基于電磁平衡技術的節電器在通信機房中的節能應用

王 輝，高智濤，龐松濤，李雪雷

（河南省信息咨詢設計研究有限公司，河南 鄭州 450000）

1 項目背景

1.1 通信機房現有節電技術

1.1.1 選取有節電功能的通信設備

（1）主設備節能：替換老舊設備。

（2）節能型功能：采用智能關斷。

1.1.2 在基礎設施規劃時采用節能技術

1.1.2.1 小型局房

（1）電源類：高效開關電源模塊、模塊休眠、直供電改造、磷酸鐵鋰電池。

（2）空調類：智能雙循環（氟泵）、新風、太陽能發電。

1.1.2.2 核心局房（含IT機房）

（1）電源類：高效開關電源模塊、開關電源模塊休眠、模塊化UPS智能休眠。

（2）空調類：智能雙循環（氟泵）、氣流組織優化、新風、云艙。

1.1.2.3 IDC機房

（1）電源類：高效UPS、高效開關電源模塊、開關電源模塊休眠、節能型變壓器、模塊化UPS智能休眠、高壓直流、市電直供。

（2）空調類：智能雙循環（氟泵）、氣流組織優化、新風、蒸發冷卻機組冷水機組/AHU、板換冷卻塔自然冷卻、封閉冷通道技術。

1.1.3 其他節能技術的應用

選擇LED燈具、智能開啟燈具等。

在以上節電技術及方案中，重點推廣節能效果好、投資回收快的節能技術，選用節能型設備。

1.2 技術革新

1.2.1 其他行業案例

2019年10月，工業和信息化部發布基于電磁平衡原理、柔性電磁補償調節的節能保護技術應用案例。該技術可以有效降低設備能耗，以照明設備為主體系統可節約15%～35%，動力混合負載可節約6%～20%。

1.2.2 國家發布的試點情況

《國家工業節能技術應用指南與案例（2019）》案例試點：中國石油化工股份有限公司長嶺分公司二污 2# 變壓器，最常用負載為 800 kW ，每年用電量為 700.8 萬千瓦時，節電率為 11.3% ，每年節電量為 79.2 萬千瓦時 ，折合為標準煤 269.28 tce/a。

1.2.3 節電技術的應用情況

基于電磁平衡原理、柔性電磁補償調節的節能保護技術應用已比較成熟。但本技術在通信機房的應用尚未開始，基于以上原因，本文深入研究小型節電器，以論證該技術在通信機房應用的可行性。

2 節電器核心技術

2.1 技術原理

電能優化裝置采用第五代電磁平衡原理，將一組串聯并異相纏繞的電抗器和一組并聯固定式自耦調壓器組合在一個三柱型鐵芯上，通過特種鐵芯材料和特殊制造工藝有效治理多種電污染，起到穩定供電電壓、濾除諧波、抑制浪涌、平衡三相、提高功率因數、有效保護和延長用電設備壽命的功能[1]。

2.2 功能特點

2.2.1 提高功率因數原理

通過內置線圈的移相與組別調整，改變感性設備的相位角使磁滯損耗最小化。有效減小電壓與電流之間的相位角，從而提高功率因數，減少了無功功率在電網中的流動，降低輸配電線路中變壓器及母線因輸送無功功率造成的電能損耗，提高電能利用率。

2.2.2 實現三相平衡

以電磁平衡作為基本原理，通過裝置對于相序電感量的調節，采用磁電交換、磁勢再分配方式來減少三相電壓的不平衡度，使線電壓、線電流的不平衡度小于2%，從而使三相電壓基本平衡。

2.2.3 調節運行電壓

節電裝置內部配有立體卷鐵芯調壓器，能有效地調節市政供電的電壓不穩定，使負載端用電設備達到經濟運行電壓，從而保護用電設備，延長使用壽命，同時降低電耗，為企業節約能源成本。

2.2.4 抑制諧波污染

節電裝置內部并聯了諧波抑制線圈，它可以吸收市電送來的高次諧波，同時能抑制用電設備產生的諧波。通常可濾除 60%～80% 的諧波污染。

2.2.5 抑制浪涌和瞬流實現節電

節電裝置采用特殊磁性材料和結線來平穩電流或電壓的瞬間變動，對用電設備起到了保護作用，使用電設備免受供電電壓大幅波動的影響，確保用電設備及電子設備的平穩運轉。

3 電能優化治理計劃

3.1 試點方案概述

針對營業部機房電能質量差、能源浪費的情況，制定優化方案、定制節電設備，對機房進行節能試點試驗，通過采集分析節電裝置安裝前后相關電能數據，分析試點節能效果。試點試驗方案主要解決：變壓器單相過流、三相不平衡、單相電壓過高，諧波污染、零線電流超標問題。若以上五個問題通過治理完全解決，預計可降低10%左右能耗成本。

3.2 試驗步驟

（1）設備安裝。安裝時間：凌晨0:30～2:30，計劃時長2個小時。

（2）旁路非節電狀態數據采集。節能裝置柜安裝完成后，觀察機房內電池充電情況，待充電完成后，記錄時間，在下一整點時，開始記錄全部用能數據。采集非節電狀態下電能消耗，時長7×24小時。

（3）節電狀態數據采集。旁路非節電狀態數據采集完成后，節電裝置切換至節能狀態，開始記錄全部用能數據。采集非節電狀態下能源消耗，時長7×24小時。

（4）設備拆除、恢復原電路。待節能項目試點試驗數據統計完成后，與電源專業人員協調，制定節能裝置拆除時間，經雙方商議后，拆除節能裝置，恢復原有線路，恢復市政供電。

（5）數據采集結果分析匯報。以上時間根據實際數據采集情況可順延調整，最終不超過30日，數據采集完成后4個工作日內完成試點情況分析報告。

3.3 節電率結果分析

3.3.1 數據來源

優化治理試點試驗主要采用以下數據：①原有計量表用電量統計；②遠程電能質量檢測儀檢測各種電能數據；③機房業務量數據數據；④營業廳上班時間情況等，作為基礎參考數據。

3.3.2 綜合節能裝置節電量認定方法

根據《JB/T 10821—2008 低壓交流降壓及三相平衡系統節電裝置》《GB/T 25099—2010配電降壓節電裝置》，采用“四相同”驗收法，即相同時間、相同環境、相同負荷、相同負載，與用戶共同觀察記錄電量數據相結合，以實載方法驗收。節電率測算公式為

式中，節電設備投入運行前X時段內的耗電值，用W1表示；節電設備投入運行后X時段內的耗電值，用W2表示。

3.3.3 電能質量分析

根據節電設備記錄的數據，對比計算電能質量改善情況。

4 實驗機房電能質量現狀

4.1 用電基本情況

實驗機房配備一臺50 kVA變壓器，油機一臺，采用低壓計費。

負載功耗：測試數據約為35 kW。

負載：通信設備、機房空調、辦公空調、營業廳辦公系統、水泵、照明系統。

數據采集分析情況：變壓器滿載（單相過流）、單相電壓過高、三相嚴重不平衡、奇次諧波超標、零序電流超標、功率因數低、部分設備老化損壞嚴重（雷擊后未修復更換設備）。

4.2 各項指標采集詳細情況

4.2.1 變壓器（單相）超負荷運行

實驗機房目前配置有50 kVA變壓器，50 kVA變壓器的額定輸出電流I＝ 50kVA÷（400V×1.732），約等于72A（注意：電力變壓器的二次電壓都是400 V，而不是380 V）。經電能表測量得知，集中放置機房三相電流分別為A相（L1）=44A；B相（L2）=81A； C相（L3）=32A。

其中，B相電流大于變壓器標準單相電流，使得變壓器單相超負荷運行，長期處于過流狀態，變壓器超負荷運行，變壓器溫度升高，降低電能有用功率，浪費能耗。

4.2.2 單相電壓過高

國家對于380 V電力用戶電壓允許偏差值為額定電壓的-7%～+7%，即電壓范圍為353.4～406.6 V。220 V電力用戶的電壓允許偏差值為系統額定電壓的-10%～+7%，即電壓范圍為198～235.4 V。

經檢測，機房分支電路A相電壓均值為256.64 V，最大值為271.61 V，最小值為244.15 V，遠大于國家標準，該線路電器長期處于高壓運行狀態，會加速電氣設備絕緣老化，加劇感性設備的線損、鐵損、銅損，降低電氣設備的使用壽命，同時會增加設備的電耗、能耗，造成能源浪費。

4.2.3 三相不平衡

經數據檢測可知，機房分支電路三相不平衡度嚴重，不平衡率高達97.6%，嚴重影響電能質量。

4.2.4 諧波畸變率過大

奇次諧波較大，諧波畸形率較高。高次諧波一部分來自市電，一部分是用電設備發出的。諧波不僅造成電能的浪費，而且造成變壓器因渦流及損耗的加大而過熱、造成低壓電容器柜中電容器過熱，中性線電流增大等。

4.2.5 功率因數較低

近期監測功率因數呈現下降趨勢，低于0.9門限。

4.2.6 零序電流過大

零序電流含有量一般不超過變壓器額定電流的25%，即50 kVA的零序電流一般不超過（72A×25%）=18 A。經電能表檢測，零序電流為：32 A，遠遠大于行業參考值。

零序電流過大使零線電纜發熱引起絕緣老化加速，因絕緣層被擊穿造成短路，增加了火災隱患；零序電流在變壓器內部循環流動降低了變壓器容量，增加變壓器損耗，使變壓器嚴重發熱，嚴重時可能燒毀變壓器；增加供電系統中設備和材料的損耗、發熱、加速絕緣老化縮短使用壽命。

4.2.7 線路及電氣元件老化嚴重

由于機房建設年代較長，部分線路以及電器元件老化嚴重，甚至部分電氣組件已經損壞，線路老化不僅存在較多的安全隱患，同時增加線路的損耗，浪費電能。

5 實驗數據分析

5.1 實驗機房基本情況

機房主要設備：BBU 17臺，空調2臺（柜機），開關電源1，電池2組，水泵1臺，辦公照明設備若干。

5.2 結果分析

自3月16日起，開始記錄實驗機房用電情況，至3月30日截止，設備安裝前共計記錄15天，3月31日安裝節點設備，節點設備安裝后，共采集15天數據。

表1 設備安裝前后機房用電情況

從結果來看，節電設備安裝前日均用電為683.79 kWh，節電設備安裝后日均用電為591.554 kWh，日均節電92.24 kWh，整體的節電效率為13.49%。

6 節電效果總結

隨著技術的不斷更新，通信電網能源質量可以實現動態監控管理，將電能優化治理作為公司運營的一部分。通過管理、治理節約多支出的能耗即電能，樹立優化治理節能減排的理念。

本次節能項目試點通過提高電能利用效率和整流效率，最終使測量邊界內的目標設備達到13.49%的綜合節能效果，節電效果達到了預期目標。

本項目使用的節電器并聯連接并自帶斷路保護器，設備安全可靠，能夠有效抑制諧波，降低整體線路的熱量損失和噪聲，無須更換現有負載設備，施工簡單易行、無須改造機房，對于老機房適用性好，節能技術兼容性好，可以與其他節能方案并行實施，具有較強的應用推廣價值。■