科學技術發(fā)展日新月異,經(jīng)濟發(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注的熱點話題。據(jù)相關資料顯示,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計中的節(jié)能方法和措施進行了詳 細地探討和論述。

1 供配電系統(tǒng)總體規(guī)劃

在設計供配電系統(tǒng)的總體方案時,應綜合考慮多種因素,主要有負荷性質、用電設備特性、用電容量、供電距離以及負荷分布等因素,然后選擇合理的電壓等 級,進而設計出科學合理的配供電系統(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)的方法實現(xiàn)。在確定變壓器的臺數(shù)和容量時,需要考 慮到經(jīng)濟運行和負荷特點的實際情況,對于那些受晝夜和季節(jié)性影響較大的負荷,在確定變壓器的容量時,需要將負荷計算出來并考慮經(jīng)濟和技術因素。

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荷中心的距離和減小供電半徑的方法來達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)濟技術對比較為合 理的情況下才能實施。

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,但是如果負荷中高壓電動機占有很大的比重時,采用6 kV的配電方案是比較經(jīng)濟合理的。以某冶煉廠為例,該廠中高壓電動機總容量和負荷數(shù)量所占的比例非常大,該企業(yè)在選擇電壓等級時將這一因素進行了深入地分 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線路輸送能力之間的關系(見表1)也是在設計供配電系統(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,主要有導線的敷設方式、導線截面、導線的排列方式、工作溫度、功率因數(shù)以及導線間的幾何間距等,標準列出的數(shù)據(jù)僅表示大概范圍。

2 供配電線路的設計

電力線路按結構可分為兩大類:架空線路和電纜線路。金屬導線的功能就是為輸電線路傳輸電能,然而導線存在一定的電阻,因此輸電線路在輸電過程中總會出現(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系。當負荷功率數(shù)值不變時,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,在設計供配電線路方案時,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線的長度是正比例關系,與導線的電阻率P也是正比例關系,而與導線截面S成則是反比例關系。因此,我們可以采取一些措施來達到降低電阻的目的。

(1)最好選擇銅芯導線,鋁線等電阻率P比較小的導線。(2)在設計過程中,應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線的長度,從而減少輸電線路 的電阻。(3)將輸電導線的截面面積適當增大。

3 電氣設備選擇

在供配電設計中,電器設備的合理選擇對改善電網(wǎng)的電能質量和提高用電設備的自然功率因數(shù)具有十分重要的作用,進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、異步電動機以及線路所占的比例分別為20%、70%以及10%[2]。在設計中,為了減少線路感抗,利用正確選 擇變壓器的容量和電動機的方法來實現(xiàn)。在功率條件合理的時候,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現(xiàn),如運用同步電動機和選擇使用間隙 工作制設備,前提是該設備具有空載切除功能。在選擇電動機的經(jīng)常負荷時,應盡量高于額定容量的40%;而要使變壓器的負荷率高于60%,最好將其控制在 75%～85%這個范圍內(nèi)。

提高電動機的功率因數(shù)和工作效率可以有效減少電動機的能源消耗量。異步電動機空載時的因數(shù)還不到0.4,輕載時功率因數(shù)大致為0.6,由此可見,異 步電動機在空載和輕載運行時,功率因數(shù)都不太高。當異步電動機的負荷在70%以上,甚至在滿載負荷的條件運行時,其功率因數(shù)大概為0.85,這時功率因數(shù) 相對較高一些。因此 ,設計時若能選擇容量合適并且又能使電動機滿負荷運行時,將會使電動機的自然因數(shù)得到很大的提高。所以,在設計選型時應將高能耗且效率低的電動機淘汰掉, 而應選擇稀土永磁電動機、高效節(jié)能電動機等工作效率高并且又節(jié)約能源的機型。同時,在選擇電動機時,還需要充分考慮啟動次數(shù)、負荷特性以及調(diào)速方面等因 素,以防出現(xiàn)電能浪費的現(xiàn)象。