不同型号的变压器由于其绕组材质、截面积的不同, 电能传递效率存在显著差异, 当然价格也明显不同。最合理的设计方法是根据回收年限来选择变压器。为简化计算方法, 在工程设计中一般不考虑资金占用的时间因素, 只考虑不同型号变压器支出费用的价差和年耗电费的价差, 则有:
本文摘录了常用10k V及35k V配电变压器 (连续运行) S9比较S7的回收年计算数据, 由于变压器价格经常调整, 表中数据仅供参考。
值得注意的是, 在民用建筑中, 部分变压器仅冬夏两季运行, 此时节能型变压器的回收年限会成倍延长。
选择导线首先要考虑安全性, 其次要考虑经济性。若导线截面偏大, 则线路投资较大, 当然线损会较小;若导线截面偏小, 投资虽省, 可线损偏大, 而且安全系数也小。电力电缆的选择有按导体载流量选择导线截面积和按经济电流密度选择导线截面积这两种方法。较长距离的大电流供配电线路, 在满足电压损失和短路热稳定的前提下, 当年最大负荷运行时间小于4000h时, 可按导体载流量选择导线截面;当年最大负荷运行时间大于4000h但小于7000h时, 宜按经济电流密度选择导线截面;当年最大负荷运行时间大于7000h时, 应按经济电流密度选择导线截面。
由于大家对于按导体载流量选择导线截面积的方法较熟悉, 故本文仅讨论按经济电流密度选择导线截面积的方法。按经济电流密度选择电线、电缆截面的方法是一种经济选型法。所谓经济电流是指在导体的寿命期内, 投资和导体自身耗能费用之和最小的适用截面积区间所对应的工作电流 (范围) 。按载流量选择线芯截面时, 只计算初始投资;按经济电流选择时, 除计算初始投资外, 还要考虑经济寿命期内导体自身的耗能费用, 二者之和应最小。当减少线芯截面时, 初始投资减少, 但线路自身耗能费用增大;反之, 当增大线芯截面时, 线路自身耗能减少, 但初始投资增加, 某一截面区间内, 二者之和 (总费用) 最少时, 即为经济截面。
电力电缆截面经济最佳化有多种计算方法, 这里介绍的是经济电流密度的算法:
将公式 (1) 代入公式 (5) 得到:
其中:
A——与导体截面有关的单位长度成本的可变部分 (制造费用斜率) , 元/m.mm2;
j——电缆导体经济电流密度, A/mm2;
Imax——最大负荷电流, A;
N——电缆使用的经济寿命, a;
Np——每回路相导体的数量;
Nc——传输同型号电缆和负载值的回路数量;
P——电价元;
D——附加发电成本, 元/k W·a;
F——公式 (2) 定义的辅助量, 元/W;
Q——公式 (3) (4) 定义的辅助量;
a Imax——的年增长率, %;
b——电价P的年增长率, %;
i——计算现值的贴现率, %;
Tmax——年最大负荷利用小时, h;
τ——年最大负荷利用小时对应的年最大负荷损耗小时, h;
Sec——电缆导体的经济截面, mm2。
计算时, 一般取N=30a, D=252元/k W·a, 现值系数[Q/ (1+i%) ]=11.2, 公共建筑低压配电系统一般采用TN-S接地形式, Np=4, YJV-1k V (3+2) 电缆平均A值=2.276, cos!=0.8。
(1) 按短路电流热稳定计算电缆最小截面。
(2) 按电压损失校验。
(3) 按接地故障电流灵敏度校验。
(4) 按发热允许电流校验电缆截面, 应计入多根电缆成束敷设时的修正系数。
我们知道, 功率因数是指有功功率和视在功率的比值, 即:
P:有功功率;S:视在功率在理想正弦波的情况下, 无功功率Q仅仅反映了电能在电源与负载之间交换的幅度, 而并不消耗功率。此时有:
其中, P1:基波的有功功率;S1:基波的视在功率由于谐波的存在, 使得PF
其中, PFdisp:位移功率因数;PFdist畸变功率因数。
在谐波环境中, 无功功率Q, 一部分反映了电能在电源与负载之间交换的幅度 (不做功) , 还有一部分则被认为主要做了无用功。这是因为除了白炽灯、电热丝的少数装置外, 多数用电设备 (如电动机、变流器等) 都被设计成工作于50Hz的正弦波电网中, 故它们不能有效地利用谐波和间谐波, 于是这部分能量就只能通过发热、电磁辐射、振动和噪音等途径耗散掉, 成为无用功 (但毕竟还是做了功的, 这与理想正弦波中的无功功率在物理意义上完全不同) , 并同时造成各种环境污染。
必须注意的是, 传统的静电电容补偿方法只能解决由于电流相位滞后导致的无功功率问题, 而对由于谐波、间谐波等频率不合所致的无功功率却无能为力。因此, 在谐波环境中, 计算静电补偿电容的容量时, 应当扣除非相位所致 (即畸变所致) 的无功功率, 并将这部分无功功率用滤波等方法来解决。
(1) 理论算法, 通用的功率因数算法参见公式 (7) 。
另外, 也可以利用基波因素来计算谐波环境中的功率因数PF:
式中, v为基波因数, 它等于基波电流有效值与总电流有效值之比, 即:v=I1/I。
上式说明了实际功率因数是由基波电流位移和电流波形畸变两个因素决定的。
(2) 工程估算方法
在实际工程设计中, 谐波所致的无功功率很难估算, 故上述算法实际上不可行。由于电网规模巨大, 通常可以认为电力系统的内阻为零 (视作无限大系统) , 因而仅考虑谐波电流而忽略谐波电压的影响, 即THDV=0。此时, 功率因数与THDi之间的关系如图1所示。
图中, PF为实际功率因数;cos!为理想正弦波的功率因数, 即基波功率因数 (我们传统算法所得即为此值) ;THDi则可用专门软件粗略估算得到。从图1可见在谐波电流的影响下, 实际功率因数将按图示曲线下降, 这是由于谐波产生了额外的无功功率。以此, 在工程设计中, 特别是在开关和导线的选择计算中, 宜按图1所示的曲线对功率因数进行粗略的修正, 否则的话, 计算所得的电流值将会偏小, 从而导致导线载流能力不足以及开关整定电流偏小。
降低供配电系统中的谐波含量, 可以有效地提高系统功率因数, 减少无功功率, 从而提高系统的能源利用率。在工程设计中, 除了通过设备的合理选型以控制谐波源等措施外, 还可以采取以下谐波治理措施:
(1) 背景谐波含量较高或可能发生并联电容器组的电容与系统电感间并联谐振时, 并联电容器组应串接消谐电抗器, 并注意电抗器参数选择, 防止电容谐波放大。在调谐频率fh处:
XL:电抗器基波感抗值;XC:电容器基波容抗值。
在确定电抗器容量时, 应使实际调谐频率应小于理论调谐频率 (即希望抑制的谐波频率) , 以避免发生系统的局部谐振。还应考虑一定裕度, 因为当电容器使用时间较长后, 其介质材料退化, 从而导致电容值下降, 引起谐振频率的升高。
(2) 设置谐波吸收装置。谐波吸收装置包括调谐式谐波吸收装置、无源滤波器、有源滤波器 (并联有源滤波器、串联有源滤波器、串并联复合型有源滤波器) 、有源无源复合型滤波器、静止无功发生器 (SVG) (兼作谐波抑制装置) 等。各种谐波治理设备的适用场合不尽相同。配电系统至少满足下列条件之一时, 可设置滤波器:
配电系统的自然功率因数较低, 需要作电容补偿;
必须降低电压畸变以避免灵敏负载被干扰;
必须降低电流畸变以避免馈线 (如, 电缆的中性线等) 与设备 (如, 电容器等) 过载。
其中, 当配电系统中具有相对集中的大容量 (如, 200k VA或以上) 非线性负载时, 宜选用无源滤波器;当配电系统中具有大容量 (如, 200k VA或以上) 非线性负载, 且变化较大 (如, 断续工作的设备等) , 用无源滤波器不能有效工作时, 宜选用有源滤波器;当配电系统中既具有相对集中且长期稳定运行的大容量 (如, 200k VA或以上) 非线性负载, 又具有较大容量的经常变化的非线性负载时, 宜选用有源无源组合型滤波器。在无功功率变化较大且谐波严重的系统中, 也可采用静止无功发生器, 在进行功率因数校正的同时, 也能实现对谐波的抑制。
供配电系统的节能设计涉及许多方面, 本文仅仅讨论了其中容易被忽视的几个问题。如何提高供配电系统的节能效率, 是我们设计人员将长期面对的课题。
摘要：供配电系统的节能设计涉及许多方面, 文章通过对配电变压器的经济选型以及经济电流密度的算法的介绍, 讨论了供配电系统的节能效率方面的相关问题。
关键词：投资价差回收年限,经济电流密度,谐波环境,功率因数校正,谐波治理
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