科學(xué)技術(shù)發(fā)展日新月異,經(jīng)濟(jì)發(fā)展的速度也在不斷加快,在世界范圍內(nèi)能源的使用率不斷升高,能源問題已成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)話題。據(jù)相關(guān)資料顯示,中國 能源消耗的總量在2009年已經(jīng)超過美國躍居為世界消耗能源量最多的國家[1]。在這樣的發(fā)展大背景下,本文主要對供配電設(shè)計(jì)中的節(jié)能方法和措施進(jìn)行了詳 細(xì)地探討和論述。

1 供配電系統(tǒng)總體規(guī)劃

在設(shè)計(jì)供配電系統(tǒng)的總體方案時(shí),應(yīng)綜合考慮多種因素,主要有負(fù)荷性質(zhì)、用電設(shè)備特性、用電容量、供電距離以及負(fù)荷分布等因素,然后選擇合理的電壓等 級,進(jìn)而設(shè)計(jì)出科學(xué)合理的配供電系統(tǒng)方案。在節(jié)約電能和投資成本方面,可以采用簡化接線和減少配變電級數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)。在確定變壓器的臺(tái)數(shù)和容量時(shí),需要考 慮到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和負(fù)荷特點(diǎn)的實(shí)際情況,對于那些受晝夜和季節(jié)性影響較大的負(fù)荷,在確定變壓器的容量時(shí),需要將負(fù)荷計(jì)算出來并考慮經(jīng)濟(jì)和技術(shù)因素。

通常,供電電壓值和線路電流值成反比,即線路的電流越小,供電電壓越高。線路上的電流越小,線路上電能的耗損量就越小。在減少線路上的電能損耗方 面,總變電所和配電所還可以采取減小與負(fù)荷中心的距離和減小供電半徑的方法來達(dá)到降低電能損耗的目的。在供電電壓的范圍內(nèi),利用提高線路的電壓等級的方法 也有助于減少電能的損耗。然而在提高線路電壓等級的情況下,電氣設(shè)備也需要提高絕緣性能,這樣就提高了投資成本。所以,這種方法需要在經(jīng)濟(jì)技術(shù)對比較為合 理的情況下才能實(shí)施。

一般情況下,輸電網(wǎng)的總干線使用的電壓等級是500 kV、220 kV以及330 kV,相鄰電網(wǎng)之間的聯(lián)絡(luò)線大多也是采用這樣的電壓等級;二級輸電網(wǎng)采用的電壓等級通常為220 kV和110 kV;城鄉(xiāng)配電網(wǎng)和大型工業(yè)企業(yè)內(nèi)部電網(wǎng)中的電壓等級一般采用35 kV。較低一級比較常用的高壓配電電壓為10 kV,但是如果負(fù)荷中高壓電動(dòng)機(jī)占有很大的比重時(shí),采用6 kV的配電方案是比較經(jīng)濟(jì)合理的。以某冶煉廠為例,該廠中高壓電動(dòng)機(jī)總?cè)萘亢拓?fù)荷數(shù)量所占的比例非常大,該企業(yè)在選擇電壓等級時(shí)將這一因素進(jìn)行了深入地分 析,最終選擇了110 kV/6 kV的變配電方式。另外,各級電壓等級和相對應(yīng)線路輸送能力之間的關(guān)系(見表1)也是在設(shè)計(jì)供配電系統(tǒng)總體方案中確定電壓等級需要考慮的因素。

注:供配電線路的輸送能力受到多方面因素的影響,主要有導(dǎo)線的敷設(shè)方式、導(dǎo)線截面、導(dǎo)線的排列方式、工作溫度、功率因數(shù)以及導(dǎo)線間的幾何間距等,標(biāo)準(zhǔn)列出的數(shù)據(jù)僅表示大概范圍。

2 供配電線路的設(shè)計(jì)

電力線路按結(jié)構(gòu)可分為兩大類:架空線路和電纜線路。金屬導(dǎo)線的功能就是為輸電線路傳輸電能,然而導(dǎo)線存在一定的電阻,因此輸電線路在輸電過程中總會(huì)出現(xiàn)一定的功率損耗。以下為三相輸電線路的功率耗損的公式:

式中:△P為三相輸電線路的功率消耗;I為線路電流;R為輸電線路中每相線路的電阻;P為輸電線路輸送的有功功率;U表示電壓;cosφ為輸電線路 的功率因數(shù)。由公式可知,輸電線路的功率消耗和輸電線路的電壓、功率因數(shù)以及輸電線路的電阻有密切的關(guān)系。當(dāng)負(fù)荷功率數(shù)值不變時(shí),輸電線路上的耗損功率和 功率因數(shù)的平方成反比,和電壓的平方也成反比,而與輸電線路的電阻成正比。因此,在設(shè)計(jì)供配電線路方案時(shí),可以采用降低輸電線路電阻的方式以及提高輸電線 路功率因數(shù)和電壓等級等方式來實(shí)現(xiàn)降低功率損耗和節(jié)約電力資源的目的。

輸電線路電阻的公式為:R=PL/S,從中我們得出電阻和導(dǎo)線的長度是正比例關(guān)系,與導(dǎo)線的電阻率P也是正比例關(guān)系,而與導(dǎo)線截面S成則是反比例關(guān)系。因此,我們可以采取一些措施來達(dá)到降低電阻的目的。

(1)最好選擇銅芯導(dǎo)線,鋁線等電阻率P比較小的導(dǎo)線。(2)在設(shè)計(jì)過程中,應(yīng)盡可能使輸電線路沿著直線的方向,盡量不要沿著曲線的方向,這就需要 變電所盡量縮短與負(fù)荷中心的距離,減小供電半徑;在低壓配電過程中,也盡量使輸電線路不往回走,這樣可以最大限度地減少輸電導(dǎo)線的長度,從而減少輸電線路 的電阻。(3)將輸電導(dǎo)線的截面面積適當(dāng)增大。

3 電氣設(shè)備選擇

在供配電設(shè)計(jì)中,電器設(shè)備的合理選擇對改善電網(wǎng)的電能質(zhì)量和提高用電設(shè)備的自然功率因數(shù)具有十分重要的作用,進(jìn)而可以有效減少電能資源的損耗。一般 情況下,工業(yè)企業(yè)消耗的無功功率中變壓器、異步電動(dòng)機(jī)以及線路所占的比例分別為20%、70%以及10%[2]。在設(shè)計(jì)中,為了減少線路感抗,利用正確選 擇變壓器的容量和電動(dòng)機(jī)的方法來實(shí)現(xiàn)。在功率條件合理的時(shí)候,想要提高用電單位的自然功率因數(shù),可以采取有效措施來實(shí)現(xiàn),如運(yùn)用同步電動(dòng)機(jī)和選擇使用間隙 工作制設(shè)備,前提是該設(shè)備具有空載切除功能。在選擇電動(dòng)機(jī)的經(jīng)常負(fù)荷時(shí),應(yīng)盡量高于額定容量的40%;而要使變壓器的負(fù)荷率高于60%,最好將其控制在 75%～85%這個(gè)范圍內(nèi)。

提高電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)和工作效率可以有效減少電動(dòng)機(jī)的能源消耗量。異步電動(dòng)機(jī)空載時(shí)的因數(shù)還不到0.4,輕載時(shí)功率因數(shù)大致為0.6,由此可見,異 步電動(dòng)機(jī)在空載和輕載運(yùn)行時(shí),功率因數(shù)都不太高。當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷在70%以上,甚至在滿載負(fù)荷的條件運(yùn)行時(shí),其功率因數(shù)大概為0.85,這時(shí)功率因數(shù) 相對較高一些。因此 ,設(shè)計(jì)時(shí)若能選擇容量合適并且又能使電動(dòng)機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí),將會(huì)使電動(dòng)機(jī)的自然因數(shù)得到很大的提高。所以,在設(shè)計(jì)選型時(shí)應(yīng)將高能耗且效率低的電動(dòng)機(jī)淘汰掉, 而應(yīng)選擇稀土永磁電動(dòng)機(jī)、高效節(jié)能電動(dòng)機(jī)等工作效率高并且又節(jié)約能源的機(jī)型。同時(shí),在選擇電動(dòng)機(jī)時(shí),還需要充分考慮啟動(dòng)次數(shù)、負(fù)荷特性以及調(diào)速方面等因 素,以防出現(xiàn)電能浪費(fèi)的現(xiàn)象。