工 廠 供 電 系 統(tǒng) 節(jié) 能 及 最 優(yōu) 運 行 方 式

節(jié)約能源，是我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一項長期性戰(zhàn)略任務(wù)。我國能源系統(tǒng)管理水平與先進(jìn)國家相比差距很大，日本每年消耗的能源同我們差不多，大體上也相當(dāng)于六億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，但他們的國民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值，超過我國好幾倍。節(jié)約能源必須依靠先進(jìn)的管理水平與科學(xué)技術(shù)來。各行各業(yè)都要推廣節(jié)約能源的先進(jìn)技術(shù)。工廠供電系統(tǒng)也要把節(jié)能優(yōu)化運行提到議事日程上來。

1 變電所安裝兩臺變壓器時最優(yōu)運行方式的確定
當(dāng)變電所總負(fù)荷為S，每臺變壓器額定容量為SH，變壓器空載時，其電能損耗為Wi。變壓器滿載時，其銅損為Wc。假定變壓器內(nèi)部阻抗相同，當(dāng)并列運行（或分別運行）時，每臺各帶一半負(fù)荷即S／2，其銅損與負(fù)載平分成正比，兩臺變壓器投入運行時，電能損耗為：
W2 ＝ 2 ×｛Wi ＋ [ ( S ÷ 2 ) ÷ SH ] 2 × Wc ] ｝ - - - - - - - - - - - (1)
單臺變壓器投入運行時，電能損耗為：
W1 ＝ Wi ＋ ( S ÷ SH )2 × Wc - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - (2)
當(dāng)（W2－W1）≥ 0 時,可由公式(1)與(2)求得：
S ≤ SH √2 Wi / Wc （根號2 Wi / Wc） - - - - - - - - - - - - - - - - - - (3)
當(dāng)全所總負(fù)荷S小于或等于SH (2Wc/ Wc) 2時，宜停止一臺變壓器，其電能損耗較小，運行是經(jīng)濟(jì)的。
假設(shè)某廠選用SF-10000/60變壓器兩臺，其鐵損為：Wi＝35千伏，銅損為：Wc＝95KW。
并假定其負(fù)荷曲線為：
15000 kW cosф=0.9 運行6小時
9000 kW cosф=0.9 運行10小時
3600 kW cosф=0.9 運行8小時
如果一天24小時兩臺變壓器都投入運行，每天變壓器的鐵損為：
2×24×Wi ＝ 48×35 ＝ 1680度
每天變壓器銅損為：
2×｛〔6×[(15000÷20000] 2×95＋10×[ (9000)÷20000 ]2×95
＋8×[ (3600)÷20000 ] 2×95}
＝2×｛320.6＋192.4＋24.6}＝ 2×537.6 ＝1075.2度
總共每天損耗為：1680＋1075.2＝2755.2度
如果當(dāng)負(fù)荷在10000 kVA以下時，就切除一臺變壓器，每天變壓器鐵損為：
Wi×(2×6＋10＋8) ＝ 35×(2×6＋10＋8) ＝ 1050度
每天變壓器銅損約為：
6×[(15000÷20000) 2×95]＋10×[ (9000)÷10000) 2×95 ]
＋8×[ (3600÷10000 ) 2×95] ＝｛320.6＋769.5＋98.5} ＝ 1188.6度
總共每天損耗約為：1050＋1188.6 ＝ 2238.6度
如果及時改變變壓器運行方式，
每天可節(jié)電：2755.2 － 2238.6 ＝ 516.6度
每年可節(jié)電： 516.6×365 ＝ 188559度
從以上分析可以看出，切除一臺變壓器主要是減少了一臺變壓器的鐵損。根據(jù)每天的負(fù)荷曲線，確定變壓器運行方式，是節(jié)約能源的最簡單最方便，而且又有效的措施。在變電站采用變電站綜合自動化（微機(jī)保護(hù)）系統(tǒng)后，通過計算機(jī)遙控更容易改變變壓器的運行方式，達(dá)到實現(xiàn)節(jié)約能源的目的。

2 具有低壓聯(lián)絡(luò)線的兩個變電所最優(yōu)運行方式的節(jié)能效果分析
當(dāng)每個變電所只有一臺變壓器時，兩個變電所之間設(shè)置低壓聯(lián)絡(luò)線后，不僅可以提高供電的可靠性；也可以利用低壓聯(lián)絡(luò)改變兩個變電所變壓器的運行方式，達(dá)到實現(xiàn)節(jié)約能源的目的。
假設(shè)兩個變電所變壓器額定容量分別為SH1與SH2。其空載鐵損分別為WI1與WI2，滿載銅損分別為WC1與WC2，負(fù)荷分別為S1與S2，聯(lián)絡(luò)線電阻為R。
兩臺變壓器同時運行時，電能損耗分別為：
W1 ＝ W21＋(S1÷SH1) 2×Wc1 W2 ＝ W22＋(S2÷SH2) 2×Wc2
假如兩臺變壓器額定容量均為500kVA，其空載損耗W2 = 1.08 kW，短路損耗WC = 6.9 kW。其聯(lián)絡(luò)線為2LQ2－3×120＋1×50，長度為100米，其直流電阻R為0.027歐姆。
當(dāng)1號變電所負(fù)荷S1 ≥ 80 kVA時，兩臺變壓器同時運行時，1號號變電所變壓器的損耗為：
W1 ＝ W21＋(S1÷SH1) 2×Wc1 ＝1.080＋(80÷500) 2×6.9＝1.26 kW
如果在1號變電所負(fù)荷小于80 kVA時，將1號變電所變壓器切除，由2號變電所變壓器通過低壓聯(lián)絡(luò)線供電。通過低壓聯(lián)絡(luò)線的電流為：
S ＝ √3 × U × I
I ＝ S ÷〔√3 × U 〕＝ 80 ÷〔√3 ×0.38 〕＝ 121.6 A
假設(shè)此時cosф ＝ 0.8，低壓聯(lián)絡(luò)線的電能損耗為：
△P ＝ 3 × △U × I × cosф △U ＝ I × R
△P ＝ 3 × I × R × I × cosф ＝ 3 × I 2 × R ×cosф
＝ 3 × 121.6 2 × 0.027 ×0.8 ＝ 958 W ＝ 0.958 kW
1號變電所85 kVA負(fù)荷在2號變電所變壓器的銅損為： (80÷500) 2×6.9＝0.19 kW
由2號變電所變壓器通過低壓聯(lián)絡(luò)線供電總的電能損耗為： 0.958＋0.18 ＝ 1.14 kW
由以上分析可以看出：當(dāng)一個變電所變壓器負(fù)荷小于80 kVA時，停止一個變電所的變壓器，由另一個變電所變壓器負(fù)通過低壓聯(lián)絡(luò)線供電，減小的電能損耗為：
1.26 － 1.14＝0.12 kW
其節(jié)能效果不如一個變電所內(nèi)有兩臺變壓器時那么明顯。它受到低壓聯(lián)絡(luò)線長度與線路電阻值的限制。低壓聯(lián)絡(luò)線越短，線路電阻值越小，一個變電所變壓器通過低壓聯(lián)絡(luò)供電的負(fù)荷就越大，節(jié)能效果也越好。

3 合理進(jìn)行無功補(bǔ)償節(jié)能效果分析
在三相交流供電系統(tǒng)中，電流與電壓之間的相位由功率因數(shù)來表示，有功功率等于根號3倍電壓、電流與功率因數(shù)的乘積：
P ＝ √3 × U × I × cosф
I ＝ P÷〔√3 × U × cosф〕
當(dāng)功率P恒定不變時，功率因數(shù)與電流之間為反比關(guān)系。電流在相位上落后電壓越多，功率因數(shù)cosф越小于1，電流就越大；電能在傳輸過程中在線路與變配電設(shè)備上的電壓損失與電能損耗就越大。因此提高功率因數(shù)，可以使電網(wǎng)設(shè)備得到充分利用，相當(dāng)于增加發(fā)電能力與線路及變配電設(shè)備的輸送功率；還可減少線路及變壓器的電壓損失與電能損耗，提高供電質(zhì)量。
假設(shè)變壓器額定容量為SH1，額定容量時銅損為WCH，負(fù)荷為S1時，銅損為WcS。
WcS ＝ (S1÷SH1) 2×WcH
S ＝ √3 × U × I 代入后：
將S代入后：
WcS ＝ (S1÷SH1) 2×WcH ＝｛(√3×U×I1÷√3×U×I H) 2｝×WcH ＝ (I1÷I H) 2×WcH
P ＝ S × cosф ＝ √3 × U × I × cosф
I ＝ P÷〔√3 × U × cosф〕
再將I代入后：
WcS ＝ (I1÷I H) 2×WcH
＝｛〔(P÷√3 × U × cosф)÷ I H〕2｝×WcH
＝｛〔P÷(√3 × U × I H× cosф)〕2｝×WcH
＝〔P 2÷(√3 × U × I H× cosф) 2〕×WcH
＝〔P 2÷(SH × cosф) 2〕×WcH ＝〔P 2÷(SH 2 × cosф2)〕×WcH
＝〔(P÷SH) 2 ÷ cosф2)〕×WcH ＝〔α÷(cosф2) 〕×WCH
α＝(P÷SH) 2
當(dāng)P為定值時，隨著cosф的降低，變壓器銅損隨著cosф的降低，與功率因數(shù)平方成反比而增加。所以提高功率因數(shù)也是一項節(jié)約電能損耗的重要措施。
假設(shè)某車間變電所，其變壓器額定容量800 kVA，鐵損Wi ＝ 1.9 kW，滿載時銅損WC ＝ 13 kW，其日負(fù)荷曲線560 kW cosф1 ＝ 0.8 ，運行10小時；400 kW，cosф2 ＝ 0.8 ，運行6小時；晚上8小時負(fù)荷為0，變壓器退出運行。按上述負(fù)荷曲線運行時：
鐵損為： 16 ×1.9 kW＝ 30.4度
銅損為：WcS ＝｛[ 10 × (560÷800) 2÷0.82]＋ [ 6 × (400÷800) 2÷0.8 2 ]｝×13 kW
＝｛[ 10×(0.49÷0.64 ) ] ＋ [ 6 ×(0.25÷0.64 ) ]｝×13 kW
＝ (7.66 ＋ 2.34 )×13 kW＝ 130度
總共每天電能損失為：30.4 ＋ 130 ＝ 160.4度
以一年300個工作日計算，損耗共計：300 × 160.4 ＝ 48120度。
如果采用低壓補(bǔ)償，將功率因數(shù)從0.8提高到0.9則：鐵損仍為30.4度，銅損為：
WcS ＝｛[ 10 × (560÷800) 2÷0.92]＋ [ 6 × (400÷800) 2÷0.9 2 ]｝×13 kW
＝｛[ 10×(0.49÷0.81 ) ] ＋ [ 6 ×(0.25÷0.81 ) ]｝×13 kW
＝(6.05 ＋ 1.85 )×13 kW＝ 102.7度
總共每天電能損失為： 30.4 ＋ 102.7 ＝133.1度
以一年300個工作日計算，損耗共計：300 × 133.1＝ 39930度。
采用低壓無功補(bǔ)償將將功率因數(shù)從0.8提高到0.9以后，每年可節(jié)省電能：
48120－33930 ＝ 14150度
無功補(bǔ)償應(yīng)優(yōu)先考慮在變電所進(jìn)行低壓集中無功補(bǔ)償，如果再能夠選用功率因數(shù)高的用電設(shè)備，或者在用電設(shè)備附近進(jìn)行就近分散補(bǔ)償布置，節(jié)省電能效果會更好。有高壓電動機(jī)，以及變壓器臺數(shù)非常多時，還需要進(jìn)行高壓無功補(bǔ)償。

4 及時切除空載變壓器節(jié)能效果分析
工業(yè)與民用建筑供電系統(tǒng)一般都有兩臺以上變壓器，根據(jù)工作班制，非三班制的單位，可以在下班后，以及節(jié)假日將空載變壓器切除，也是一種比較好的節(jié)省電能措施。一臺500 kVA變壓器空載損耗按照1.08 kW計算，如果每年按照110天節(jié)假日，每個工作日按照12小時上班時間計算，按時切除一臺500 kVA變壓器，一年可節(jié)省的電能為：
Wc ＝［〔110 × 24 〕＋〔255 × 12〕］× 1.08 kW ＝〔2640＋3060〕× 1.08 kW
＝ 5700 × 1.08 kW ＝ 6156度
節(jié)省6156度電能看起來不是一個大的數(shù)字，如果全國大多數(shù)單位都能夠在下班后，以及節(jié)假日將空載變壓器切除，就會成為一個非常大的節(jié)省電能數(shù)據(jù)。