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摘要：从变压器的选择、线路的选取和布局以及功率因数的提高三个方面详细论述了电气节能设计的技术措施，分析了这些技术措施的原理和效果。变压器节能主要在于降低其空载损耗和有载损耗；线路节能在于减小电导率、增大截面积以及减少线路长度；功率因数的提高包括提高自然功率因数和通过无功补偿设备提高功率因数。在实际工程应用方面，讨论了提高照明负荷、电动机负荷的用电效率并节省开支的措施。
关键词：电气节能；变压器选择；功率因数；工程应用；损耗
作者简介：边云满（1972-），男，辽宁台安人，中铁十六局集团有限公司企业管理部，工程师。（北京 100018）
中图分类号：TM92 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2012）15-0147-02
从日本京都到印尼巴厘岛，从丹麦的哥本哈根到南非德班，国际社会正在节能减排的道路上艰难前行。[1，2]作为一个负责任的大国，加强节能减排也一直是我国在社会建设、经济发展中不断努力的方向。科学发展观强调要坚持以人为本，树立全面、协调、可持续的发展观，并指出要统筹人与自然和谐发展。因此，节能也是全面贯彻落实科学发展观的必然要求。当前，国家经济正处在从粗放型的发展方式向集约型发展方式转变的关键阶段。电力行业作为能源领域的重要行业，与国民经济发展息息相关，而电能又是最为重要的二次能源，因此电气节能是转变经济发展方式的重要环节，同时也是电力从业人员，特别是相关设计人员关注和研究的重点。
电气设计人员处在电气节能的首要环节，设计方案合理与否直接关系到节能的效果，这就要求电气设计人员在设计过程中，应进行方案比较，从可靠性、经济性及节能等方面进行综合考虑。不能以牺牲建筑物功能为代价，也不能盲目花费资金，而应该在可接受范围之内，采取合理的设计，做到能源节约与资金节约的统一。
在电气设计领域，节能技术主要包括以下几个方面：变压器的合理选择、线路的选取和布局以及功率因数的提高。
一、变压器的选择
所谓变压器的合理选择，就是要选择有功功率损耗低、运行效率高的变压器。变压器的有功损耗可用下式表示：
（1）
式中为变压器有功损耗，为变压器空载损耗，为变压器有载损耗，为变压器负载率。
空载损耗即为通常所说的铁损，主要由变压器铁芯的涡流和漏磁通产生，其大小可表示为[3]：
（2）
其中，为工艺系数，为单位损耗，为硅钢片质量。
由式（2）可见，的大小取决于铁芯的制造工艺和硅钢片的性能，而与变压器负荷无关。在选择变压器时可以优先选择材料优质、制造工艺先进的变压器，如SL7、S9等型号的新型节能变压器，从而获得较低的铁损。这类变压器使用导磁效果好的冷轧晶粒硅钢，并采取“取向”工艺，使得硅钢片的磁场方向几乎一致，从而减少涡流损耗，同时变压器连接缝处密封性良好，使得漏磁损耗减少。表1为几种新型变压器在不同容量下额定时的空载损耗（单位瓦）对比。
变压器有载损耗即通常所说的铜耗，其大小等于变压器电流流过绕组时所消耗功率。应尽量选择铜芯电阻值较小的变压器。
负载率的选取则需要考虑多方面的因素。取值低虽然有益于减少功率损耗，但低负载率必然要求变压器容量较大，从而增加购置变压器的费用。此外，变压器容量的加大，又使得出线开关、母联开关容量增大，从而进一步加大购置费用。若取值过高，一方面会增大功率损耗，另一方面变压器长时间高负载运行也必将缩短其使用寿命。综合考虑，的取值范围应在75%-85%之间。
另外，当容量较大需要多台变压器时，在合理分配负荷的前提下，应该尽量选择容量较大的变压器，减少变压器台数。从表1可以清楚地看到，2台100kVA的S9变压器在额定状态下的空载损耗为580W，而选用一台同型号容量为200kVA时，其空载损耗为480W，显然减少台数可以降低损耗。
二、线路的选取和布局
就普通工程而言，干线、支线的长度总和可达上万米，因此在线路上产生的有功损耗也是相当大的。显然，线路上的有功损耗与线路的总电阻成正比，而可表示为：
（3）
为导线的电阻率，为线路总长度，为导线截面积。
由（3）式可知，通过选取电阻率低、截面积大的导线，减少线路总长度可降低线路总电阻，从而减少在线路上损失的功率。
铜的电阻率较低，铝次之。然而铜的价格比铝要高，因此要遵循节约用铜的原则，在负荷较大时采用铜线，负荷较小时采用铝线。
对于较长的线路，在满足动热稳定、保护配合等条件的情况下，可以考虑将线缆面积再加大一级。令加大线缆面积需花费的费用为M，因此降低损耗所减少的费用为N，则M/N即为回收年限。当回收年限在可接受的范围之内时，即可增加线缆面积。此外，还可以根据负荷的季节性，将大功率的空调、风机等负荷和普通照明负荷公用一条线路，这样在不使用空调的春、秋两季，以较大截面积的导线传输电流较小的负荷，从而有效减小了线路上的损耗。
在减少线路长度方面，应该遵循以下三点原则：首先，变电所应尽量接近负荷中心，从而减少线路长度，降低线损。一般情况下，低压线路的供电半径不得超过200m。对于单层面积超过10000m2的建筑物而言，应该设两个及以上的变电所，以减少线路长度。其次，在高层建筑中，低压配电室应靠近强电竖井，而且由低压配电室提供给每个竖井的干线，要避免“支线沿着干线倒送电能”的现象发生，尽可能减少回头输送电能的支线。[4]第三，线路应尽量直走，尽量避免走回头路，以减少总长度。
在实际的设计与工程应用中，只要遵循以上几个原则，就可有效减少线路上的有功损耗，达到线路节能的目的。
三、功率因数的提高
三相输电线路的功率损耗为：
（4）
即为三相输电线路的有功功率损耗；P为输电线路的三相有功功率，kW；U为线路的线电压，kW；R为线路每相的电阻；为线路所连接负荷的功率因数。
由式（4）可知，在其他参数不变的情况下，增大可以减少线路上的功率损耗，实现节能。令改善前的负荷功率因数为，改善后功率因数提高至，则减少的功率损耗为：
（5）
提高负荷的功率因数，可降低负荷电流，相当于提升了供配电设备的供电能力。此外，当变压器二次侧的功率因数提高时，总的负荷电流将减少，从而使得变压器铜耗降低。提高功率因数的措施主要包括以下两个方面：
第一，减少设备消耗的无功功率，提高自然功率因数。以往使用的直流设备如变流机组、汞弧整流器等往往耗费大量无功，而使用新型的硅整流或晶闸管整流装置则可以减少无功消耗。电机在空载运行时同样会吸收大量无功，因此有必要限制电机的空载运行。对空载率大于50%的电动机和电焊机，可安装空载断电装置；对大、中型连续运行的胶带运输系统，可采用空载自停控制装置；对大型非连续运转的风机、泵类笼型异步电动机，宜采用电动调节风量、流量的自动控制方式，以节省电能。在容量相等的情况下，同步电动机的功率因数比异步电动机要高，因此条件允许时可考虑用同步机替代异步机或者异步机同步化运行。
第二，采用无功补偿装置进行补偿。供电部门规定高压供电的用户和高压供电装有带负荷调整电压装置的电力用户，其功率因数在电网负荷高峰时不得低于0.9，因此当自然功率因数无法满足要求时，就需要借助补偿设备来提高功率因数。主要的补偿设备是电容器。对于运行在以下条件的电动机应采用无功补偿：高负载率变压器供电的电动机、供电距离超过200m且连续运行的电动机、较长时间处在轻载或空载的电动机等。
关键词：电气节能；变压器选择；功率因数；工程应用；损耗
作者简介：边云满（1972-），男，辽宁台安人，中铁十六局集团有限公司企业管理部，工程师。（北京 100018）
中图分类号：TM92 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2012）15-0147-02
从日本京都到印尼巴厘岛，从丹麦的哥本哈根到南非德班，国际社会正在节能减排的道路上艰难前行。[1，2]作为一个负责任的大国，加强节能减排也一直是我国在社会建设、经济发展中不断努力的方向。科学发展观强调要坚持以人为本，树立全面、协调、可持续的发展观，并指出要统筹人与自然和谐发展。因此，节能也是全面贯彻落实科学发展观的必然要求。当前，国家经济正处在从粗放型的发展方式向集约型发展方式转变的关键阶段。电力行业作为能源领域的重要行业，与国民经济发展息息相关，而电能又是最为重要的二次能源，因此电气节能是转变经济发展方式的重要环节，同时也是电力从业人员，特别是相关设计人员关注和研究的重点。
电气设计人员处在电气节能的首要环节，设计方案合理与否直接关系到节能的效果，这就要求电气设计人员在设计过程中，应进行方案比较，从可靠性、经济性及节能等方面进行综合考虑。不能以牺牲建筑物功能为代价，也不能盲目花费资金，而应该在可接受范围之内，采取合理的设计，做到能源节约与资金节约的统一。
在电气设计领域，节能技术主要包括以下几个方面：变压器的合理选择、线路的选取和布局以及功率因数的提高。
一、变压器的选择
所谓变压器的合理选择，就是要选择有功功率损耗低、运行效率高的变压器。变压器的有功损耗可用下式表示：
（1）
式中为变压器有功损耗，为变压器空载损耗，为变压器有载损耗，为变压器负载率。
空载损耗即为通常所说的铁损，主要由变压器铁芯的涡流和漏磁通产生，其大小可表示为[3]：
（2）
其中，为工艺系数，为单位损耗，为硅钢片质量。
由式（2）可见，的大小取决于铁芯的制造工艺和硅钢片的性能，而与变压器负荷无关。在选择变压器时可以优先选择材料优质、制造工艺先进的变压器，如SL7、S9等型号的新型节能变压器，从而获得较低的铁损。这类变压器使用导磁效果好的冷轧晶粒硅钢，并采取“取向”工艺，使得硅钢片的磁场方向几乎一致，从而减少涡流损耗，同时变压器连接缝处密封性良好，使得漏磁损耗减少。表1为几种新型变压器在不同容量下额定时的空载损耗（单位瓦）对比。
变压器有载损耗即通常所说的铜耗，其大小等于变压器电流流过绕组时所消耗功率。应尽量选择铜芯电阻值较小的变压器。
负载率的选取则需要考虑多方面的因素。取值低虽然有益于减少功率损耗，但低负载率必然要求变压器容量较大，从而增加购置变压器的费用。此外，变压器容量的加大，又使得出线开关、母联开关容量增大，从而进一步加大购置费用。若取值过高，一方面会增大功率损耗，另一方面变压器长时间高负载运行也必将缩短其使用寿命。综合考虑，的取值范围应在75%-85%之间。
另外，当容量较大需要多台变压器时，在合理分配负荷的前提下，应该尽量选择容量较大的变压器，减少变压器台数。从表1可以清楚地看到，2台100kVA的S9变压器在额定状态下的空载损耗为580W，而选用一台同型号容量为200kVA时，其空载损耗为480W，显然减少台数可以降低损耗。
二、线路的选取和布局
就普通工程而言，干线、支线的长度总和可达上万米，因此在线路上产生的有功损耗也是相当大的。显然，线路上的有功损耗与线路的总电阻成正比，而可表示为：
（3）
为导线的电阻率，为线路总长度，为导线截面积。
由（3）式可知，通过选取电阻率低、截面积大的导线，减少线路总长度可降低线路总电阻，从而减少在线路上损失的功率。
铜的电阻率较低，铝次之。然而铜的价格比铝要高，因此要遵循节约用铜的原则，在负荷较大时采用铜线，负荷较小时采用铝线。
对于较长的线路，在满足动热稳定、保护配合等条件的情况下，可以考虑将线缆面积再加大一级。令加大线缆面积需花费的费用为M，因此降低损耗所减少的费用为N，则M/N即为回收年限。当回收年限在可接受的范围之内时，即可增加线缆面积。此外，还可以根据负荷的季节性，将大功率的空调、风机等负荷和普通照明负荷公用一条线路，这样在不使用空调的春、秋两季，以较大截面积的导线传输电流较小的负荷，从而有效减小了线路上的损耗。
在减少线路长度方面，应该遵循以下三点原则：首先，变电所应尽量接近负荷中心，从而减少线路长度，降低线损。一般情况下，低压线路的供电半径不得超过200m。对于单层面积超过10000m2的建筑物而言，应该设两个及以上的变电所，以减少线路长度。其次，在高层建筑中，低压配电室应靠近强电竖井，而且由低压配电室提供给每个竖井的干线，要避免“支线沿着干线倒送电能”的现象发生，尽可能减少回头输送电能的支线。[4]第三，线路应尽量直走，尽量避免走回头路，以减少总长度。
在实际的设计与工程应用中，只要遵循以上几个原则，就可有效减少线路上的有功损耗，达到线路节能的目的。
三、功率因数的提高
三相输电线路的功率损耗为：
（4）
即为三相输电线路的有功功率损耗；P为输电线路的三相有功功率，kW；U为线路的线电压，kW；R为线路每相的电阻；为线路所连接负荷的功率因数。
由式（4）可知，在其他参数不变的情况下，增大可以减少线路上的功率损耗，实现节能。令改善前的负荷功率因数为，改善后功率因数提高至，则减少的功率损耗为：
（5）
提高负荷的功率因数，可降低负荷电流，相当于提升了供配电设备的供电能力。此外，当变压器二次侧的功率因数提高时，总的负荷电流将减少，从而使得变压器铜耗降低。提高功率因数的措施主要包括以下两个方面：
第一，减少设备消耗的无功功率，提高自然功率因数。以往使用的直流设备如变流机组、汞弧整流器等往往耗费大量无功，而使用新型的硅整流或晶闸管整流装置则可以减少无功消耗。电机在空载运行时同样会吸收大量无功，因此有必要限制电机的空载运行。对空载率大于50%的电动机和电焊机，可安装空载断电装置；对大、中型连续运行的胶带运输系统，可采用空载自停控制装置；对大型非连续运转的风机、泵类笼型异步电动机，宜采用电动调节风量、流量的自动控制方式，以节省电能。在容量相等的情况下，同步电动机的功率因数比异步电动机要高，因此条件允许时可考虑用同步机替代异步机或者异步机同步化运行。
第二，采用无功补偿装置进行补偿。供电部门规定高压供电的用户和高压供电装有带负荷调整电压装置的电力用户，其功率因数在电网负荷高峰时不得低于0.9，因此当自然功率因数无法满足要求时，就需要借助补偿设备来提高功率因数。主要的补偿设备是电容器。对于运行在以下条件的电动机应采用无功补偿：高负载率变压器供电的电动机、供电距离超过200m且连续运行的电动机、较长时间处在轻载或空载的电动机等。