广东电缆厂谈供配电系统的节电技术措施
广东电缆厂谈供配电系统的节电技术措施
广东电缆厂有限公司 2012-02-27讯：
降低供配电系统的线损及配电损失，最大限度地减少无功功率，提高电能的利用率，是当前建筑电气节电的重要课题之一。选择及合理使用节能干式变压器、减少线路损耗、提高功率因数、平衡三相负荷、抑制谐波，同时采用高效节电的省电装置来调整电压幅值及稳压、平衡三相电压，减少电动机的启动电流、抑制谐波等技术措施，不仅节电10％～20％，而且安全可靠，绿色环保，改善了用电环境，净化了电路，延长了用电设备的使用寿命。
由于国民经济的迅猛发展以及国际加工产业新格局的形成，一些高能耗低效益的加工业逐步转向国内，无疑加剧了我国能源紧张的矛盾。发生在我国许多省市的“电荒”已成为相当严重的问题。尽管我国电力建设超常规增长，但电力供应仍严重不足。为此，节省能源及节约用电引起了政府及全社会的高度重视。采取各种有效的节能技术措施就显得尤为重要。
降低供配电系统的线损及配电损失，最大限度地减少无功功率，提高电能的利用率，是当前建筑电气节电的重要课题之一。为了实现这个目标，我国采取了如下措施：选择及合理使用节电干式变压器、减少线路损耗、提高功率因数、平衡三相负荷、抑制谐波，同时采用高效节电的省电装置来调整电压幅值及稳压、平衡三相电压，减少电动机的启动电流、抑制谐波等技术措施，不仅可节电１０％～２０％或更多，同时安全可靠，绿色环保，改善了用电环境，净化了电路，并延长了用电设备的使用寿命。
１ 选择及合理使用节电干式变压器
在工业与民用建筑中大都采用干式变压器，因为干式变压器具有许多优点。特别是ＳＧ（Ｂ）１１－Ｒ系列卷铁芯干式配电变压器具有高效节电、安全可靠、绿色环保等优点。现将该产品的主要特点介绍如下：
（１）其铁芯为三相三柱环型卷绕，采用日本新日铁０．２３ｍｍ优质冷轧硅钢片，在铁芯成型机上卷绕成型的。其特点是铁芯不冲孔、无接缝，铁芯是一个密封整体，其过载的抗短路冲击能力比叠片式变压器强很多。
（２）卷铁芯无需消耗接缝的磁化容量，磁路分布均匀，大幅度减少了空载激磁电流，空载电流很小，比叠片式降低了约７０％，提高了功率因数，降低了电网的无功损耗。
（３）卷铁芯充分利用了薄型硅钢片的磁化特性，减少了涡流损耗，提高了变压器的性能水平，降低了变压器的空载损耗，比国家标准降低约３５％～４０％。空载电流降低了７０％，负载损耗比国家标准低４０％左右。
例：深圳市中泰雁南名庭，２００５年２月１０日安装了４台ＳＧＢ１１－Ｒ１０００ｋＶＡ变压器，一年内的（２００５年２月１０日～２００６年２月１０日）总耗电成本为３８８２８元。通过相关公式计算，１台ＳＣ（Ｂ）－１０ １０００ｋＶＡ变压器一年总耗电成本为５９０４１元。采用一台ＳＧＢ１１－Ｒ１０００ｋＶＡ变压器比采用一台ＳＣ（Ｂ）－１０ １０００ｋＶＡ变压器一年节约电费２０２１３元，耗电成本降低３４．２％。
（４）由于卷铁芯无接缝，在运行中噪声极低（不超过５０分贝），比叠片式低３０％，因此，被称为环保型变压器。在高层建筑室内安装无噪音污染。同时，该产品在运行中无有害（有毒）气体产生。变压器线圈可分解回收处理，不会对环境造成任何污染。
（５）该产品的层间和匝间全部采用美国杜邦ＮＯＭＥＸ做绝缘材料，使产品的安全可靠性有了进一步提高。该产品热稳定性好，在１８０℃温度下可在１２０％过负荷下长期安全可靠运行；在１５０％过负荷下可以连续运行３小时，比ＳＣ（Ｂ）９、ＳＣ（Ｂ）１０环氧树脂变压器的过负荷能力提高了２０％以上。同时还能承受热冲击，在冷热急剧变化的情况下，无绝缘“开裂”的情况发生。
（６）该产品绝缘材料有接近于空气的介电常数，产品运行时，局部放电极低（小于５Ｐｃ），达到优级标准，使产品的运行安全可靠性进一步提高。同时，该产品无可燃树脂，不助燃并能防火。
（７）较高的产品性价比。如２００７年1月２６日，有１２家变压器厂参加某电路板厂１１台干式变压器的招标。１１家变压器厂参加ＳＣ（Ｂ）１０系列干式变压器的报价。１家变压器厂参加ＳＧ（Ｂ）１１－Ｒ系列干式变压器的报价。招标价格揭晓：前１１家变压器厂的价格均超过２００万元，只有一家变压器厂的价格低于２００万元。由此可见，ＳＧ（Ｂ）１１－Ｒ系列干式变压器不仅性能好，而且价格便宜。
（８）由于ＳＧ（Ｂ）１１－Ｒ系列产品与ＳＣ（Ｂ）９系列产品的耐热等级不一样，国家制定的标准也不一样，ＳＣ（Ｂ）产品负载损耗比Ｓ（Ｂ）产品负载损耗标准低很多，ＳＧ（Ｂ）系列产品耐热等级为Ｈ级（１８０℃），而ＳＣ（Ｂ）系列产品耐热等级只达到Ｆ级（１５５℃）。ＳＧ（Ｂ）１１、ＳＧ（Ｂ）１０、ＳＣ（Ｂ）９三种系列变压器的主要技术参数对比见表１。
中国的配电变压器由20世纪５０年代ＳＪ１平均每１ｋＶＡ空载损耗５．２Ｗ，负载损耗１７．８Ｗ。到９０年代，Ｓ９平均每１ｋＶＡ空载损耗为１．８２Ｗ，负载损耗为１０．４Ｗ。而卷铁芯变压器平均每１ｋＶＡ空载损耗为１．０８Ｗ，负载损耗为９．６Ｗ。如果中国全部使用１１系列变压器，就目前发电装机容量来说，每年将节约空载损耗４０．７１亿千瓦时，干式配电变压器占全部配电变压器的１５％。如全部使用ＳＧ（Ｂ）１１－Ｒ系列产品，每年将节约６亿千瓦时的电能，社会效益显著。
ＳＧＢ１１－Ｒ系列节能型配电变压器是高效节电，安全可靠、绿色环保、寿命期后可回收的真空浸渍，Ｈ级绝缘非包封线圈卷铁芯变压器。该产品被中国环境保护产业协会授予
“绿色之星”产品称号，中国节能协会将其作为“新型节能产品”在行业重点推广。受珠海某公司的委托，深圳市节能联合委员会一行５人组成评委组，对该公司生产的ＳＧＢ１１－Ｒ系列干式变压器进行了论证。参加论证会的专家一致认为：“该产品符合电力安全要求，具有节能环保的特点和较高的产品性价比，可在节能改造和新上项目中作为优选产品。”由此可见，ＳＧ（Ｂ）１１－Ｒ系列卷铁芯干式变压器在技术性能、社会经济效益方面具有许多优越性，是目前全国干式变压器的优选产品。
变压器的铁损不随负荷变化，而铜损则与通过电流的平方成正比。在变压器运行中，我们通常以空载损耗和负载损耗为衡量变压器损耗的两个重要参数。变压器制造厂设计负载系数在４０％～６０％范围内处于经济运行区；额定容量３０％以下的轻载或空载时经济性最差；５０％的负载率不是节能的最佳状态，考虑到初装费、变压器、低压柜、土建投资及各项运行费用，又要考虑变压器在使用期间内预留适当的容量，变压器的负载率在７５％～８５％之间较为合理。这样既充分利用了变压器容量，又减少了其它投资。在设计中，计算负荷一般偏大，负荷系数偏小。如深圳市某写字楼原采用４台变压器，其中３台１２５０ｋＶＡ变压器，１台６３０ｋＶＡ变压器。整改后，减了１台１２５０kＶＡ变压器，每月节省变压器初装费３００００元（１２５０×２４＝３００００），一年节约变压器初装费３６００００元，同时还减少了一台变压器的空载损耗。又如深圳某小区，原采用６台１０００ｋＶＡ变压器，整改后为４台。６台变压器的损耗为６×１３ｋＷ＝７８ｋＷ，减少２台后为５２ｋＷ，减少有功损耗２６ｋＷ。经过计算，年节约费用为１５００００元，同时还节省了两台变压器的投资费用。在上述两个案例中，整改前变压器的负荷率均小于６０％，整改后变压器的负荷率均约为８５％。除选用节能变压器外，在变配电所设计时选用两台或两台以上变压器，中间增加联络柜，这样既提高了供电的可靠性，又可以根据电气设备的负荷情况及非空调季节的实际情况决定，投入变压器的运行台数。上述设计理念，降低了变压器的电能损耗。
２ 减少线路损耗
（１）尽量减少导线长度。在设计及施工中，低压柜出线回路及配电箱出线回路尽量走直线，少走弯路，不走或少走回头线。变配电所应尽可能靠近负荷中心。低压线路的供电半径不宜超过２００m；负荷密集地区不宜超过１００m；负荷中等密集地区不宜超过１５０m；少负荷地区不宜超过２５０m。这样可以减少电缆（线）长度，实现供电距离最短。如某工程为政府投资的大型工程，该工程为空调冷冻站专门设置了１０/０．４ｋＶ变电所，内装３×２０００ｋＶＡ＋２×１６００ｋＶＡ变压器，变压器负荷率为８０％，由４０００Ａ、３２００Ａ铜质密闭母线馈电。某外资设计公司进行最初设计时，变电所低压配电室距冷冻站的控制室５５m，为节约电能，对初步设计进行了调整，把变电所和空调控制室合并设置，使低压馈电距离缩短了５５m。经计算，在密闭母线上的线路损耗可节省４５ｋＷ。以每天冷冻站运行１０小时，年运行１００天计算，总耗电量为４５０００kWh，以每kWh０．６８元计算，年节约电费３万余元。该工程按７０年使用期计算，共可节约电费２１０万元。
（２）增大导线截面积。对于较长的线路，在满足载流量热稳定，保护配合及电压降要求的前提下，应加大一级导线截面。尽管增加了线路费用，但由于节约了电能，因而也减少了年运行费用。根据估算，在２～３年内即可回收因增加导线截面而增加的费用。所以，加大导线截面的投资是值得的。
（３）在高层建筑中，变配电室应靠近电气竖井，以便减少主干线（电缆或插接母线）的长度。对于面积大的高层建筑物，应将电气竖井尽可能设在建筑物中部（或两端），以便减少水平电缆的敷设长度。
（４）要将负荷进行归类。除对计费有要求的负荷及消防负荷外，普通负荷（如空调机、风机盘管、照明、新风机、电热水器等）改由一条主干电缆供电，这样既便于消防切除非消防电源，又可在非空调季节使同样大的干线截面传输较小的电流，从而减少线路的损耗。
３ 提高功率因数
提高供配电网络的功率因数，实行无功补偿是建筑电气节能的又一课题，正在受到越来越多人的关注。无功功率既影响供配电网络的电能质量，也限制了变配电系统的供电容量，更增加了供配电网络的线损。对供配电网络实行无功功率补偿，既可改善电能质量，提高供电能力，更能节电降耗。
在供配电系统中许多用电设备，如电动机、变压器、灯具的镇流器以及很多家用电器等均为电感性负荷，会产生滞后的无功电流，它要从系统中经过高低压线路传输到用电设备末端，无形中又增加了线路的功率损耗。为此，必须在供配电系统中安装电容器柜（箱）。通过电容器柜（箱）内的静电容器进行无功补偿，电容器可产生超前无功电流抵消用电设备的滞后无功电流，从而达到减少整体无功电流，同时又提高功率因数的目的。当功率因数由０．７提高到０．９时，线路损耗可减少约４０％。功率因数值的大小应满足当地供电局的要求。当无明确要求时，建议功率因数值高压用户为０．９以上，低压用户为０．８５以上。
无功功率补偿有两种方法：
（１）集中补偿。将电容器柜设置在变配电所低压侧集中补偿。集中补偿时，宜采用自动调节式补偿装置，这样可以防止过补偿时使无功负荷倒送。同时电容器组宜采用自动循环投切的方式。
（２）就地补偿。容量较大，负荷平稳，其经常使用的用电设备的无功负荷宜单独就地补偿。同时，在设计中尽可能采用功率因数高的用电设备。如同步电动机及配有电子式或节能电感镇流器的荧光灯等。
在具体工程设计中可采用高低柜集中补偿及就地补偿等两种方式。究竟采用何种补偿方式较为合理，可根据工程的具体情况来确定。
４ 平衡三相负荷
在低压线路中，由于存在单相以及高次谐波的影响，使三相负荷不平衡。三相电压或三相电流不平衡会对供配电网络造成一系列的危害。主要有：
（１）影响变压器、电机的安全经济运行；
（２）引起供配电网络相线及零线电能损耗加大；
（３）影响计算机正常工作。引起照明灯寿命缩短（电压过高）或照度偏低（电压过低）以及电视机的损坏等；
（４）增大对通信系统的干扰，影响正常的通信质量。为了减少三相负荷不平衡造成的能耗，应及时调整三相负荷，使三相负荷不平衡度符合以下规程规定：“要求配电变压器出口处的电流不平衡度小于等于１０％，干线及支线首端的不平衡度小于等于２０％，中性线的电流不超过额定电流的２５％”以及“三相配电干线的各项负荷宜分配平衡，最大相负荷不宜超过三相负荷平均值的１１５％，最小相负荷大于三相负荷平均值的８５％”。
要解决三相电压或三相电流的不平衡度，首先设计时尽量使三相负荷平衡；同时可以采用调节单相电压及采用滤波器抑制谐波的方法。最好的方法是采用省电装置来平衡三相电压或三相电流。该省电装置能使线电压或线电流的不平衡度小于２％，零线上电流极小，使三相电压或三相电流基本平衡，从而大大减少了相线及零线上的电能损耗。
５ 抑制谐波危害
供配电系统中的电能质量是指电压频率和波形的质量。电压波形是衡量电能质量的三个主要指标之一。随着各类电力电子设备在工业与民用建筑中日益广泛地应用，由此产生的谐波电流对供配电系统的巨大影响已引起了人们的高度关注及重视。谐波电流的存在不仅增加了供配电系统的电能损耗，而且对供配电线路及电气设备也会产生危害，因而人们意识到抑制谐波的重要性及迫切性。为了抑制谐波，通常在变压器低压测或用电设备处设置有源滤波器、无源滤波器，或将有源滤波器及无源滤波器混合使用，或采用节电装置。通过上述措施有效滤除中性线和相线的谐波电流，这样不仅净化了电路，而且降低了电能损耗，提高了供电质量，保证系统安全可靠地运行。
案例1：深圳某公司采用ＡＢＢ公司生产的三次谐波滤波器进行技术改造后，相电流由１０６３Ａ减少到６３７Ａ。零线中的三次谐波由１０００Ａ减少到５０Ａ。
案例2：上述公司老化实验室采用三次谐波过滤器技术后，在１１个月的时间内累计节电１４２０３２ｋＷｈ，节约电费１．０７２万元（按平均工业用电电价０．８３元/ｋＷｈ计算）。
６ 高效节电的省电装置
在供配电系统中，电压不稳定、三相电压不平衡、电动机冲击电流过大和高次谐波干扰等已成为“隐形杀手”，不仅造成了较大的电能损耗，而且缩短了电气设备的使用寿命。日本生产的省电装置就是针对上述问题的节电科技产品。
该装置采用一种特殊的电磁结构，它的内部是一个串联电抗器并联接入自耦调压器和外加独立相位调整兼消除高次谐波线圈，一起固定在一个三柱式铁芯上的综合型节电装置。该装置具有以下功能和特点：
（１）调整电压幅值及稳压
有些用电单位供电电压偏高，导致电气设备用电量增加，使用寿命缩短，同时加大了线路损耗。由于该装置采用了最新的电磁平衡原理来调整用电设备电压的平衡度和稳定性，即在它内部并联了一个自耦固定式调压器，因此，该调压器具有调节电压幅值的功能，可以将较高的电压值调整到合理的范围内。
（２）平衡三相电压
该装置以电磁平衡为基本原理，通过调节该装置的相序电感量，利用磁电交换、磁势再分配来大量减少三相电压的不平衡度，能使线电压、线电流的不平衡度减少２％，从而使三相电压基本平衡。
由于市电三相电压不平衡，配电系统三相负荷分配不均等高次谐波的影响，致使三相电流不对称，三相电压不平衡。在这种情况下，会使变压器内产生环流、线圈过热，并可使电动机的效率降低，继而加大用电量（如三相电动机会产生负序电压和零序电压分量，这时电动机会产生附加相反的制动力矩使电动机反转，如果电动机要克服相反方向的制动力矩维持正方向保持原速度运行，就要额外增加相当于一倍负序分量的正序能量；由于三相电压不平衡产生电压中心点偏移导致的零序电压及电流分量，它使电动机产生振荡力矩和增大线圈漏磁通损耗）。由于该装置能平衡三相电压，同时又可将电网过高的电压值调整到合理的范围，不仅给动力设备，而且给三相照明系统带来了显著的节电效果。
（３）减少电动机的启动电流
通过磁力作用及节电装置内部串联电抗器，可对电动机启动电流起到一定的抑制作用，一般可将启动电流减少到２～３倍的额定电流。如果有很多台小型电机或群控多台小型电机，其节电效果更为明显。同时还可减少电动机启动时出现的冲击电流对其它电气设备的影响。
（４）抑制高次谐波
电源中的高次谐波一部分是由市电产生，另一部分是低压电气及电子设备发出的。上述谐波不仅造成电能的浪费，而且造成变压器因涡流及损耗的加大而过热、电动机过热及转矩下降，还会造成低压电容器柜中电容器过热、中性线电流增大等结果。为抑制高次谐波，该装置内部并联了一个消除线圈，它可以阻止市电送来的高次谐波，同时能抑制低压电气及电子设备发出的谐波电流。通常可抑制３０％～５０％或更多的高次谐波，上述措施也获得了一定的节电效果。
（５）降低了线路、变压器及电机绕组的铜耗
谐波高频率上升，高频电流增大，导致交流电阻增大，线损增加。由于该装置平衡了三相电压，抑制了高次谐波，由此降低了线路、变压器及电机绕组等的铜耗。按铜耗公式Ｐ＝Ｉ２Ｒ计算，减少电流值及电阻值对铜耗有明显的减少。特别是长线路及电流值较大的线路，其节电效果更为理想。
（６）改善功率因数
该装置依靠线圈移相的方式提高用电设备的功率因数，采用了调整组别结线的方式来调整各相输出电流与电压相位，从而提高了功率因数，降低了用户的线路损耗。
（７）平衡电流或电压的瞬间变动
由于该装置采用了较理想的磁性材料和特殊的结线来平稳电流或电压的瞬间变动，为此对用电设备起到了保护作用，使用电设备免受电网电压波动的侵害，确保机电设备及电子设备的平稳运转。同时保证了工厂产品的合格率，将用电设备的使用寿命延长了２～３倍。
该装置是一套综合性的节能设备。综合上述各部分的节电功能，总体可节电约１０％～２０％，改善了用电环境，净化了电路，延长了用电设备的使用寿命。该节电装置已在我国许多单位安装并投入运行，效果良好。该装置产品节电情况见表２。