摘要：本文主要从供配电系统设计、设备选择、系统运行等方面分析了工业企业供配电系统的节能措施，以达到工业企业整体节能减排的目的。

关键词：供配电设计;节能;措施

0. 引言

经过几十年的高速发展，我国已成为全球工业门类最齐全的第二大经济体，也是第一大工业国，工业用电的需求量非常巨大，再加上人们生活水平的不断提高，生活用电量也是稳步提升，所以我国也是能耗第一大国。随着全球的气候变化，我国也提出了2060年的碳中和目标，所以作为能耗大户的工业企业节能降耗显得十分重要。本文通过对工业企业配电系统中各方面节能措施的利用，以达到节约电能的目的。当然工业企业的节能措施涉及到方方面面，还有很多可以研究的地方，限于作者的专业与能力水平，在处不作进一步拓展。

1.供配电系统规划阶段的节能措施

在项目工程总体规划设计阶段，首先要做好总体负荷容量的估算，根据总容量，结合当地供电企业的条件，选择适当的供电电压等级与路径，是节能的重要一环。

线路电能损耗的基本公式：△P=3I2R×10-3，△P：损耗的电功率（KW）， I：线路电流（A） ，R：线路电阻（Ω）

电路基本公式S= UI ，S：容量（KVA），U：电压（KV），I：电流（A）， ：功率因数

1.1、选择合适的供电电压等级

由公式可知电能损耗与电流（I）的平方成正比，所以降低供电线路电流值是降低损耗的有效手段，而在企业总负荷（S）一定的情况下，电压与电流成反比，提高电压（U）值可有效降低电流值，所以在供配电系统设计时，根据企业总负荷容量和当地供电企业的实际情况，在能提供的供电电压范围内，选择相对较高的电压等级，可有效降低供电线路电流，从而达到线路节能的目的。

1.2、选择合适的线路

由电能损耗公式还可知，损耗的电能功率也与线路的电阻成正比。线路电阻的计算公式：  ， R：线路电阻（Ω）， ：线路材料的电阻率（Ω·mm2/m），L：线路的长度（m），S：线路的截面积（mm2），由上可知，要降低线路电阻，可以通过三个方面来实现，①选用低电阻率的材料，如铜的 为：0.0172（Ω·mm2/m），而铝的 为：0.0282（Ω·mm2/m），显然铜的电阻率要比铝低近40%，在其他相同的情况下，选用铜比铝电阻低40%，损耗也低40%。②选择合适的变电站位置，使之更靠近负荷中心，从而减小大电流线路的供电距离L，这能有效减小线路电阻。③在合理的条件下，选择相对相大的线路截面，也是减小电阻的方法之一。当然大截面线路的选择，会增加初始投资，所以在供配系统规划时，要综合考虑，依据经济电流密度值合理选择线路截面。

2、供变配电系统设计阶段的节能措施

在确定电压等级和供电线路以后，在进行企业内部变配电系统设计时，主要从系统主接线方式，变压器的选择、用电设备的选择、无功补偿和谐波处理等几个方面入手进行节能评估，选择合理的方案，以达到节能的目的，有条件的企业也可以考虑光伏发电的合理利用。

2.1系统主接线

系统主接线的选择，除了满足供电可靠性的同时，也要考虑节能的需要，每个企业的生产一般都很难做到全年負荷均衡，都会有用电波峰和波谷，特别是总负荷容量较大的企业，更是如此。在电压等级为10KV以上时，应尽量考虑采用单母线分段的接线方式，并将总负荷容量较为均匀地分布于不同母线段。当负荷较大时，变压器应全部投入，母线分段运行。当负荷较小时，可退出部分变压器，将负荷转移到另外的变压器，从而达到节能的目的。

2.2、变压器的合理选择

变压器在配电系统中是重要的设备，起到变换电压等级的作用，但其自身也会产生一定的损耗。变压器的损耗分为二种：空载损耗和负载损耗，这二种损耗中同时还包括有功损耗与无功损耗。空载损耗是变压器建立电磁场所消耗的能量，与负载的大小无关，但它与变压器的结构与材料选用有关。负载损耗是变压器在正常带负载过程中，绕组的损耗，它与变压器的绕组材料选用与负载大小有关。

变压器的损耗计算公式

有功损耗：△PT=△P0 +β2△PK，△PT：变压器有功损耗（KW）， △P0：变压器空载有功损耗（KW） ，β：变压器负载率（实际负荷/额定负荷），△PK：变压器短路有功损耗（KW）。

无功损耗：△QT=△Q0 +β2△QK，△QT：变压器无功损耗（Kvar）， △Q0：变压器空载无功损耗（Kvar） ，β：变压器负载率（同上），△QK：变压器短路无功损耗（Kvar）。

上述损耗计算公式中，△P0 、△PK、△Q0、△QK都是变压器出厂时就已确定的数值，所以选择低损耗变压器是关键。

上述公式中，只有β（变压器负载率）是现场实际运行数据，那么β为多少时，最节能呢？似乎β=0最节能，但β=0时，实际负荷即为0，即不带负载，这肯定是不行的。那么如何确定合理的β值呢，这可以从变压器综合功率损耗率与平均负载系数β的函数特性曲线中确定。

变压器综合功率损耗率与平均负载系数β的函数特性曲线

从图中可以看出当变压器负载率在0.75左右时，既能充分发挥变压器的容量，也处于经济运行区（即变压器的损耗相对较小），所以在配电系统设计时，应根据企业总负荷容量，选择合适的低损耗变压器台数，使企业实际运行负荷容量与总的变压器额定容量之比（即负载率β）保持在0.75左右。

2.3、无功补偿的合理使用（提高功率因数）

在供配电系统中，既存在有功功率（P（KW））也存在无功功率（Q（Kvar）），这二种功率的叠加形成视在功率（S（KVA）），计算公式为：S=  ，有功功率是真实做功所需要的功率，（如：水泵需要将水从低处提升到高处，则配套的电机功率为P ， 式中P：有功功率（KW）， ：余量系数， ：水的比重（Kg/m3）， ：水的流量（m3/s）， ：水的扬程（m）， ：换算系数（1KW=102Kg·m/s）， ：水泵的效率（%）， ：机械传动效率（%））

而无功功率是旋转类电机建立旋转磁场需要的，不参与实质性的做功，但也是必须的。同时S= UI ，  =  ，由公式可知，在有功（P）一定的情况下，无功（Q）的增加将导致视在功率（S）的增大，视在功率的增大会导致线路电流（I）的增大和功率因数（ ）的降低，所以也会导致线路损耗的增加。所以在配电系统设计时需要对企业中旋转类电机（一般占总用电量的70%）所需要的无功进行补偿，以降低企业对供电系统无功的需求，减少线路损耗。具体为提升企业内配电系统的功率因数（ ），一般要求达到0.95以上。对于配电系统的无功补偿宜在低压配电柜处集中补偿，对于大功率旋转类电机宜采用就地补偿，对于分散布置的静止类负荷（如照明灯具等），宜采用单体补偿。

2.4、降低谐波含量

随着信息技术的发展，电子产品在工业企业中的大量使用，给企业的管理与生产带来极大的便利，但同时也产生了谐波，使电流的波形产生畸变。谐波的危害是多方面的，一是加大了电能损耗，二是对通信系统产生干扰，三是如系统配置不好会产生危险的谐振过电压，危及系统设备安全。本文只对因谐波而加大了电能的损耗进行分析表述。（1）谐波电流加大相导体电流，相导体基波电流（I1）叠加谐波电流（Ih）的计算公式为：I1‘=   从上式可知，当谐波电流增加时，线路相导体电流亦会增加，所以也会导致线路损耗的增加。（2）3次谐波（含3的奇次倍谐波）对于三相四线制线路中的中性导体（N）会产生更大的影响，产生更大的损耗，当三相负荷平衡时，3次谐波电流在中性导体（N）中呈现3倍叠加，IN‘=3I1HRI3，（IN‘：中性线中的3次谐波叠加电流，HRI3：3次谐波电流含有率（%）），由上式可知，中性导体的电流随3次谐波电流的增加而急剧增大，而线路损耗与电流的平方成正比，所以中性线路损耗的增加更是急剧增大，所以降低谐波含量对于节能有着重要意义。所以我们在配电系统设计时，要重视对谐波电流的抑止，抑止諧波的措施有：①选用谐波较小的产品;②当系统中有较多变频器等整流换流装置时，应增加整流变压器二次侧的相数和换流装置的脉动数，并使整流变二次侧有适当的相角差;③选用D，yn11接线组别的三相变压器;④采用有源滤波器、无源滤波器等抑制谐波的措施。

3、合理选择用电设备

工业企业中的用电设备多种多样，主要有以照明设备为主的静止负荷和以旋转电机为主的动负荷，且以动负荷为主（约占总负荷的70%）。所以在企业变配电系统设计时，对用电设备应当尽量选择能耗低的用电设备。在现阶段的工业企业用电设计中，照明设备选择应以高能效的LED照明设备为主（对于有特殊视觉要求的除外）并辅助于智能照明控制手段，尽量减少无效照明的存在。对于一些常年需要照明的区域（如地下室等）应设计非用电的导光管系统，辅助于一般的高效照明灯具，以充分利用日光，减少电能消耗。对于旋转电机中最常用的三相异步电动机，应选择高效电动机，并使电动机的功率与负荷功率相匹配，而不应出现“大马拉小车”的情况，如负荷是阶段性变动负荷（如稳压水泵等），则宜设计采用变频器控制。

4、合理利用光伏发电

有条件的工业企业应在项目规划与设计阶段考虑设置分布式光伏发电设施，光伏发电本身就是一种节能措施，太阳能也是理想的清洁能源，不会对环境产生破坏;再次光伏发电设施只有一次性投资，基本没有日后维护的成本。所以在项目的变配电系统设计过程中，电气专业设计人员要与建设方多沟通、多交流，充分利用屋顶，外墙，幕墙等条件，设置光伏发电设施，减少工业企业对系统电网的电能需求，进而达到项目整体节能的目标。

5、供配电系统的经济运行

一般工业企业生产过程有旺季和淡季之分，此时，用电负荷也就有高峰与低谷之分，供配电系统除要满足安全可靠的供电需求之外，也要尽量减少不必要的电能损耗。对于一些用电负荷高峰与低谷差值较大的企业，尤其需要重视系统的经济运行。一般企业都有多台配电变压器，为提高供电可靠性，多数采用二次侧有联络线的分列运行方式，在总供电负荷有高峰与低谷之分时，需要对二种负荷情况下，是共用一台还是二台分列运行的方式进行比较选择，在采用一台变压器就能满足负荷的情况下，应对二台分列运行变压器的空载损耗和额定负载损耗进行比较，选择总损耗最低的为共用变压器，再对选定的共用变压器与两台变压器分列运行方式进行比较，选择出综合功率损耗率最小的运行方式。共用与分列运行变压器的临界综合负载视在功率的计算可参见国家标准《电力变压器经济运行》GB/T13462的相关内容，因计算过程较为复杂，在此不再赘述。

6、结语

随着国家”双碳“目标的发布，工业企业受到越来越多的用能限制，一些高能耗、高排放的项目将被直接取消。工业企业是用能大户，也是节能的重要对象。在企业的供配电系统中，不可避免地会存在能量损耗的情况，鉴于当前社会经济发展面临的能源紧缺现状和2060年碳中和的目标，有必要在项目的供配电系统设计和运行过程中强化节能环保意识。在规划设计过程中，要根据企业负荷的大小与特点，认真分析供配电系统的每一环节，研究供配电系统节能设计的可能性，从供配电系统总体规划和变配电系统的设计，从用电设备设施的选择到系统的经济运行方式等多方面入手，让节能、低碳、环保的意识深入到每个设计运行人员的心中，为实现国家的”“双碳”“目标作出我们应有的贡献。

参考文献

[1]GB/T 13462-2008， 电力变压器经济运行[S].

[2]任元会编. 低压配电设计解析. 中国电力出版社. 2020.

作者简介：袁朝阳（1969年4月-），性别：男，民族：汉，籍贯：江苏南通，职务/职称：高级工程师，学历：本科，单位：中国电子系统工程第二建设有限公司，研究方向：建筑供配电系统设计。