簡述變配電所設計節能措施

2014-11-29 09:30:36許冬梅中國建筑設計研究院北京100044

智能建筑電氣技術 2014年1期

許冬梅(中國建筑設計研究院，北京 100044)

在電能的傳輸過程中，變配電所是必不可少的，并起著至關重要的作用，因此對變配電所的設計要認真分析、研究，并采取全方位的節能措施。

1 變配電所所址選擇

民用建筑中，電氣設備的電壓等級通常為220/380V，常用的變配電系統為10/0.4kV變配電系統，因此本文所論及的變配電所即專指10/0.4kV變配電所。《民用建筑電氣設計規范》(JGJ 16-2000)及《10kV及以下變電所設計規范》(GB 50053-94)均要求變配電所的位置應深入或接近負荷中心，以盡可能地縮短低壓出線電纜的長度，從而減少輸電線路上的壓降、降低輸電線路電能的損耗。

舉例說明：假設一內設一臺10/0.4kV 1000kVA變壓器的變配電所離負荷中心的距離減少100m，即高壓供電電纜的長度增加100m、低壓供電電纜的長度減少100m，由此產生的電能損耗變化為(假定變壓器的負載率β=Sjs/Sr=80%，式中：Sjs為變壓器計算負荷，kVA；Sr為變壓器計算負荷，kVA：

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

其中：高壓側計算電流：

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生的電能損耗為：

其中:低壓側計算電流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)假定該工程日運行時間為12h、使用系數為0.7、則年耗電量可減少值為：

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

即當一臺1 000kVA變壓器深入負荷中心100m時，每年折合可節約燃煤約3.36t。

在實際工程項目中，變壓器裝機容量往往不止1 000kVA，而是幾千甚至是幾萬kVA，因此具有更大的節能空間。如筆者新近設計的一個22萬m2的大型商業建筑,變壓器裝機容量為27 000kVA，按每1 000kVA折合可節約燃煤3.36t計算，則其每年折合可節約的燃煤量達到90.72t，節約效果非常可觀。

一旦實現變配電所深入負荷中心，各個變電所需要配置的變壓器的容量就不會太大。當變壓器容量不大于1 250kVA，高壓配電柜可采用環網柜時，可采用一體化組合式變電站或戶內箱式變電站。

一體化變電站由三個模塊即高壓環網柜模塊、變壓器模塊和低壓柜模塊組裝而成。可廣泛應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完成。這種緊湊型變電站能節省連接線路的線材和電力損耗。據有關資料顯示，對于一臺1 000kV的變壓器，采用一體化變電站后較傳統的室內變電所其連接線一次投資可節省約16 000元，節省效率為88%；連接線電力損耗減小214W，節省效率約為73.2%；線路長度減少1.6m，節省效率約為55.2%。

戶內變電站是在一體化變電站的基礎上進一步升級，是戶外箱式變電站的戶內版，具有傳統戶內變配電所所有的功能，完全可替代傳統戶內變配電所。此產品采用模塊化結構設計，占地僅為2～4m2，高度僅為1.8m，全絕緣、全密封。只要是在室內，不需要專設的房間，可安裝在地下室的任何地方，便于直接深入負荷中心。對于低壓出線回路比較少的住宅小區變電所，戶內變電站尤其適用。戶內變電站較傳統戶內變配電所可節省母線橋架、柜內母線、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生的電費。

表1 各類建筑物的單位建筑面積用電指標

2 變壓器容量及運行方式選擇

配電用變壓器是配電系統中常用的主要電源設備，同時又是自身耗能的電氣設備，只要通電，變壓器就一直處在運行狀態，當然自身也在持續地消耗著電能。

盡可能地減少變壓器能耗的主要技術措施包括選用節能型變壓器；合理選用變壓器的容量與負荷、控制變壓器運行臺數,使變壓器運行在最佳狀態。

(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—變壓器負載(短路)有功損耗，kW；

Sjs—變壓器計算負荷，kVA；

Sr—變壓器計算負荷，kVA；

β=(Sjs/Sr)—變壓器的負載率

由上式可以看出，變壓器的電能損耗不是由某一個參數決定的，而是和變壓器自身的空載有功損耗、短路有功損耗及負載率等多個參數有關。其中變壓器的空載損耗(即鐵損)是固定損耗，只要接通電源，此損耗就存在且數值是基本不變的；而變壓器運行時實際產生的負載有功損耗(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行時的負載率有關。變壓器的空載、短路有功損耗越小，則其有功電能損耗越小；變壓器的負載率越小，變壓器的有功損耗也會越小。對于同一型號的變壓器，容量越大，其空載有功損耗和短路有功損耗也會越大。對一負荷基本不變的負載來說，如果選用大容量的變壓器，其負載率小，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，但其負載率又大。通常情況下變壓器經濟運行的負載率為60%～85%。

綜合評估，合理選擇變壓器的容量，要求變壓器的設計容量處于最佳值，同時要求變壓器所帶的實際負荷與其設計值盡可能的接近。

設計選用變壓器的容量時,可參照表1。

(2)變壓器運行方式選擇

變壓器的功率損耗率：

其中：Pjs—變壓器運行時所帶的實際負載功率，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，簡稱功耗率。

變壓器所帶實際負荷的值在不同運行階段是不同的，特別是季節性負荷(如采暖、空調)或專用負荷(如體育場的場地比賽照明、演出場所的演出用電)對系統的影響更大。變壓器運行在負荷過小、負載系數過低狀態時，其傳遞電能的效率很低，此時功耗率和電能損耗急劇增大，特別是變壓器長時間在低載狀態下運行。

另外，變壓器在不同的負載系數下，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。要使變壓器運行于經濟運行狀態下，必須在確保其工作效率盡可能高的前提下盡量降低實際能量損耗。為此,可采取設置兩臺或多臺變壓器并列運行，對于季節性負荷或專用負荷還可設置專用變壓器。

3 功率因數補償

電力系統的自然平均功率因數為

式中：Pjs-有功功率,kW

Sjs-視在功率,kVA

有功功率是設備正常運行時用于將電能轉換為其他能量的電功率，如水泵用電動機就是將電能轉換為機械能而帶動水泵抽水、照明設備就是將電能轉換為光能以供人們工作或生活照明。無功功率是相對有功功率來說的，它的產生是由于電力系統中電感性負載(如變壓器、電動機、照明燈具啟動器、整流器、變頻器、線路等)的存在，它是維持這些電感設備運轉但并不消耗的能量，存在于電網與設備之間，是電網和設備不可缺少的能量部分。然而無功功率如果被設備占用過多，使得電力系統功率因數偏低、電流加大從而使傳輸電流的導線截面增加、降低變壓器有功功率輸出能力即同樣大小的有功負荷需選用更大容量的變壓器、電能傳輸過程中壓降加大、引起線路損耗及電力系統無功電能消耗量加大。負載功率因數與變壓器有功功率輸出能力的關系參見表2。

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

實際情況往往是在盡可能采用提高自然功率因數措施后仍然滿足不了電網的合理運行要求，這就需要設置電力電容器作為無功補償裝置以提高系統功率因數。

高壓電氣設備的無功功率宜采用高壓電容器補償，低壓電氣設備的無功功率宜采用低壓電容器補償。對于民用建筑來說，通常的做法就是在變電所低壓側集中設置低壓電容器，自動補償。

對于初中生而言，年齡相對較小，對任何事情都具有著很大的好奇心，因此只要初中語文教師注重活躍課堂氛圍，就很容易將學生帶到相應的情境之中，激發他們的學習興趣。在過去傳統的初中語文教學中，教師并不重視課堂氛圍，只是簡單地講授知識點，造成學生認為語文學習枯燥乏味，出現排斥心理，影響到初中語文的教學質量。因此，為了打破過去教學方法的束縛，教師應該積極使用多元化的教學方法。在講課的過程中，教師可以面帶微笑，在課堂上營造出輕松、活躍的課堂氛圍，通過提問或是小故事等形式引導學生積極發言，多與學生進行互動。例如在講述詩歌古文時，教師可以以小組為單位舉行朗誦比賽，讓學生們扮演詩人來抒發自己的情懷等。

低壓集中自動補償一般是將低壓電容器分成多組接在變電所低壓母線側，同時需裝有自動控制器。通過采集低壓母線上的無功功率和設定要求的功率因數來控制電容器組的投切，使功率因數基本維持在設定的數值附近。電容器的投切分組進行，是有級別的，不是平滑調節。當電力系統中諧波嚴重時，還應在電容器回路中串接一定量的電抗器。