工业电气系统节能方法研究

摘要：我国经济正处于高速发展的阶段，工业项目上的投入大幅度地增加，尤其是电气系统相关的投入尤为突出。与此同时，能源危机不断加剧，因此在工业电气设计中不能仅仅考虑初期投入，更要考虑到项目投产运行后的能耗成本。本文通过总结国内若干大型工程设计中节能理念应用的经验和相关节能手段和节能技术的使用情况，总结归纳几个具有研究意义的具体应用策略。希望对今后工业电气系统节能设计提供理论上支持。

关键词：电气系统；节能；方法研究

引言

我国经济虽然呈现出高速发展的态势，但随之而来的是能源危机，这也是全世界都在面对的危机。在企业的运行中，供配电系统的能耗关系到企业的运营成本，因此要在工业电气设计中充分考虑节能效果。电气节能设计是一个综合的体系，既包含供配电系统、电气传动系统，也包含辅助的照明设施等。此外，电气节能设计的方案还应考虑到初期的投入，而不是单纯考虑节能，即在做节能设计的同时必须考虑设计方案的可行性。

1电气系统节能方法的研究

1.1 配电线路节能设计方法

供配电线路的设计既要满足用户和规范的要求还要兼顾节能，具体要考虑以下几方面：

（一） 变电所一定要靠近负荷中心，配电的层级不要超过三级配电。

（二） 配电线路结构设计方面，要考虑供电负荷的特点选择配线方式。配电线路的结构形式一般包括以下几种：1.‌放射式配线‌：放射式配线是指从配电中心向各个用电设备辐射供电的配线方式。这种方式适用于供电可靠性要求较高的场合，因为它的供电电源是独立的，当一个回路出现故障时，不会影响其他回路的供电。2.树干式配线‌：树干式配线是指多个用电设备共享一条配电干线，类似于一棵树的分支。这种方式适用于用电设备较集中且互相之间距离较近的场合，能够减少电缆的使用量，降低成本。3.‌链式配线‌：链式配线是指用电设备依次连接，形成一个链状结构。这种方式适用于设备较少且距离较近的场合，但需要注意的是，其中一个设备故障可能会影响整个链上的设备供电。4.‌环形配线‌：环形配线是指配电线路形成一个闭环，每个用电设备都有两条供电路径。这种方式能够提高供电的可靠性，当一个回路出现故障时，电流可以通过另一条回路继续供电。这些配电线路结构形式各有优缺点，选择合适的结构形式需要根据具体的用电需求、供电可靠性要求以及经济性等因素综合考虑。

（三）线路敷设方式和路由的设计，首先要遵循路由最短的原则进行设计，路由如无故加长，势必徒增线路的功率损耗，且会导致压降增加从而被迫扩大电缆截面积。其次，尽量避免直埋和电缆明敷的敷设方式，这两种方式不利于电缆散热且减少了电缆使用寿命，推荐在电缆桥架中敷设的方式，不但利于散热，屏蔽干扰，且便于维护。如大量电缆在同一路由敷设时还可以考虑电缆隧道的敷设方式，虽然初期投资偏大，但会大大降低后期的运营维护成本。

（四）科学选择导线截面：正确选择导线，对项目后期运营成本会起到关键性作用，选择电缆截面要考虑以下几方面条件[1]：

1）按温升选择。导体工作时的温度不能超过绝缘允许承受最大值。

2）按经济条件选择。即按寿命期内的总费用最少原则选择。

3）按短路动、热稳定选择。

4）线路启动压降和工作压降在正常范围内。

综合以上四个条件，将其中最大截面作为最终结果。

1.2节能型的供配电设备

选择配置合理性能较强且性价比高的电气设备，能够提高工业电气系统的实用性和经济效益，这种方法不仅有助于减少长期的维护成本，还能保证电气系统的稳定性和效率，从而在实现节能目标的同时，也能保证工业电气设计的经济性和可持续性[2]，下面举例介绍几大类电气设备如何考虑节能选型：

1.2.1　变压器

依据现阶段的设计规范要求，新建的工程项目不允许选用能效等级二级以下的变压器，不但如此，一级能效变压器的应用越来越广泛。实际工程应用中，变压器的能效等级和容量选择需要对初期的投资和后期的运营成本进行综合判断后进行选择。还需要注意的是，变压器的容量选择切莫过大，这就需要在做负荷计算式准确选取用电设备的需用系数，尽可能将变压器投产后的负载率控制在70%~80%之间。如变压器负载率过低，势必出现大马拉小车的情况，造成极大的浪费。

1.2.2　电动机

电动机在工业电气设计中是很常见的，针对电动机的节能措施主要有以下4个方面[3]：

（一）使电动机的工作在经济运行的范围之内，需要针对符合的特征选择合适的电动机。比如：功率在200kW 及以上应该选择10k或6kV的中压电动机；功率在2500kW及以上，负荷恒定且连续运行宜选择同步电动机，如果没有特殊需求一般不要选择直流电动机。

（二）选择高效率的电动机。高效率的电动机和普通的电动机相比，损耗降低了20%～30%，效率提高了3%～6%。

（三）对于负载率低于40%的轻载电动机可以使用降压装置或者星-三角切换来提高电动机的功率因数减少损耗，以此来提高电气节能的效果。

（四）电机容量的选择至关重要，如果电机容量过小，会导致无法带动负载，或导致电机过热而损坏；如果电机容量过大，则会出现“大马拉小车”的现象，不但效率低，且配套的电缆截面也会无谓的增加。比如选择水泵配套的电机，就务必首先要将负载的参数提供准确，比如流量、扬程等。然后利用计算公式得到的电机容量后不要随便扩大。

1.2.3 电机调速装置

实际工程项目中，电动机的调速方式有很多，比如串电阻调速、高频斩波调速，液力耦合器调速等。但在实际应用中，只有变频调速的效率能达到95%以上，是真正的节能型调速方式。变频调速通过以下几方面实现节能：1.根据实际负载需求调整功率输出，节约能源，提高能效。2.实现对电机转速的精确控制，满足不同工艺要求和负载变化。3.实现平稳启动和停止，减少机械零部件的磨损和故障率。4.减少噪音和振动的产生，提高工作环境的舒适性。5.实现对系统的精确控制和调节，提高系统的稳定性和响应速度。

变频调速实际上属于调压调速，主要是通过调节电压的频率从而实现的电机转速，其构成基本分为三部分：整流单元、滤波单元和逆变单元，整流单元首先将交流电转化为直流电，而后滤波单元要将直流电压中的谐波滤掉，使电路变为平滑的方波；最后，逆变单元实现了调整方波的频率，并将其重新转化为正弦交流电输送给电机。变频调速不但效率极高，且依靠处理器的高精度算法，能够实现对电机转速的精准控制，在现代工程项目中，变频器往往能够与PLC或DCS系统连接，实现信号互换，从而实现远程控制。但是需要注意的是，变频调速的初期投入很多，不但自身的价格昂贵，如果采用的变频器容量较大，还需要为其单独考虑房间及制冷系统。

1.2.4低压电气元件

 低压电气元件，如闸刀开关、低压断路器、接触器、热保护元件、电流互感器等等在电气系统中被大量使用，在实际工程项目中，绝大多数的电气负载都是低压供电。以一个典型的焦化工程为例，电气低压开关柜可多达近500面，每一面柜内至少包含8个用电回路，如用电回路是电动机回路，还要综合考虑控制元件和保护元件，因此数量十分庞大，由于每个低压电气元件同时也是用电设备，因此耗电量同样可观，我们在选用低压电气元件时，一定要选择低能耗，品质优良的产品，不但能达到节能效果，工厂整体的运行故障也会大大降低。

1.2.5无功补偿

在工程项目中，功率因数在一定程度上决定了系统的电能损耗、用电效率和送电能力。在项目正式运行后，一般在各380V变电所补偿后功率因数不低于0.85。如果达不到要求时，就要采用适当的方式进行无功功率补偿。

在实际的工程项目中，通常采用如下集中补偿方式，需根据实际情况，确定选用最优的方式。

（一）高压无功补偿：高压无功补偿是在高压母线上装设并联电容器，其目的是提高高压侧的无功功率。在实际应用中，很多项目都采用了SVG(高压动态无功补偿装置)装置来实现高压无功补偿，其特点是可以在系统正常运行的情况下及时的进行无功补偿，快速的提供无功电流，从而达到提高输电容量，升高输电电压的目的。

（二）低压无功补偿：在低压变电所的低压母线上装设并联电容器，其目的是提高低压侧的无功功率。功率因数的提高，可直接降低变压器的容量。

（三）低压分散补偿：这种方式在各用电负荷附近装设并联电容器。特点是补偿范围大，同时可以减小电气设备的容量和各导线的截面，从而减少损耗。

综上，通过提高功率因数可以达到以下的节能效果：1.将无功功率转换为有用的有功功率，从而提高能源的利用效率。2.减少线路的无效功率流动，降低输电线路的电流损耗，提高电网的供电能力。3.改善电网的电压调节能力，稳定电网电压，确保电器设备正常运行，提高供电质量。4.有效降低电网建设中所有相关设备的容量，降低电网建设中的投资。5.负荷电流减少，从而向负荷传送功率所经过的变压器、开关和导线等供配电设备都增加了功率储备。

1.3电气照明节能设计措施

在实际工程项目中开展照明节能设计时，设计人首先要了解各照明区域的作业特点，结合业主的要求，既要考虑工厂照明的统一性，也要对每个局部空间有所顾及，同时也要兼顾照明供电线路的合理性。同时，工厂照明的耗能也相当可观，据统计，一个典型焦化厂每年的照明用电量可达上百万度。因此，如何通过对整体照明布局的把握来实现节能的效果是非常值得研究的。

1.3.1 选择最佳色温与照度

在工业车间的照明设计中，首先要选择最佳的色温和照度。车间对照明要求很高，根据生产工艺和房间功能的不同进行选择。另外，应根据工作环境及任务要求选择色温。选择色温适宜的光源可以改善人的警觉性、提高工作效率，效缓解视疲劳，提高工作舒适性。

1.3.2 选择节能照明灯具

科学选择品质良好的节能灯具，可以有效降低能耗，灯具的选择是电气照明节能设计中最重要的一环。电气照明的区域不同，选用的灯具也各不相同。在选择灯具类型时，设计师应针不同的区域科学选择不同类型的灯具，以满足各部分照明需求。比如，厂房内一般设置的事工矿灯，棚顶需要设置投光灯，局部作业区域还需要设置局部照明，而在办公区域一般使用荧光灯。另外，还需要合理选择灯具的型号和数量，与设计的照度相匹配。重点还是对光源的选择，今年来，LED光源的使用越来越广泛。甚至可以涵盖整个工厂区域，从工矿灯、荧光灯到应急指示灯均可应。LED光源具有能耗低、寿命长、无频闪等特点。近年来，随着LED市场日趋扩大，LED光源的价格也在不断下降，甚至比以前的卤素灯价格还要低廉。因此，LED光源成为了新建各工程项目的首选。

1.3.3 使用高效光源附件

为了进一步提高洁净厂房的能源效率与性能，可以采用高效率光源附件。比如，可以利用定时设备自动控制灯具的开关，这在路灯照明中被大量应用。另外，为了改善照明均匀度，减少照明灯具的数量，可以使用反光罩与反光板，这样可以有效提高光源的利用率。另外，还可以采用散热装置延长LED 灯的使用寿命。合理使用高效率的光源附件既可以提高整体照明系统的效率与性能，还可以减少维修费用，延长系统使用寿命，达到节能的目的。

1.4基于自动控制系统的节能设计

为保证生产的高效率及自动化目标，建议采用PLC控制系统通过有效的技术进行控制。 PLC控制系统在如今的工程项目中的应用越来越广泛,成为工业生产中的高效控制技术系统之一。在PLC系统运行的过程当中，能够将整个PLC系统在运行过程当中，通过调整过程控制的各个参数，从而达到系统整体的节能效果。比如对工厂中生产系统使用了PLC技术之后，可以发现，一方面可以减少生产系统在运行过程当中的能耗损失，另外一方面，通过综合监控生产周期能够最大程度的提高产品质量。

1.5光伏新能源技术的应用

光伏新能源技术作为本世纪主流的新能源技术，在现代电气工程中已得到广泛应用。‌光伏新能源的原理‌是基于光生伏特效应，即当太阳光照射到太阳能电池上时，光子与半导体材料中的原子相互作用，产生光生载流子（自由电子和空穴），这些载流子在半导体内部的电场作用下被分离，并在外部电路中形成电流，从而将光能转换为电能，向末端负载设备供电。这种新能源能够极大程度的降低能耗。一个完整的光伏发电系统通常由以下几部分组成：
    ‌太阳能电池板‌：负责将太阳能转换为电能。太阳能电池板由多个太阳能电池串联而成，形成大面积的太阳电池组件。
    ‌逆变器‌：将太阳能电池板产生的直流电（DC）转换为交流电（AC），以供家庭或工业用电。
    ‌储能系统‌（可选）：用于存储多余的电能，通常在夜间或阴天时使用‌3。
‌监控系统‌：监控整个系统的性能和状态。
    光伏发电的应用场景：

光伏发电系统广泛应用于各种领域，包括但不限于：‌独立使用‌：适用于偏远地区或无电网覆盖的区域，提供独立的电力供应。‌并网发电‌：将发出的电能馈入电网，实现与电网的并网运行。‌分布式发电‌：在建筑物屋顶或地面安装太阳能电池板，为局部区域提供电力。光伏发电能够有效利用太阳能，减少对传统能源的依赖，是一种环保且可持续的能源解决方案。光伏新能源技术已经逐渐成为电气系统节能改造的重要手段之一。

2结语

自第二次工业革命以来，电气系统已成为为人类提供优质生产生活的重要能源，与此同时节能也成为了全世界永恒的思想。人类在电气系统运行的各个层面上越来越多的应用了节能的设计理念，并且这些设计理念还在不停的更新换代。不论是供配电系统、电气传动系统、照明系统、还是新能源系统，一套优秀的电气系统的方案设计，必须从整体的规划到细节的设计都渗透节能降耗的理念，由此实现较高的经济效益，推动全球工业健康稳定发展。

参考文献：

[1]刘屏周.工业与民用配电设计手册［M］．中国电力出版社， 2016，12( 第四版)

[2]许少帅.电气节能措施在石油化工企业中的应用[J].中国石油和化工标准与质量，2023，43（6）：66- 68.

[3]马为军.工业电气设计中电气节能探讨［J］．中国高新 技术企业，2014( 35) : 93-94．