電氣工程自動化及其節能設計的運用分析

翟石磊

摘 要：本文簡述電氣工程自動化節能設計過程遵循的安全性、技術性、持續性三點原則，分別從節能照明設計、變壓器節能、補償裝置使用、有源濾波器設置等方面對節能設計運用加以分析研究。

關鍵詞：電氣工程;節能設計;自動化

中圖分類號：TM76 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）02-0007-02

0 引言

經濟發展過程中，面臨的能源問題越來越復雜，提高能源的利用效率為各行業重點關注的問題。電氣自動化在建筑、電力、工業等領域有廣泛應用，在系統設計過程中，使用節能技術不但可以降低運行過程對能源的消耗，而且還能提高能源的利用效率，為行業效益的提升奠定基礎。

1 電氣自動化節能設計原則

（1）需要遵循安全性原則，在設計過程中，需要兼顧節能和安全兩個要點，保證電氣設備能夠安全運行，確保相關領域生活和生產的要求。（2）需要遵循技術性原則，優選節能設備、技術等，保證系統技術性能優越，提升節能效果。（3）秉承持續性原則。電氣自動化的節能設計，致力于能源合理利用以及環境保護，因此在設計過程，需要優選環保材料，使用節能減排措施，保證能源的高效利用，實現節能設計的持續發展[1]。

2 電氣自動化節能設計運用

2.1設計節能照明

2.1.1節能照明系統優勢

根據此公式可以看出，對系統展開節能設計主要可通過縮短照明時間、提高照明效率、使用高效燈具等方式。總體而言，建筑智能照明的節能設計，既要實現自動化控制功能，又應該能滿足人們日常需求，實現節約、低費用運行。

2.1.2系統節能措施運用

通常，建筑內的光照由自然光、人工光組成，當自然光難以達到照明需求時，此時人工照明發揮輔助作用，二者成反比關系。為實現照明系統的自動化，需要明確自然、人工兩種照明方式區別。若自然光超過設定值，此時為防止兩種光之間產生交替“空缺”，可設置光照度閾值為25%，當室內光照強度超出此值時，同時持續時長>15s時，人工照明即可自動降低光照亮度或者關閉，反之，則會自動打開系統，達到照明需求。假設照明系統單日照明使用時間在8：00～16：00，需要消耗電能4600kW/h時，浪費能源較多，使用自動化系統之后，能夠節約1380kW/h電能，占據總體耗能30%，因此節能效果良好[3]。

2.2 變壓器節能

電力自動化領域當中，變壓器為主要設備之一，肩負著轉換系統電壓和電流以及功率等重任，因此，在變壓器的運行過程，需要消耗較高的能量，當其空載運行時，也可產生較高的能量消耗，所以在自動化系統的設計過程，落實變壓器節能方面的設計，對電力自動化的持續發展具有重要影響。具體設計過程可按照以下方法進行：

（1）優選型材。合理選擇型材，在變壓器型材選擇過程中，需要優化組合，保證節能效果。合理設計硅鋼、銅片、絕緣料等，防止變壓器運行環節產生非必要的能耗。設計過程，優選銅質材料，由于其導電性能優良，因此可用作變壓器電線和電柜材料，適當降低其磁密，配合薄質冷軋硅鋼，以降低變壓器在空載環節產生的能量消耗。保證變壓器穩定工作的前提下，遴選優良材料作為運行介質，力爭在降低自動化設計成本的基礎上，實現節能。（2）使用節能變壓器。在設計電力自動化的系統過程，可結合節能要求，選擇節能型變壓器。當前，在市場上S11型號和S10型號的變壓器都具有良好的節能效果，并且兼具傳統變壓器的各種優勢。在使用此類型變壓器過程，需要控制其持續運行時間，不可長期運行，防止影響其使用年限，產生電力能源浪費問題。（3）按需選擇變壓器設置方式。通常在寫字樓建筑、工業廠房等電力系統中，可將變壓器設置于電力消耗中心位置，和不同輔助設備同區設置，以便減少電纜的敷設長度，在節約建設成本的同時，便于展開相關管理和運維工作，提高供電質量。在設計過程中，為了保證自動化系統中變壓器的節能效果，需要合理選擇變壓器容量、配置臺數等。對其額定容量確認的過程，需要結合變壓器需電量綜合進行。當變壓器容量過小時，可能在長期使用過程加速老化，縮短使用年限;反之，當選擇變壓器容量過大時，會造成其大部分時間為“輕載”狀態，不但浪費電力能源，也浪費其使用效率。因此，選擇變壓器容量環節，需提前預留20%左右冗余空間，保證對電力能源、變壓器效率合理利用的前提下，使其大部分時間處于最佳的狀態下運行，其最佳值可以利用相關公式推導出來，進而實現變壓器最節能狀態的運行。在數量的選擇方面，需要考慮電力過度消耗以及擴容等問題，當變壓器數量過多，無疑會增加成本，浪費資源。當自動化系統內使用≥2臺變壓器時，需將其并聯設置，保證其運行安全的同時，提高系統運行功率因數，節約能源消耗[4]。

2.3 使用補償裝置

（1）TCR，其工作原理為對和相控電容器相連的晶閘管進行控制，從而轉變電抗器的等效電納，將持續變化無功功率輸出。（2）TSC，其工作原理為按照負載產生的感性無功功率產生的變化，借助晶閘管“投入”、“切除”電容器，此時晶閘管僅作為投切開關。應用過程，將各個電容器上串聯1個阻尼電抗器，實現減小系統處于非常態下運行時對晶閘管產生的沖擊，防止產生諧振。（3）TCR和TSC組合，其工作原理為，若系統內電壓比運行設定電壓值低時，此時可按照需求補償的無功量，適當投入對應組數電容器，稍有“過補償”時，可借助TCR實現感性無功率的輸出，將過補償無功消除。反之，當系統內的電壓比設定運行電壓高時，此時可將各個電容器進行切除，保留TCR運行。TCR和TSC組合系統框圖1所示。

電氣自動化當中，系統中配電設備大部分容量被無功功率占據，不但導致線路損耗增加，而且還能導致電網中電壓降低，影響系統良性運行。對此，在節能設計方面，可使用補償裝置，在裝置使用過程需要注意幾點：（1）使用電容補償時，需要按照裝置使用負荷、電壓容量、功率因數等參數綜合確定電容器的容量;（2）適當使用“模糊投切”開關方式，保證裝置能夠靈活調節、適應性良好、追蹤精準等，提升補償效果。因為傳統補償電容內主要使用“分擔投切”的形式，需要按照內部編碼配置、比例分配等方式進行，難以實現當前自動化要求的補償效果;（3）使用無功功率為開關投切過程物理量參考標準，防止系統使用過程產生“無功倒送”以及“振蕩投切”等問題;（4）就地安裝補償裝置，實現即時補償，降低線路上的無功傳輸量，實現節能設計目標。

2.4 設置有源濾波器

無源濾波裝置主要由電抗器、電阻器和電容器等組成，使用過程能夠對諧波產生低阻抗通路，最終實現對高次諧波的抑制。因為使用SVC可實現的調節范圍為從感性區至容性區，因此將濾波器和動態控制電抗器之間并聯，即可實現無功補償效果，能夠將功率因數加以改善，進而將高次諧波消除，實現電氣節能效果。并且無源濾波器使用過程投資小、結構簡單、便于維護。但是在當前配電網當中，因為濾波器性質和特點，易受到系統中參數的影響，僅能對特定幾次諧波進行消除，同時，還會將某種諧波放大，導致“諧振”的現象。在電力和電子技術的不斷發展下，人們在電氣節能方面的研究力度逐漸加大，將關注點放在有源濾波器（也稱“APF”）方向。

有源濾波器是由集成運放以及R、C等元件組成，其應用過程具有質量輕、無需電感、體積小等優勢。其中集成運放的輸入阻抗、開環電壓等都相對較高，并且輸出的電阻小，組成有源濾波的電路之后，能夠對電壓進行緩沖、放大等。有源濾波器的工作原理為通過功率可控的半導體向電網內注入和諧波源的電流值大小相等，但是相位相反的電流，將電源位置的諧波電流進行抵消，保證線路整體諧波電流值為零，實現對諧波電流的實時補償。對比于無源濾波器，其具有幾點特點：（1）能夠對各次諧波進行補償，同時對“閃變”有良好的抑制作用，補償無功，不但“一機多能”，而且性價比高;（2）諧波的特點不會受到系統阻抗影響，因此能夠將系統阻抗產生的“諧振”危害消除;（3）具有良好的自適應能力，可對諧波變化進行自動跟蹤，響應速度快，且高度可控。有源濾波器安裝電路圖2所示。

應用有源濾波器，可減小線路的損耗，同時，有源濾波器的使用可消除諧波，防止設備產生誤動，變壓器、電機等產生的發熱現象，實現節能的目標。電氣設備產生誤動的主要原因為，電氣設備用量逐漸增加，導致系統內諧波量也越來越多，諧波電流可與阻抗電壓、基波電壓等產生重疊，引發電壓發生“畸變”，最終影響電氣設備正常使用，產生誤動情況。此時設置有源濾波器，可利用其動態性能的優異性，能夠針對系統中產生的諧波快速反應，擴大功率范圍，達到良好的無功補償效果。通常而言，有源濾波器的使用可及時過濾諧波，保證電氣設備產生誤動操作之前，及時阻止此動作，確保設備高效運行，提高自動化系統節能效果。

3 結語

總之，電氣自動化對于人們生活多個領域可產生重要影響，在其節能設計過程需要結合不同領域系統特點，合理選擇技術應用措施，保證自動化系統使用過程，節能性良好，安全系數高，且能夠對能源高效利用，進而促使節能技術的應用持續發展。

參考文獻

[1] 陳清山.關于電氣工程自動化信息技術及其節能設計探討[J].科技風，2020（02）：94.

[2] 林良智.電氣工程自動化信息技術及其節能設計研究[J].科技風，2020（01）：18+26.

[3] 羅英濤.關于電氣工程自動化信息技術及其節能設計探討[J].科學技術創新，2019（23）：88-89.

[4] 蓋鵬飛.電氣工程自動化信息技術及其節能設計探討[J].南方農機，2019（02）：165.