器的總損耗占系統發電量的10%左右，10kV供配電系統中，配電變壓器的損耗占80%以上。因此，合理選擇節能型變壓器對整個供配電系統的節能起著至關重要的作用。

變壓器的選擇應做到：

(1)應選用低損耗、低噪音的節能變壓器。

(2)根據各種用電設備的性質，正確進行負荷計算，合理選擇變壓器容量、臺數、接線方式及運行方式。變壓器負荷率不應低于30%，宜在70%～80%的范圍，并保持三相負荷平衡分配。

(3)單臺變壓器的容量不宜過大，以避免供電線路過長，增加線路損耗。

變壓器的有功功率損耗如下式表示：

△Pb＝Po＋Pkβ2其中 ：

△Pb—變壓器有功損耗(kW)；

Po—變壓器的空載損耗(kW)；

Pk—變壓器的有載損耗(kW)；

β—變壓器的負載率。

Po部分為空載損耗，又稱鐵損，它是由鐵芯的渦流損耗及漏磁損耗組成，是固定不變的部分，大小隨矽鋼片的性能及鐵芯制造工藝而定。所以，變壓器應選用節能型的，如S11、SL11、SH15 及SC10、SCRBH15等型油浸式變壓器或干式變壓器，它們都是采用優質冷軋取向矽鋼片，由于“取向”處理，使矽鋼片的磁疇方向接近一致，以減少鐵芯的渦流損耗；45°全斜接縫結構，使接縫密合性好，以減少漏磁損耗。

Pk是傳輸功率的損耗，即變壓器的線損，決定于變壓器繞組的電阻及流過繞組電流的大小，即與負載率β的平方成正比。因此，應選用阻值較小的繞組，可采用銅芯變壓器。從Pkβ2用微分求它的極值，在β＝50%處每千瓦的負載，變壓器的能耗最小。因此，在上世紀80年代中期設計的民用建筑，變壓器的負載率絕大部分在50%左右，在實際使用中有一半變壓器沒有投入運行，有的設計人員一直沿襲這種做法。但是，這僅是為了節能，而沒有考慮經濟價值。舉下例可看出其不可取的程度。

SC10-2000kVA的變壓器，當β＝50%時相對于β＝85%時可節能為P＝16.01×(0.852-0.52)=7.56kW，按商場最高用電小時計：每天12h，365天全營業，則總節約電能：W＝7.56×12×365＝33 113kW·h。按營業性電價每度0.78元計，則每年節約：33 113×0.78＝25 828元。

按每千瓦的初裝費投資：2 000kVA變壓器應用于大型民用建筑，必然雙電源進線，則初裝費每kVA為2 240元，每年節能省下的電費只能提供(25 828／2 204＝11.53)11.53kVA的 初 裝 費。還 有988.5kVA的初裝費，加上由于加大變壓器容量而多付的變壓器價格，由于變壓器增加而使出線開關柜、母聯柜增加引起的設備購置費，安裝上述設備使土建面積增加而引起的土建費用，這是筆相當可觀的投資，還沒有計及折舊維護等費用。由此可見，取變壓器負載率為50%是得不償失的。

事實上50%負載率僅減少了變壓器的線損，并沒有減少變壓器的鐵損，因此也不是最節能的措施。計及初裝費、變壓器、低壓柜、土建的投資及各項運行費用，又要使變壓器在使用期內預留適當的容量，變壓器的負載率應在75%～85%為宜。這樣也可以做到物盡其用，因為變壓器絕緣的使用年限滿負荷計為20年，20年后可能有更好的變壓器問世，這樣就可以有機會更換新的設備，才能使該建筑總趨技術領先地位。

在變壓器選擇中，能掌握好上述幾點原則，即滿足節約能源，又經濟合理的原則。

下面再簡單介紹一種正在被積極推廣并將被廣泛應用的新型節能變壓器—非晶合金變壓器。

從上世紀70年代發展起來的非晶合金，作為一種高效節能材料，進入90年代后，在配電變壓器上進入了實用階段。迄今為止，全球已有200萬臺非晶合金鐵芯變壓器在電網上運行，其中運行時間最長的已達30余年。實踐證明，非晶合金變壓器性能穩定可靠，節能效果顯著，是配電變壓器理想的更新換代產品。

非晶合金是一種厚度約0.025mm的特殊軟磁材料，它是一定比例的合金原料在熔融狀態下經過超速冷卻而形成的帶狀金屬。它具有極低的損耗，特別適合用作變壓器的鐵芯。目前非晶合金變壓器分為油浸式和干式兩種，干式又分為環氧和浸漬式。非晶合金干式變壓器繼承了傳統干式變壓器的難燃、阻燃、可靠性高及免維護等優點，還具備空載損耗低(比普通S9硅鋼片變壓器低80%左右，比常規干式變壓器低70%以上)、空載電流下降約80%，且對輸電線路無特殊要求，無論是用電高峰或低谷它都可以連續節能。

現以一臺10型1 000kVA普通干式變壓器(售價約為18萬元)為例，相應一臺非晶合金變壓器的價格大約為24萬元左右，根據其節能效果，經綜合比較，大約6年左右即可收回多余成本。考慮銀行利息為6%，不考慮通貨膨脹因素，多投資的部分含利息為7.8萬元，變壓器正常壽命30年，剩余24年節約費用12.6萬元。可見，非晶合金變壓器節能效果和經濟性都十分顯著。

1.4 功率因數補償

功率因數的補償應做到：

1)在配電設計時，應正確選擇變壓器容量、照明燈具等，提高用電單位的自然功率因數。

2)當自然功率因數偏低，達不到電網合理運行的要求時，應采用并聯電容器作為無功補償裝置。

3)低壓部分的無功功率宜由低壓電容器補償，高壓部分的采用高壓無功補償裝置。

4)配電系統中基本無功補償宜在變電所內集中進行。

5)容量較大，負荷平穩且經常使用的用電設備宜就地補償。

6)10kV，35kV供電的單位，進戶點功率因數應不低于0.9；低壓供電的單位，在進行無功補償時，其功率因數應不低于0.85。

有功功率是滿足建筑物功能所必須的，因此是不可變的。系統中的用電設備，如電動機、變壓器、線路、氣體放電燈中的整流器都具有電感，會產生滯后的無功功率，需要從系統中引入超前的無功功率相抵消，這樣超前的無功功率就從系統經高、低壓線路傳輸到用電設備，產生了有功損耗，而這部分損耗是可以想辦法改變的，其措施是，提高設備的自然功率因數，以減少對超前無功的需求，可采用功率因數較高的同步電動機；采用電感鎮流器的氣體放電燈，單燈安裝電容器等，都可使自然功率因數提高到0.85～0.95，這就可減少系統的超前無功功率。

由于感抗產生的是滯后的無功，可采用電容器補償，因為電容器產生的是超前的無功，兩者可以相互抵消，即Q=QL-QC，因此無功補償，可以提高功率因數，因而也減小了無功的需求量。

目前，建筑設計中，絕大部分采用變壓器低壓側集中補償，這種做法僅減少了區域變電站至用戶處的高壓線路上的無功傳輸，提高了用戶處的功率因數，可以不受或少受電業局的罰款。而對用戶，無功仍由變壓器低壓母線經傳輸線路輸送到各用戶點，低壓線路上的無功傳輸并沒有減少，那么無功補償也就達不到節能的目的。對容量超過10kW的風機、水泵、傳送帶等電動機端宜設置就地補償裝置，空調主機及冷凍泵等常在其附近設有變配電所，可以集中補償，但若供電距離超過20m時也最好采用就地補償。

負荷平穩的電動機可采用就地補償是因為負荷變動時電機端電壓也變化，使電容器沒有放完電又充電，這時電容器會產生無功浪涌電流，使電機易產生過電壓而損壞。因此，斷續負載，如電梯、自動扶梯、自動步行道等不應在電動機端加裝補償電容器；另外，如星三角起動的異步電動機也不能在電動機端加裝補償電容器，因為它起動過程中有開路閉路瞬時轉換，使電容器在放電瞬間又充電，也會使電機過電壓而損壞。

處理好上述幾部分，即減少自然無功、無功補償及補償裝置的安裝地點，就可以實現合理的選擇無功補償方式而達到節能的目的。

1.5 諧波的治理

隨著科技的迅速發展，電子技術和產品被大量使用，在給人們的生活帶來便捷的同時，也因其使用大量的非線性、高動態負荷，從而給電網注入了大量的諧波，對電能質量造成了很大的影響。

諧波的危害主要表現在以下幾個方面：

1)諧波對旋轉電機的影響

諧波對旋轉電機的主要影響是引起附加損耗，其次是產生機械振動、噪聲和諧波過電壓。

2)諧波對供電變壓器的影響

諧波電流不但引起變壓器繞組附加損耗，也引起外殼、外層硅鋼片和某些緊固件發熱，并且有可能引起局部的嚴重過熱。諧波使變壓器噪聲增大，諧波源造成的流經變壓器的諧波電流在諧振條件下可能損害變壓器。

3)諧波對換流裝置的影響

交流電網的電壓畸變可能引起常規變流器控制角觸發脈沖間隔不等，并通過正反饋而放大系統的電壓畸變，使整流器的工作不穩定；而對逆變器則可能發生連續的換相失敗而無法正常工作，甚至損壞換相設備。

4)諧波對并聯補償電容器和電纜的影響

諧波會引起電容器局部放電，加速電容器介質老化，縮短使用壽命。在一定條件下諧波極易與無功補償電容器組引起諧振或諧波放大，從而導致電容器因過負荷或過電壓而損壞；對電力電纜也會造成電纜的過負荷或過電壓擊穿。

為預防和有效的治理諧波，在電氣設計時，應采取以下措施：

(1)在供配電系統中，變壓器的繞組宜采用D,Yn-11型聯結。

(2)對于某次諧波特別嚴重的場所，可采用專用的變壓器供電。

(3)根據負荷性質，在變電所低壓側補償電容器回路串接適當配比的消諧電抗器。

(4)當設計過程中對諧波難以預測時，宜預留必要的濾波設備空間。

(5)盡可能使用電負荷三相平衡。

(6)采用無源和有源濾波裝置。

(7)建筑物內的低壓配電系統采用TN-S型。

1.6 減少線路損耗

據資料統計，在我國的10kV供配電系統中，線路損失占到20%左右。低壓配電系統中，在線路上的總電能損耗，一般為用電設備總額定功率的5%～8%，其所占比例是相當可觀的。

當電網輸送電能時，在網絡中就產生功率損耗，其線路參數和負荷大小密切相關。提高電網的功率因數，減少電網的無功功率及導線中的電阻等,均能降低電網中的線損。具體途徑如下:①合理選擇線路路徑；②合理確定電氣功能用房的位置，變壓器盡量接近負荷中心，以減少供電半徑；③增大導線截面，充分利用季節性負荷線路；④提高系統的功率因數，提高設備的自然功率因數,以減少對超前無功的需求，安裝無功補償裝置，容量大且平穩的負荷實行就地補償方式，容量較小或斷續的負荷宜采用變壓器低壓側集中補償方式。

線路損耗的公式展開后得下列計算式：

△P＝3IΦ2R×10-3

＝(RP2/UL2＋RQ2/UL

2)10-3(kW)

式中：UL—線電壓(V)

P—有功功率(kW)

Q—無功功率(kVar)

IΦ—相電流(A)

R—線路電阻(Ω)

前項RP2/UL2為線路上傳輸有功功率而引起的功率損耗，后項RQ2／UL2為線路上傳輸無功功率而引起的功率損耗。

例如，在L=100m的VV-3×50+2×25的電纜上傳輸60kW，cosφ=0.8的電能，其有功損耗量，可由以下步驟求得：IΦ=60×103/(×380×0.8)=113.6A。

芯線溫度70℃的50mm2銅芯線每公里電阻RO=0.44，則R=0.1×0.44 ＝0.044(Ω)。

△P=3×113.62×0.044×10-3=1.704kW

從以上可看到，線路上的功率損耗相當于每6m的線路上裝一個100W的燈泡。

在一個工程中，線路左右上下縱橫交錯，小工程線路全長不下萬米，大工程更是不計其數，所以線路上的總有功損耗是相當可觀的，減少線路上的能耗必須引起設計重視。

線路上的電流是不能改變的，要減少線路損耗，只有減小線路電阻。線路電阻R＝P×L/s，即線路電阻與電導P成正比，與線路截面S成反比，與線路長度L成正比，因此減少線路的損耗應從以下幾方面入手：

(1)應選用電導率較小的材質做導線：銅芯最佳，但又要貫徹節約用銅的原則。因此，在負荷較大的二類、一類建筑中采用銅導線，在三類或負荷量較小的建筑中采用鋁芯導線。

(2)減小導線長度：首先，線路盡可能走直線，少走彎路，以減少導線長度；其次，低壓線路應不走或少走回頭線，以減少來回線路上的電能損失；第三，變壓器盡量接近負荷中心，以減少供電距離，低壓線路的供電半徑一般不超過200m，由最末一級照明配電箱至最末端一個燈具的支線長度，一般要求不宜超過40m，直線距離不宜大于30m。當建筑物每層面積在10 000m2左右時(這種情況一般少見)，至少要設兩個變配電所，以減少干線的長度；第四，在高層建筑中，低壓配電室應靠近豎井，而且由低壓配電室提供給每個豎井的干線，不至于產生支線沿著干線倒送的現象。即低壓配電室與豎井位置的布局上應使線路都分向前送，盡可能減少回頭送電的支線。

(3)增大導線截面：首先，對于比較長的線路，除滿足載流量、熱穩定、保護的配合及電壓損失所選定的截面，應再加大一級導線截面，所增加的費用為M，由于節約能耗而減少的年運行費用為m，則M／m為回收年限，若回收年限為幾個月或一、二年，則應加大一級導線截面。一般而言，導線截面小于70mm2，線路長度超過100m的增加一級導線截面比較容易實現上述條件。其次，利用某些季節性負荷的線路，這些用戶不用時，可提供給常期用戶作供電線路使用，以減少線路和電阻。例如，將空調風機、風機盤管與照明、電開水等計費相同的負荷，集中在一起，采用同一干線供電，既可便于用一個火警命令切除非消防用電，又可在春秋兩季空調不用時，使同樣大的干線截面傳輸較小的電流，從而減小了線路損耗，這就相當于充分利用了季節負荷的線路。

另外，我國銅礦資源較少，而鋁礦資源比較豐富。國內配電導體所采用的銅主要依靠進口，在國際銅價持續高漲的形勢下，如果設計人員只用銅導體而不用鋁導體，全國將在導體材料上有更大的耗費，也必然多耗費能源，不利于我國的資源開發利用。節能設計不是為了追求單一化的節能目標，而是必須要考慮能源與資源之間的關系，提高全國大范圍的社會系統效率。現在不是簡單地重提“以鋁代銅”的政策，而是要強調在設計中科學地使用導體材料，該用銅時就用銅、該用鋁時就用鋁，倡導“以鋁節銅”。這樣的應用方式符合我國具體的國情，符合建設節約型社會的發展方向，對在全國范圍內相關聯的產業結構健康持續發展和長期節能有很大好處。

2 建筑電氣設備的節能控制

建筑電氣設備的節能控制主要包括：(1)空調系統。其主要內容包括：①冷凍水與冷卻水系統的優化控制；②冰蓄冷系統的優化控制，現行的冰蓄冷控制技術還很不成熟，冰蓄冷控制策略仍需作深入研究，尤其是在蓄冰裝置優先方式下的融冰策略的研究，對于提高冰蓄冷系統的能源利用效率，促進冰蓄冷技術的商業化應用具有決定性的意義；③熱交換系統溫差與流量的優化控制；④變風量系統等控制技術。(2)給排水系統的優化控制。(3)電梯，包括電梯的合理選型(如速度、載重量、調速方式等)、停層計劃及群控策略。(4)電動門窗，包括門窗的節能控制、遮陽系統的自動控制等。

變頻技術在水泵、風機等系統中的應用越來越廣泛。它根據系統的運行情況，實時調整系統的運行參數，使系統達到最佳運行狀態，并最終達到節能的目的。它的缺點是給系統帶來了諧波污染。

3 動力設備的節能控制

作為動力源的電動機，從家用電器到民用建筑內部以及各行各業中均用得比較普遍，其耗電量極大。減少電動機電能損耗的主要途徑是提高電動機的效率和功率因數，主要可以從以下幾個方面著手：

1)采用高效率電動機。提高電動機的效率和功率因數，是減少電動機的電能損耗的主要途徑。與普通電動機相比，高效電動機的效率要高3%～6%，平均功率因數高7%～9%，總損耗減少20%～30%，因而具有較好的節電效果。所以在設計和技術改造中，應選用Y、YZ、YZR等新系列高效率電動機，以節省電能。另一方面要看到，高效電機價格比普通電機要高20%～30%，故采用時要考慮資金回收期，即能在短期內靠節電費用收回多付的設備費用。一般符合下列條件時可選用高效電機：

(1)負載率在0.6以上；

(2)每年連續運行時間在3 000h以上；

(3)電機運行時無頻繁啟、制動(最好是輕載啟動，如風機、水泵類負載)；

(4)單機容量較大。

2)根據負荷特性合理地選擇電動機容量。首先要了解負荷的特性，然后根據電機的工作環境及負載特點選用合適的電動機，避免“大馬拉小車”的現象出現，以提高電動機運行的效率和功率因數。

3)輕載電動機采取降壓運行，對經常處于輕負荷運行的電動機，應采用三角-星切換裝置。當負荷系數低于0.13時，將三角形接法的電動機改為星形接法，可以達到良好的節電效果。對于經常輕載(負載率小于0.14)的生產機械，也可采用具有啟動功能的輕載節電器，以達到“輕載降壓運行節點”的目的。條件允許時，可采用比變頻器價格便宜的另一種節能措施是采用軟起動器。軟啟動器設備是按起動時間逐步調節可控硅的導通角，以控制電壓的變化。由于電壓可連續調節，因此起動平穩，起動完畢，則全壓投入運行。軟啟動器也可采用測速反饋、電壓負反饋或電流正反饋，利用反饋信息控制可控硅導通角，以達到轉速隨負載的變化而變化。

軟啟動器通常用在電機容量較大、且又頻繁啟動的水泵設備以及附近用電設備對電壓的穩定要求較高的場合。因為它從啟動到運行，其電流變化不超過三倍，可保證電網電壓的波動在所要求的范圍內。但由于它是采用可控硅調壓，正弦波未導通部分的電能全部消耗在可控硅上，不會返回電網。因此，它要求散熱條件較好、通風措施完善。

4)改進控制方式，提高運行效率。對需要根據負荷變化調節的設備采用調速電機，是節電的有效方法。交流電動機調速分為變極調速、變頻調速和變轉差率調速三種方式，節電效果以變頻調速最為明顯。在水泵、風機、壓縮機、電梯等機械上應用變頻器不但可以節約大量電能，還可以提高控制質量，是實現機電一體化的重要手段。

4 結束語

我國加入WTO 后，在建筑電氣節能設計領域中面臨著新的挑戰，因為國外的設計公司在設計過程中十分重視節能和環保，如果我們在設計過程中不重視節能，就有可能被淘汰出局。而節能工作牽涉的方面又十分廣泛，從發電廠開始到線路末端的用戶都應該高效地使用電能以減少損失。對于設計者而言，就是要正確的確定供電方案、合理的選用電器設備(變壓器，電動機，電纜，照明光源等)，為人類提供健康、舒適、安全的居住、工作和生活空間的同時，又能行之有效地節約能源。

[1]中國航空工業規劃設計研究院.《工業與民用配電設計手冊》(第三版)[M].北京：中國電力出版社,2005.

[2]中國建筑標準設計研究院.《全國民用建筑工程設計技術措施節能專篇》(電氣)[M].北京：中國計劃出版社,2007.

[3]上海現代建筑設計集團有限公司.《建筑節能設計統一技術措施》(電氣)[M].北京：中國建筑工業出版社,2009.