1工厂电气系统设计阶段节能问题新建工业企业项目在设计阶段，应首先从整个电气系统运行的角度考虑节能方案，做好电气系统规划。在此阶段做好系统的设计，为项目投产后的经济运行，打下良好基础。1.1在合理范围内提高电气系统电压提高供配电系统电压，可以有效降低线路和电器元件上产生的功率损耗，进而降低企业电费。升压后功率损耗降低百分率公式如下：∆∆P=(1-Un12Un22)×100% (1)式中：∆∆P——升压后功率损耗降低百分率，%；Un1——电网升压前的标称电压，kV；Un2——电网升压后的标称电压，kV。电网升压越高，升压后功率损耗降低百分率越大。经计算比较，电网升压后功率损耗降低百分率统计如表1所示。由表1可知，提高电网电压可以极大地降低电网损失百分率。对于工厂最常见的输配电电压等级，如10 kV系统，提高电网电压前，采用从变电所直供10 kV至现场用电设备的方案；提高电压后，采用从变电所使用35 kV向现场变压器供电然后在现场变为10 kV向设备供电的方案。两种方案电网功率损失降低百分率达到91.8%。对于长时间远离主变电站的大型用电设备，后者方案可以极大地降低电网功率损失，为企业节约大量电费。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.11.020.T001表1电网升压后功率损耗降低百分率Un1/kVUn2/kV∆∆P/%Un1/kVUn2/kV∆∆P/%110220751020756611064635923511090310912035670.38101001.2采用双回路或多回路供电对于一级负荷用户，应采用双电源供电，当一路电源损坏时，另一路电源不应同时受到损坏。两路电源供电时，宜选用两路同时运行，并将负荷尽量平均分配在两路之上。当所有负荷集中于一回线路供电时，线路损耗计算公式如下：∆P=3I2R (2)式中：I——线路上的负荷电流，A；R——线路电阻，Ω。当负荷不变，改由两路供电，且负荷平均分配到两路之上，则每回供电电流为：I2=12I (3)两回路总的线路损耗为：∆P'=2×3I22R=1.5I2R=0.5∆P (4)当采用两路供电时，两路总的线路功率损耗，反而低于单路供电，且仅为单路供电时损耗的一半。两路供电方案不仅降低了供电线路功率，同时提高了供电可靠性，是工厂企业优先选择的供电方式。1.3提高负荷侧功率因数提高负荷侧功率因数可以大幅降低工厂内部和外部供电线路的功率损耗，并且还能降低工厂内部各级变压器的铜损。不考虑提升电压对线路的节能作用而单独考虑功率因数提高的情况下，三相供电回路实际减少的功率损耗如下：∆P=PU2R1(cosϕ1)2-1(cosϕ2)2×103 (5)式中：cosϕ1——改善前的功率因数；cosϕ2——改善后的功率因数；P——线路有功功率，kW。功率因数提高越多，减少的功率损耗越大。当功率因数从0.6提高到0.9时，线路功率损耗可降低约56%。提高功率因数后，变压器节约的有功功率∆P和无功功率∆Q如下：∆P=P2SrT21(cosϕ1)2-1(cosϕ2)2PK (6)∆Q=P2SrT21(cosϕ1)2-1(cosϕ2)2QK (7)式中：P2——变压器负荷，kW；SrT——变压器额定容量，kVA；PK——变压器有功损耗，kW；QK——变压器无功损耗，kvar。提高功率因数可以有效减少变压器铜损中的有功和无功损耗。提高功率因数后，由于工厂企业从电网吸收的无功电流减少，企业供电电源线路上的总电流减小，从而降低供电线路压降，提高企业的供电质量。如果在设计阶段对企业的负荷统计及无功补偿方式做好设计和规划，可以合理地降低企业外电线路截面积，从而减少外电线路总投资，同时节省建设投资和运行费用。提高功率因数后，系统不需要负担更多的企业无功电流需求，富裕容量可以提高电网的供电能力。2工厂供配电设备的节能方法2.1变压器节能（1）保证变压器经济运行的方法。保证变压器经济运行负荷率在0.5~0.6之间，对于使用时段不同的负荷，如夜间和节假日停电的负荷，将这些负荷单独接在一台容量适宜的变压器上，以便在夜间或节假日期间关闭该变压器，达到节能目的。对于拥有大量照明负荷的车间，应配备照明专用变压器。对于长期空载运行的变压器，应停止运行。对于拥有N台主变压器的变电所，主变压器的经济运行台数，按以下公式计算后决定：Sjp=SrTn(n-1)P0+KQQ0Pk+KQQk (8)式中：Sjp——经济运行临界负荷，kVA；S——变电所实际负荷，kVA；P0——变压器空载有功损耗，kW；Q0——变压器空载无功损耗，kvar；Pk——变压器额定负载损耗，kW；Qk——变压器额定负载时的无功功率，kvar；KQ——无功经济当量，kvar。当SSjp时，主变压器宜按照(N-1)台运行。当SSjp时，主变压器宜按照N台运行。（2）变压器大修改造时的费用问题。当变压器使用年限已到，没有剩值，回收年限计算公式为：TB=ZN-GJ-ZCGD (9)式中：TB——变压器回收年限，a；ZN——新变压器采购价，元；GJ——旧变压器残值，元；ZC——变压器更新后减少电容器的总投资，元；GD——每年节约电费，元。当变压器使用年限已到，没有剩值，且变压器需大修时，回收年限计算公式为：TB=ZN-GJD-GJ-ZCGD (10)式中：GJD——旧变压器大修费，元。当变压器使用年限未到，还有剩值，回收年限计算公式为：TB=ZN+WJ-GJ-ZCGD (11)式中：WJ——旧变压器剩值，元。当变压器使用年限未到，还有剩值，且变压器需大修时，回收年限计算公式为：TB=ZN+WJ-GJD-GJ-ZCGD (12)当TB5 a时，变压器应立即更换；当TB10 a时，不应更新变压器；当TB为5~10 a时，应酌情考虑。2.2电缆线路节能电缆线路的节能主要是在电缆设计选型阶段，按照经济电流密度法选择电缆。电缆经济电流密度选择截面公式如下：Sec=Imax/j (13)式中：Imax——流过电缆的最大负荷电流，A；j——电缆经济电流密度，A/mm2。关于电缆最大负荷电流Imax取值时，需要注意以下几点：（1）Imax是电缆所带负荷的计算电流Ic，不是变压器的额定电流。选取经济电流是按照电流计算值选取。（2）如果正常运行情况下，系统处于分列运行状态，在选取Imax时，不应考虑系统短时并列运行时从其他母线段转移过来的负荷。经济电流考虑的是长期运行时对电费的节约，短时运行情况不考虑对电费的节约。（3）不考虑后续增加的负荷，因为后续增加的负荷无论是增加数量、增加时间，还是将来是否真的需要增加，都属于未知，不能作为电缆经济电流考虑的依据。确定经济电流密度j，通常采用经济电流密度查图法。明确企业电费结算方式，采用单一电价，还是两部制电价，以及具体的电价。掌握企业的运行班次或者年最大负荷利用小时数，在规范中找到对应的经济电流密度图。当电价低、运行时间短，这时电缆运行发热所增加的运行电费，不再是节能的主要矛盾，应考虑减小电缆截面积、降低造价。选取年最大负荷利用小时数Tmax，按照如下方法进行：确定企业生产班次，在功率因数为0.8的情况下，企业常见的生产班次与最大负荷利用小时数的对应关系为：单班制，Tmax=2 000 h；两班制，Tmax=4 000 h；三班制，Tmax=6 000 h。当企业的生产班次不明确或者设计阶段只掌握年损耗小时数，则应根据功率因数及年损耗小时数，查出年最大负荷利用小时数Tmax。设计者可以根据Tmax，在曲线中查出经济电流密度j，并求出电缆的经济运行截面积，计算后所得的电缆经济截面介于电缆的两种标称规格之间时，应选取与计算结果较为接近的电缆截面。企业为了安全生产以及检修时不中断生产，通常设置备用设备或者备用回路，备用回路的运行小时数根据实际运行小时数对Tmax进行折算，再带入曲线中查得电流密度j值。对于一些长期不用的回路，如消防回路或者不定期检修时才偶尔用到的吊车回路的供电电缆，不适用经济电流密度法。这些回路长期不运行，不存在运行费用和造价的折中问题。2.3电动机节能企业中存在着大量动设备，这些动设备基本上由电动机驱动。因此实现电动机节能对于企业节能工作意义重大。电动机每年所消耗电费计算如下:GD=JDPNtβ/η (14)式中：JD——电价，元/kWh；PN——电机额定功率，kW；t——电机一年连续运行时间，h；β——负载率；η——电机效率。式(14)中可以调整的变量是负载率和效率。高效电机的价格比普通电机价格高，在设计选型时，是否选用高效电机，应根据高效电机的实际价格与当地电价和电机运行时间综合比较决定。通常负载率在0.6以上长时间运行的大容量电机，无频繁起动的情况，可以考虑使用高效电机。负载率是电机经济运行中，需着重考虑的因素。当电机负载率低时，运行状态接近于空载运行，大部分的电流是用来励磁的感性无功电流，这些电流不能用于对外做功，而且降低电机的功率因数，这些无功电流流过电机供电线路时，还会引起附加的压降和功率损耗。当电机负载率低于0.30时，考虑更换电机；当负载率高于0.65时，无须更换电机；当负载率介于0.30~0.65之间时，可根据电机价格和每年使用电费情况，酌情考虑是否更换电机。对于负载率低于0.30的三角形接法的电机，可以不更换电机，而在电机外部串接三角—星切换装置，改变绕组接法。当绕组接法由三型切换为星型时，作用于绕组的电压由线电压改变为相电压，即变为原先的1/3倍。因此电机的功率PN变小，而负载率β提高，达到节能的效果。对于功率因数低的电机，无功电流容易引起供电线路的电压损失和功率损耗，需要进行就地补偿。补偿电容的计算公式为：Q≤0.93UNI0 (15)式中：UN——电机额定电压，kV；I0——电机空载电流，A。对于使用变频器传动的电机，I0不仅包含基波，还包含谐波，因此I0计算公式为：I0=I012+∑I0h2 (16)3结语研究主要讨论工厂电气系统设计阶段所涉及的节能问题，以及工厂主要供配电、用电设备的节能方法。工厂开展节用电能工作，可以直接降低工厂的运行成本，推进企业高质量发展，对于国家节能减排具有重要意义。