水利水電工程泵站供配電節能設計研究

袁 輝

（山東省調水工程運行維護中心壽光管理站）

0 引言

水利水電工程中，泵站需要供配電運作需求耗費大量的電能，而這部分能耗支出占據了水利水電工程運行成本支出的重要部分，因此，為了縮減水利水電工程運行成本，實現水利水電運行的節能增效，需要積極探索泵站供配電節能設計，并采取有效的設計手段，降低泵站供配電的能耗，深入優化水利水電工程的運行水平，助力水利水電工程領域的發展。

1 案例概述

案例泵站為某水利水電工程的泵站，泵站裝機容量為1177.4Kw，該泵站主要作用是抽水灌溉，以保證農業生產。但在泵站的長時間運作中，工作者發現泵站的耗電量較大，為當地的供配電系統帶來了較大的運行壓力，因此，為了深入優化泵站的性能，減少水利水電工程運行支出，擬對泵站供配電系統進行優化，并借助節能設計，降低供配電環節的電能損耗，提高泵站的運行效率。

2 水利水電工程泵站供配電節能設計思路

泵站作為水利水電工程運行中不可或缺的設施，其需要長時間不間斷地運行，這使得泵站的能耗支出占據了水利水電工程總能耗量的大部分。在此背景下，雖然泵站運行本身的能耗支出無法避免，但在供配電環節，存在較多的電能損耗情況，使得所供給的電能未能充分地應用到泵站的運行中，因此，需要針對供配電階段，會造成電能損耗的因素，采取相應的節能措施，以縮減供配電環節的電能損耗，提高泵站的電能利用率［1］。

基于此，在相關的節能設計思路建設上，應當先明確造成供配電損耗的因素，再進行針對性節能設計措施的設置［2］。就目前來看，造成供配電環節電能損耗的因素主要包括，管線、變壓器設計不合理，無功需求量過大、諧波危害，以及負荷設計不合理造成的輕載運行。為此，在設計思路建設上，要立足于上述幾點，采取相應的節能設計方案，以實現泵站供配電節能［3］。

3 水利水電工程泵站供配電節能設計原則

為了讓供配電節能設計效果能夠有效達到預期，在案例泵站設計時遵循以下原則：

第一，合理性原則，應當根據實際情況和現有條件，選用合適的設計方案，以保證節能設計的可行性。

第二，準確性原則，需要有效運用相關的電能計算公式，推導出影響損耗量的具體因素，再立足于該因素開展節能設計，提高節能設計的準確性。

第三，擇優原則，在節能設計上，需要選擇最優方案，優先選用效率高、能耗低、性能優的設備，以獲得更好的節能效果。

第四，合規原則，進行節能設計時應當嚴格遵循現行的標準和規程，以確保節能設計方案的順利應用［4］。

4 水利水電工程泵站供配電節能設計研究

4.1 供配電線路節能設計

在案例工程中，供配電系統電能的線路損耗，通常能夠占泵站設備額定功率的5%左右，所以，線路節能設計是泵站供配電節能設計的重要部分。在供配電過程中，線路的損耗遵循公式如下：

式中，ΔP為功率損耗（KW）、IΦ為相電流（A）、R為線路電阻（Ω）。

將上述公式展開可以得到公式：

式中，P為有功功率（KW），UL為線路電壓、Q為無功功率（KVаr）

由此可以看到，線路損耗量主要與RP2/U2L+RQ2/U2L有關。其中，RP2/U2L為有功功率引起的損耗，而RQ2/U2L為無功功率引起的損耗。而根據公式可以看到，這些損耗量的大小取決于，電流、電阻兩個因素，而在泵站的供配電中，電流是不能改變的，所以，要減少損耗，就需要從電阻入手，進行線路的電阻節能設計。在此過程中，根據線路的電阻計算公式，R=P×L/s，其中，R為電阻、P為電導率、S為線路的截面，可以了解到，在節能設計中，可以通過增加截面積、降低電導率、減少導線長度，降低電阻，減少損耗。

為此，在節能設計中，首先，可以考慮適當地將當前的導線截面積等級上升一級，由此增加截面積，但應當保持所增加費用，與電能支出節省費用之間的平衡，確保截面增加帶來的費用小于節能設計節省的費用。其次，應優化線路設置路線，盡量選擇直線布置，以縮短導線的長度，由此達到節能的效果。最后，應當選擇電導率較低的線路，以減少電能損耗。一般來說，電導率主要與材質有關，目前常用的線路材質電導率如表1。從表中可見，銅導線的導電率最小，因此，可優先選用銅導線，但考慮到銅導線的成本較高，所以，也可以根據實際條件，選用鋁導線，以減少電能在線路上的損耗，達到節能的效果。

表1 各材質導線的電導率表

4.2 供配電變壓器節能設計

在泵站的供配電環節，變壓器作為供配電系統中的關鍵設備，負責將傳輸到泵站的電壓，轉換為適合泵站設備使用的電壓，以保證泵站的穩定運行。但在變壓器的運行中，也會造成電力的損耗，所以，在節能設計中，也需要對變壓器進行節能優化，以提高供配電系統對電能的利用率。對于變壓器來說，其的運行效率公式如下：

其中，η為變壓器運行效率，P2為有功功率（KWh）、P1為無功功率（KWh）。

將上述公式展開可以得到公式如下：

其中，cosψ2為二次側功率因數，cosψ2為功率因數，為取值在0.8~0.9之間的常數，SN為變壓器額定容量（Kvа），β為負載系數，PFe為空載損耗（KWh），PCuN為負載損耗（KWh）。由該公式可見，變壓器的運行效率主要與空載損耗和負載損耗有關，兩者越少，變壓器處的電能損耗越小，因此，在節能設計上，需要結合實際條件，秉承擇優原則，先選擇能耗低、國家機構確認節能、符合國家節能標準的變壓器設備，然后對選中的幾種變壓器設備進行節能效果的比較，并進行這幾種變壓器空載損耗和負載損耗的對比分析，由此擇優選用變壓器，以達到節能的效果。在本案例工程中，選擇了三種節能變壓器，這三種變壓器的空載損耗與負載損耗對比分析結果如表2。從表中可以看到，損耗最少的是SFZ8型號，所以，在節能設計中，需要選用SFZ8型號的變壓器，作為泵站供配電用的變壓器，以實現泵站供配電系統的節能設計。

表2 三種節能變壓器的損耗對比分析表

4.3 供配電無功補償設計

在泵站的運行中，有功功率是必須的，且不可改變，但泵站內各類用電設備中的整流器均存在電感，導致滯后性無功的形成，此時，就需要從供配電系統中引入超前的無功加以抵消。在此過程中，這種用于抵消滯后性無功的，超前無功功率就會從供配電系統的高、低壓線路，傳輸到泵站的設施，由此形成了有功損耗。這部分因感抗所產生的損耗，與泵站設備運行用的有功損耗不同，是可以通過提高設備的自然功率因數改變的。在泵站的運行中，通過提高設備自然功率因數，可以減少泵站設備對超前無功的需求，降低此部分無功損耗。

而在節能設計中，有專門用來補償因設備感抗而形成的滯后性無功的設施，即電容器，所以，可以為泵站的設備設置電容器，結構如圖1，運用其產生的超前無功，將設備感抗形成的滯后性無功加以補償，即可有效提高設備的功率因數，縮減其對無功的需求，達到節能的效果。在上述設計過程中，如果設備的自然功率因數過小，不滿足供配電系統的運行要求時，可以通過設計一個并聯的電容器進行無功補償，但案例工程的泵站自然功率因數已經達到了供配電系統的要求，所以，可以直接通過在供配電系統的低壓部分，設置低壓電容器進行無功補償，以減少供配電過程中的損耗，達到節能的效果。

圖1 電容器結構圖

4.4 供配電諧波治理設計

在水利水電工程中，泵站的用電設備較多，尤其是在農業生產灌溉需求較大的時間段內，泵站需要保持高負荷的運作，而泵站設備的運作或多或少會向供配電系統中注入一定的諧波，由此造成了供配電的損耗。就目前來看，諧波會導致電纜過熱、中性線電流增大、電力電容器介質過熱等現象，而這些現象會均會造成供配電損耗增加的情況。為此，在節能設計中，供配電諧波治理設計，也是一項關鍵的環節。

在節能設計中，為了有效實現諧波治理，需要采取以下幾項措施：

第一，在供配電系統設計中，將變壓器的繞組方式，設計為Dyn-11型聯結模式，這樣可以將3次，以及3倍數次的諧波隔絕在三角形繞組中，使其不再進入輸入端系統，以免其對供配電系統產生影響，增加損耗。

第二，在變電的低壓側，設計一個消諧電抗器如圖2，并采用串聯的方式，將其與電容器相連，以更好地消除諧波。

圖2 消諧電抗器圖

第三，對于供配電系統中諧波較為嚴重的位置，需設計使用專門的變壓器。

第四，在節能設計中，如果出現諧波難以預測的情況，那么則應預留出一定的濾波設備空間，以便于有效地對設計進行調整，保證節能設計效果。

第五，在此環節的節能設計中，也要遵循合理性原則，考慮到諧波問題可能存在于供配電系統的各個部分，所以，為了減少節能設計落實對泵站供配電運行的影響，需要合理規劃設計上述諧波治理措施的實施順序和時間，保持泵站的穩定運行，深入優化節能設計水平。

4.5 供配電的負荷計算

在節能設計中，需要先根據水利水電工程的運行需求，以及泵站的作業情況，對供配電負荷進行計算，然后根據計算結果，對現有的供配電系統設備進行調整，確保供配電的設施參數符合泵站供電的需求，以免輕載運行造成功率損耗。就目前來看，常用的負荷計算方法主要包括需要系數法、單位指標法、利用系數法等。其中，需要系數法，可以通過直接將泵站設備功率與需要系數、同時系數相乘，得出符合，這種算法比較簡單，因此，其應用較為廣泛。單位指標法，則是用單位面積所需的電能參數乘以總面積，得出相應的負荷計算結果，這種方法主要用于設計期間，用電設備數量和功率均無法確定的情況下，且多用于工業和民用建筑的負荷計算，所以，在泵站的負荷計算中不運用此方法。利用系數法則是一種根據概率論和數理統計法，構建出的一種符合計算方法，其適用性較強，但計算操作較為繁瑣。為此，綜合來看，需要系數法相對較為適用，因此，在案例工程中，運用了需要系數法，作為泵站供配電負荷計算方法。

在節能設計中，為了保證負荷計算結果的準確性，需要先做好現場勘察工作，并認真收集所需的各類數據，然后借助計算機技術進行計算，以減少人的因素對計算結果準確性的影響。待得出計算結果后，還要對計算結果進行審核檢驗，確認無問題后，才能運用負荷計算結果進行后續的節能設計，以保證節能設計的準確性。

5 結束語

綜上所述，借助合理、有效的供配電節能設計措施，可以降低水利水電工程泵站運行能耗成本。在水利水電工程運行中，通過對泵站進行供配電的節能設計，可以緩解諧波、線路等因素帶來的電能損耗問題，減輕泵站的能耗負擔，提高水利水電工程的電力資源利用效率，由此助力水利水電工程的可持續發展，讓該工程能夠創造出更大的經濟效益和社會效益。