供配電系統(tǒng)節(jié)電技術(shù)措施
2003年以來，由于國民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，以及國際加工產(chǎn)業(yè)新格局的形成，一些高能耗低效益的加工業(yè)逐步轉(zhuǎn)向國內(nèi)，這無疑進(jìn)一步加劇了能源緊張這一矛盾。發(fā)生在我國許多省市的“電荒”已成為相當(dāng)普遍的嚴(yán)重問題，盡管我國電力建設(shè)超常規(guī)增長，電力供應(yīng)仍嚴(yán)重不足。為此，節(jié)省能源及節(jié)約用電引起了全社會(huì)的高度重視，采取各種有效節(jié)電的技術(shù)措施顯得尤為重要。
降低供配電系統(tǒng)的線損及配電損失，最大限度的減少無功功率，提高電能的利用率，是當(dāng)前建筑電氣領(lǐng)域中節(jié)電的重要課題之一。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，采取了如下措施：選擇及合理使用節(jié)電配電變壓器、減少線路損耗、提高功率因數(shù)、平衡三相負(fù)荷、抑制諧波等技術(shù)措施，不僅節(jié)電10%~20%或以上，同時(shí)安全可靠，綠色環(huán)保，改善了用電環(huán)境，凈化了電路，還有效地延長了用電設(shè)備的使用壽命。
1選擇及合理使用高效節(jié)電非晶合金配電變壓器
1.2低壓箔繞線圈
�。�1）采用進(jìn)口優(yōu)質(zhì)銅箔及H級絕緣材料繞制在成型絕緣筒上，層絕緣采用NOMEX紙，改善徑向短路力承受能力，VPI真空壓力浸漬成堅(jiān)固整體，上下端部采用樹脂端封，防塵、防潮、防鹽霧能力強(qiáng)。
�。�2）引線銅排、銅箔經(jīng)專用設(shè)備采用氬弧焊接，提高了鐵芯的空間利用率，增強(qiáng)產(chǎn)品的抗短路能力，消除螺旋角，減小軸向受力。
�。�3）線圈機(jī)械強(qiáng)度高，局放降低。
1.3高壓纏繞線圈
�。�1）高壓線圈直接套繞在低壓線圈上，裝配時(shí)繞組支撐在單獨(dú)的繞組系統(tǒng)上并壓緊固定，這樣可以使鐵芯不受壓力，減少了變壓器短路時(shí)徑向的內(nèi)縮和擴(kuò)大，從而有效地保證了變壓器的抗短路能力。采用多層分段圓筒式，縱向多氣道結(jié)構(gòu)，抗熱抗沖擊能力強(qiáng)，耐突波能力強(qiáng)。
�。�2）采用NOMEX紙包扁銅線做導(dǎo)體，以NOMEX紙做層絕緣，以H級材料作端部絕緣經(jīng)VPI真空壓力浸漬高溫烘焙固化成型，上下端部采用樹脂端封，防塵、防潮、防鹽霧力強(qiáng)。
�。�3）線圈機(jī)械強(qiáng)度高，散熱性能好。
該產(chǎn)品的性能特點(diǎn)如下：
�。�1）高效節(jié)電——產(chǎn)品由于采用非晶合金鐵芯制作及創(chuàng)新的三相三柱制造工藝，鐵損大幅度下降，空載損耗約為常規(guī)干變的25%左右。投資非晶合金鐵芯雖然初期投資較高，但是非晶合金變壓器由于其超高效率、節(jié)約能源的特性，在平均負(fù)載60%的情況下，3~5年內(nèi)可回收額外投資，在變壓器30年壽命中可節(jié)約可觀的電費(fèi)支出。
�。�2）可靠性高——產(chǎn)品滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB1094.11-2007、GB/T22072-2008以及IEC60076-11標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品為H級（工作溫度180°C）耐熱等級，而它的主要絕緣材料卻是C級（工作溫度220°C）的，留有較大的裕度；能承受惡劣條件的儲(chǔ)存、運(yùn)輸；能在惡劣條件下（包括氣候、地理環(huán)境）正常運(yùn)行；有比一般干式變壓器更強(qiáng)的過負(fù)載能力；有很好的抗短路能力；變壓器在正常使用情況下可免維修。
（3）安全性好——變壓器在使用中不會(huì)助燃，能阻燃、不會(huì)爆炸及放出有害氣體，變壓器在使用時(shí)，不會(huì)對環(huán)境和其它設(shè)備特別是對人身造成危害。
�。�4）環(huán)保性好——產(chǎn)品在制造、運(yùn)輸、儲(chǔ)存、運(yùn)行時(shí)不會(huì)對環(huán)境造成污染；產(chǎn)品在使用壽命結(jié)束后，線圈可以回收，資源可以重新利用，不會(huì)對環(huán)境造成危害；另外創(chuàng)新的鐵芯結(jié)構(gòu)及先進(jìn)的制造工藝，確保非晶變壓器噪音低于現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)4~5dB，成功攻克了非晶合金變壓器噪音大的難題。
高效節(jié)電給投資非晶合金變壓器帶了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。從表1可以看出，SCRBH15系列非晶干式變壓器負(fù)載損耗略低于普通10型干式變壓器，但是空載損耗平均比普通干式變壓器空載損耗低70%左右，是目前空載損耗最低，最為節(jié)電型變壓器，節(jié)電效果非常顯著，帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
下面對非晶合金15型與常規(guī)10型系列同容量變壓器在經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行比較（以1250kVA為例），經(jīng)濟(jì)效益10年運(yùn)行電量是衡量變壓器節(jié)電效果的主要指標(biāo)，計(jì)算公式為：
B=C×Th×Ty×(Po+Pk×β^2)
其中，B—變壓器損耗費(fèi)用；
C—電價(jià)（根據(jù)各地區(qū)實(shí)際電價(jià)為準(zhǔn)）；
Th—全年運(yùn)行小時(shí)數(shù)；
Ty—運(yùn)行時(shí)間，取10年；
Po—空載損耗，kW；
Pk—負(fù)載損耗，kW；
β—負(fù)載率，取0.6.
按照上式計(jì)算，1250kVA非晶合金變壓器10年運(yùn)行電量為383092kWh,而常規(guī)10型干變的10年運(yùn)行電量為514226kWh，兩者比較，非晶合金產(chǎn)品比10型常規(guī)產(chǎn)品10年動(dòng)行節(jié)電131134kWh.按照目前非晶變壓器與普通干式變壓器性價(jià)比，多余投資非晶變壓器費(fèi)用將在3~5年內(nèi)回收，根據(jù)變壓器正常壽命30年期限計(jì)算，非晶變壓器壽命期限可節(jié)電393402kWh.因此，從長遠(yuǎn)考慮，投資非晶合金干式變壓器可以獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益，是未來配電變壓器理想的替代產(chǎn)品。
選擇好了最節(jié)電的非晶合金變壓器后，還要考慮到合理的使用它，使它運(yùn)行在最合理的負(fù)載率區(qū)間內(nèi)。我們知道，變壓器的鐵損不隨負(fù)荷變化，而銅損則與通過電流的平方成正比。在變壓器運(yùn)行中，我們通常以空載損耗和負(fù)載損耗為衡量變壓器損耗的兩個(gè)重要參數(shù)。變壓器制造廠設(shè)計(jì)負(fù)載系數(shù)在40%~60%范圍內(nèi)處于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)；額定容量30%以下的輕載或者空載時(shí)經(jīng)濟(jì)性最差；50%的負(fù)載率不是節(jié)電的最佳狀態(tài)，考慮到初裝費(fèi)、變壓器、低壓柜、土建投資及各項(xiàng)運(yùn)行費(fèi)用，又要考慮變壓器在使用期間內(nèi)預(yù)留適當(dāng)?shù)娜萘�，變壓器的�?fù)載率在75%~85%之間較為合理，是變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間。這樣既充分利用了變壓器容量，又減少了其它投資。在設(shè)計(jì)中，計(jì)算負(fù)荷一般偏大，負(fù)荷系數(shù)偏小。如深圳市某寫字樓原采用4臺變壓器，其中3臺1250kVA變壓器，1臺630kVA變壓器。整改后，減了1臺1250kVA變壓器，每月節(jié)省變壓器初裝費(fèi)30000元（1250×24=30000），一年節(jié)約變壓器初裝費(fèi)360000元，同時(shí)還減少了一臺變壓器的空載損耗。又如深圳某小區(qū)，原采用6臺1000kVA變壓器，整改后為4臺。6臺變壓器的損耗為6×13kW=78kW,減少2臺后為52kW，減少有功損耗26kW.經(jīng)過計(jì)算，年節(jié)約費(fèi)用為150000元，同時(shí)還節(jié)省了兩臺變壓器的投資費(fèi)用。在上述兩個(gè)案例中，整改前變壓器的負(fù)荷率均小于60%，整改后變壓器的負(fù)荷率均約為85%.除選用節(jié)電變壓器外，在變配電所設(shè)計(jì)時(shí)選用兩臺或兩臺以上變壓器，中間增加聯(lián)絡(luò)柜，這樣既提高了供電的可靠性，又可以根據(jù)電氣設(shè)備的負(fù)荷情況及非空調(diào)季節(jié)的實(shí)際情況決定，投入變壓器的運(yùn)行臺數(shù)。上述設(shè)計(jì)理念，降低了變壓器的電能損耗。
2盡量減少線路和配電設(shè)備的電能損失
2.1盡量減少導(dǎo)線長度
變配電所盡量靠近負(fù)荷中心。低壓線路供電半徑一般不宜超過200m，負(fù)荷密集地區(qū)不宜超過100m；負(fù)荷中等密集地區(qū)不宜超過150m；少負(fù)荷地區(qū)不宜超過250m；低壓柜出線回路及配電箱出線回路盡量走直線，少走彎路，不走或少走回頭線；同時(shí)，在高層建筑中，變配電室應(yīng)靠近電氣豎井，以減少主干線（電纜或插接母線）的長度。對于面積大的高層建筑，電氣堅(jiān)井盡可能設(shè)在中部或兩端，以減少水平電纜敷設(shè)長度。
2.2增大導(dǎo)線截面
對于較長線路，在滿足載流量熱穩(wěn)定，保護(hù)配合及電壓降要求的前提下，加大一級導(dǎo)線的截面，可使線路損耗減少。盡管線路費(fèi)用增加，由于節(jié)約了電能，減少了年運(yùn)行費(fèi)用。估算2~3年內(nèi)可收回因增加導(dǎo)線截面而增加的費(fèi)用。因此，加大導(dǎo)線截面的投資是值得的。
2.3配電設(shè)備的級數(shù)盡可能少
3平衡三相負(fù)荷
在低壓線路中，由于存在單相以及高次諧波的影響，使三相負(fù)荷不平衡。三相電壓或三相電流不平衡會(huì)對供配電網(wǎng)絡(luò)造成一系列危害。主要有以下幾點(diǎn)：
�。�1）影響變壓器、電機(jī)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；
�。�2）引起供配電網(wǎng)絡(luò)相線及零線電能損耗加大；
�。�3）影響計(jì)算機(jī)正常工作。引起照明燈壽命縮短（電壓過高）或照度偏低（電壓過低）以及電視機(jī)的損壞等；
（4）對于通信系統(tǒng)，會(huì)增大干擾，影響正常通信質(zhì)量。
為了減少三相負(fù)荷不平衡造成的能耗，應(yīng)及時(shí)調(diào)整三相負(fù)荷，使三相負(fù)荷不平衡度符合下述規(guī)程規(guī)定：“要求配電變壓器出口處的電流不平衡度不大于10%，干線及支線首端的不平衡度不大于20%，中性線的電流不超過額定電流的25%”以及“三相配電干線的各項(xiàng)負(fù)荷分配平衡，最大相負(fù)荷不宜超過三相負(fù)荷平均值的115%，最小相負(fù)荷不宜小于三相負(fù)荷平均值的85%”.
要解決三相電壓或三相電流的不平衡度，首先，設(shè)計(jì)時(shí)盡量使三相負(fù)荷平衡。同時(shí)可以采用調(diào)節(jié)單相電壓及采用濾波器抑制諧波的方法。最好的方法是采用省電裝置來平衡三相電壓或三相電流。該省電裝置能使線電壓或線電流的不平衡度小于2%，零線上電流極小，使三相電壓或三相電流基本平衡，從而大大減少了相線及零線上的電能損耗。
4抑制諧波
供配電系統(tǒng)中的電能質(zhì)量是指電壓、頻率和波形的質(zhì)量。電壓波形是衡量電能質(zhì)量的三個(gè)主要指標(biāo)之一。早在20世紀(jì)70年代，歐洲等發(fā)達(dá)國家已禁止純電容補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)入電網(wǎng)。隨著各類電力電子設(shè)備在工業(yè)與民用建筑中日益廣泛應(yīng)用，由此產(chǎn)生的諧波電流對供配電系統(tǒng)的巨大影響，引起了人們的高度關(guān)注及重視。諧波電流的存在不僅增加了供配電系統(tǒng)的電能損耗，而且對供配電線路及電氣設(shè)備產(chǎn)生危害。諧波的危害表現(xiàn)為：
�。�1）諧波能使電網(wǎng)的電壓及電流波形產(chǎn)生畸變，不僅降低了供配電網(wǎng)的電壓，產(chǎn)生無功損耗，而且嚴(yán)重干擾了電子設(shè)備及電器控制設(shè)備的穩(wěn)定與安全運(yùn)行。
�。�2）諧波電流會(huì)導(dǎo)致變壓器銅耗、鐵耗、噪聲增大、溫度升高，迫使變壓器基波負(fù)載容量下降。
�。�3）電容器與供配電的感性負(fù)載構(gòu)成并聯(lián)或串聯(lián)回路，這很可能發(fā)生共振，放大諧波電流或電壓，使電網(wǎng)電壓升高，通過電容器損耗功率增大。在諧波嚴(yán)重情況下，會(huì)使電容器擊穿，甚至爆炸。
�。�4）隨著諧波次數(shù)高頻率上升，集膚效應(yīng)越明顯，從而導(dǎo)致電纜的交流電阻增大，使得電纜的允許通過電流減少，電纜的介質(zhì)損耗增加。從而加速電纜絕緣老化，發(fā)生單相接地故障的次數(shù)明顯增加。
�。�5）諧波電流會(huì)增加異步電動(dòng)機(jī)的附加損耗，降低效率，嚴(yán)重時(shí)使電機(jī)過熱。
�。�6）諧波電流會(huì)使斷路器的額定電流降低，可能使斷路器異常發(fā)熱，出現(xiàn)誤動(dòng)作或不動(dòng)作。同時(shí)諧波電流會(huì)影響電力測量的準(zhǔn)確性。
為了避免補(bǔ)償電容器組與系統(tǒng)產(chǎn)生并聯(lián)和串聯(lián)諧波，應(yīng)采用調(diào)諧濾波電容器組進(jìn)行無功補(bǔ)償。串聯(lián)調(diào)諧電抗器的電容器組在基波頻率下呈容性，即電容器起主導(dǎo)作用，這樣可以進(jìn)行功率因數(shù)補(bǔ)償；在諧波頻率下呈感性，調(diào)諧電抗器起主導(dǎo)作用，這樣可以防止諧波放大，同時(shí)也抑制了諧波。
諧波的產(chǎn)生給供配電系統(tǒng)帶來危害，讓人們意識到抑制諧波的重要性及迫切性。為了抑制諧波，通常在變壓器低壓側(cè)或用電設(shè)備處設(shè)置有源濾波器、無源濾波器，或?qū)⒂性礊V波器及無源濾波器混合使用。通過上述措施有效濾除中性線和相線的諧波電流，這樣不僅凈化了電路，而且降低了電能損耗，提高了供電質(zhì)量，保證了系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。
5.1應(yīng)用案例1
某鋼廠變壓器采用7%調(diào)諧濾波電容器組進(jìn)行無功補(bǔ)償與諧波抑制。對使用調(diào)諧濾波電容器組后的電能質(zhì)量狀況進(jìn)行測試，根據(jù)測試結(jié)果給出測試報(bào)告，分析改善效果。
�。�1）測試說明
本次測試選擇在負(fù)載端進(jìn)行測試，測試示意圖如圖1所示。
�。�2）測試數(shù)據(jù)（投入調(diào)諧濾波電容器組后）
�、俟β室驍�(shù)
圖2記錄了變壓器有功功率與基波功率因數(shù)的變化趨勢。
圖2中，有功功率為零，當(dāng)負(fù)荷投入運(yùn)行后，有功功率急劇上升，達(dá)到1170KW，并趨于穩(wěn)定。
隨著有功功率的變化，基波功率因數(shù)在經(jīng)過最初的波動(dòng)之后也很快趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，基波功率因數(shù)穩(wěn)定在0.97（如表2所示）。
②諧波
投入調(diào)諧濾波電容器組后，變壓器二次側(cè)5次諧波電流由230.2A下降到162.9A，減少29.2%.
�。�3）效果分析
使用調(diào)諧濾波電容器組之后，變壓器的功率因數(shù)提高到0.97；對5次及5次以上各次諧波都起到抑制作用，其中抑制5次諧波能力達(dá)到29.2%，達(dá)到了預(yù)期的效果。
5.2應(yīng)用案例2
廣州某鉛鋅礦有多臺電振給料機(jī)，該電振給料機(jī)采用二極管三相半波整流供電，產(chǎn)生很大諧波，導(dǎo)致井下照明變壓器多臺損壞。投資20余萬元購買一臺CPQF型有源濾波設(shè)備，該設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控電網(wǎng)電流并將所測量的諧波在高性能的數(shù)字信號處理器DSP中處理成數(shù)字信號。同時(shí)DSP根據(jù)這些信號精確控制IGBT功率模塊，并通過線路電抗器注入反相位的諧波電流，精確地把諧波互相抵消，使電網(wǎng)諧波大大降低，至今該設(shè)備已運(yùn)行兩年有余，使用后井下照明變壓器運(yùn)行良好，無發(fā)生損壞，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。
