节电技术在低压供配电系统中的设计应用

    摘要： 本文通过分析节电技术发展和应用的必要性，简述智能节电器的构成与类型、节电原理、功能特点、适用范围和技术性能等，为建筑电气设计提供参考依据，推动节电新技术、新产品在民用建筑工程中的应用。
    关键词 ： 节电技术  智能节电器  选择原则  安装做法  实际应用  注意事项 
1 引言
      随着国民经济建设的高速稳步发展，节能降耗已成为我国经济和社会的一项战略任务，建设节能型社会，促进经济可持续的发展，是实现全面建设小康社会宏伟目标，构建和谐社会的重要基础保障。本文遵循国家的节能原则，对节电技术在民用建筑低压供配电系统中的设计应用进行研讨，力求从建筑电气设计着手，既满足现行规范要求，又能体现合理的节电技术应用，逐步达到规范化和标准化，并结合节电产品的技术性能，使其在应用中更加安全可靠，真正发挥节电的重要作用。
2 节电技术发展及应用的必要性
      我国从20世纪50年代起，借鉴国外的成功经验，就已开始考虑节电技术的应用，第一代节电技术采用电容器无功补偿，20世纪70年代第二代节电技术为可控硅斩波技术，20世纪80年代第三代节电技术为变频技术，到20世纪90年代第四代节电技术为抑制浪涌技术，虽然经历几代节电技术的应用，甚至有些节电技术还延用至今，并在节电方面收到了一定的效果，但是或多或少的存在着有效性和可靠性的问题。从20世纪末开始出现的电磁平衡调控技术，使用了电磁调压、电磁移相、电磁平衡变换等技术，并且与微电脑智能控制电路完美结合，可实时动态监测电器负载变化的情况，根据当前电源的实际参数，自动调控输出实际需要的功率，达到精确的匹配，并且还可以把多余的能量反馈给电源，提高电气设备的功率因数，降低线路上的损耗，提高系统用电效率，增大了线路容量，使电压平衡得到改善，减少电气设备附加损耗，延长电气设备的使用寿命，从而有效实现了系统综合节电，大幅度提高了节电效率。电磁调控作为第五代节电技术，因其节电效果和供电质量具有明显的优势，已成为当前节电技术研究的新热点。节能关键在节电，充分认识节电的重要性和紧迫性，明确节电技术应用的必要性，加强节电技术的推广应用势在必行。
3 智能节电器的构成与类型
      智能节电器由特殊设计的补偿变压器、无触点控制技术（或无极调压技术）、采样电路、主控制电路、调压控制电路、时控电路、保护电路等，构成了综合型节电装置。由于运用全新的设计理念，其核心技术采用先进的电磁平衡原理，实行分相采样，分相稳压调压，使得三相输出的电压、电流趋于平衡和稳定，并可调整过剩电压、降低启动电流、抑制高次谐波、过滤浪涌和瞬流、从而改善用电品质，同时提高用电设备的使用效率，延长其使用寿命。针对国内电网和用电实际情况，并结合电力和照明负载使用的特点研发而成，具有应用范围广、节电效果好、回报周期快、投资效益高等优点。
根据目前我国各生产企业的产品类型，智能节电器主要分为电力、照明配电型和电力与照明配电通用型三大类型，其中电力配电型主要适用于电力系统配电和末端各类电机设备配电等，可分为电力配电、中央空调、分体空调、风机水泵、电(扶)梯升降设备等专用；照明型主要适用于照明系统配电和各种灯光配电等，可分为照明配电、路灯、各种灯光、家电、弱电机房电源等专用；电力与照明配电通用型只适用于电力与照明混合系统的配电，不适合末端电机设备配电。
4 智能节电器的节电原理和功能特点
      智能节电器采用先进的电磁平衡原理，采用特殊设计的电磁结构，内部经串联电抗器并联接入自耦调压器和外加独立相位调整兼消除高次谐波线圈，按一定规则连接后固定在一个三柱式铁芯上制成补偿变压器，从而起到对高次谐波分量（主要是3、5、7次）的阻波、陷波及相位调整作用。由于各线圈所产生的磁通是由各相励磁线圈所产生的磁通交汇在同一个铁芯上，使得三相磁势得到平衡，因而输出电压趋于平衡，且稳定在所设定的工作电压上，实现电压整形处理，同时通过电感之间电磁相互作用，回收彼此反相的剩余电流和无功功率以最大限度的节省电能，吸收无效能耗，是一种新型的高科技环保型节电产品。
4.1    调整电压幅值，起到稳压作用
      由于电网及负荷的变化，用户电压经常出现高低波动，对于电动机来说，磁通或磁通密度随电压升高而增大，铁损耗和铜损耗增加，电动机运行温度升高，使用寿命缩短，同时也加大了线路损耗，最终导致用电量的增加。由于智能节电器采用最新的电磁平衡原理，内部并联接入了自耦固定式调压器，具有独特的调节电压幅值功能，并按实际用电情况随时调整用电设备电压的平衡度和稳定性，可以将偏高的电压值调整到合理的额定电压范围内，从而减少不必要的浪费，提高用户的经济效益。
4.2 抑制瞬变浪涌，延长设备使用寿命
      瞬变和浪涌是正弦交流波电路上电流与电压的一种瞬时态的畸变，多以浪涌和谐波为主要的表现形式，最主要的特点为超高压、瞬时态和高频次。瞬变产生的主要来源是由外部环境、内部配电系统和电弧放电等，直接或间接的影响系统效率下降、用电设备温度升高、对计费电表的阶跃式冲击转速加快，其危害不仅会使系统的电耗增加、用户多付电费，而且严重影响到设备的安全。为此，智能节电器采用最理想的磁性材料和特殊的接线方式，来平稳电压或电流的瞬间变动，抑制瞬变和浪涌的幅度，一是堵截外部环境瞬变干扰的来路，二是切断内部配电系统瞬变产生的回路，对用电设备起到了保护作用，使用电设备免受系统中的浪涌电压波动的侵害，确保机电设备及电子设备的平稳运转，改善计量装置的准确性，同时也保证了安全用电的可靠性，将用电设备的使用寿命延长了2-3倍。
4.3 降低电机启动电流，减少其运行电流
      在民用建筑工程中，常用拖动的电机类型大多数都是交流鼠笼异步电机，通常在设备选配电机时，其标称功率必须高于所驱动负载的最大需求，为保证设备在满负载时电机能够正常运行，一般选配的电机标称功率都偏大，所以即使在额定电压下满负荷运行时也有节电空间，通过智能节电器内部电磁平衡作用及串联电抗器的功能，可对电机启动电流起到一定的抑制作用，在电机启动时由于阻抗极小，相当于接入一定数量的等值阻抗，一般可使启动电流降低至2~3倍的额定电流，如果有很多台小型电机或群控多台小型电机，其节电效果更为明显，同时还可减少电机启动时冲击电流对其它用电设备的影响；另外通过微电脑智能控制电路，可实时动态监测负载变化的情况，根据当前所需的运行参数，自动调控输出实际需要的功率，来减少电机的运行电流，达到精确的匹配。保证电机在最佳的负载率下运行，使节电效率更佳。
4.4 抑制高次谐波，改善功率因数
      智能节电器内部经串联电抗器并接入自耦调压器和外加独立相位调整兼消除高次谐波线圈，从而起到对高次谐波分量的阻波、陷波及相位调整作用，可以阻止高次谐波由供电网携带侵入，同时还能抑制低压电器及电子设备产生的谐波电流，使高次谐波不会在供电网、电力变压器以及用电设备中产生循环及叠加，避免对用户配电系统的干扰和影响。另外在节电同时由于自身不产生高次谐波，输出端始终是比较完整的正弦波，降低多余的有功输出，提高用电效率，延长设备的使用寿命，减少多余电费开支，对电网无污染起到净化作用，改善供电品质。               
智能节电器依靠辅助绕组的移相和调整组别结线的方式，来调整各相输出电流与电压相位，自动调控配电系统的无功功率，改善用电设备的功率因数，降低供电系统的功率损耗和电能损耗、减少变压器和线路中的电压损失。
5 智能节电器适用范围和技术性能
      在民用建筑工程中，智能节电器主要适用于低压供配电系统的电力、照明和电力与照明混合型配电回路，可直接串联于电源与负载间，不用改变传统的接线习惯，即输入端接电源侧输出端接负载侧，从而对制冷空调设备、通风设备、换热设备、给排水设备、厨房设备、洗衣设备、电(扶)梯升降设备以及各类照明、电热、家电、弱电设备等负载，基本上能实现比较理想的节电效果，满足节能降耗的目标要求。
智能节电器的技术性能各生产企业都不尽相同，一般都适用于工频50HZ，电力和混
合型一般输入额定电压为380V±20％，照明型一般输入额定电压为380V±20％或220V±10％；常用的容量为30～450kVA，各产品都具备短路、过载、过压、欠压、温度等完善的保护功能，过载能力在110％～150％不等,由于自身损耗极小，空载和负载时的损耗可忽略不计；但在发生故障或异常情况时，会将主回路自动转换为旁路，以保证持续稳定的电流供给，从而既保护产品的内部回路，也防止停电事故的发生。产品采用了最先进的电磁平衡调控技术，并非可控硅相控技术，主回路无电子元器件，不会对电网和用电设备产生任何电磁干扰和污染，并无机械磨损，使用寿命可达15～20 年以上，根据不同的负载使用情况，大大降低运行费用，对以照明设备为主的负载可节电10～25％，以电机设备为主变化比较大的负载可节电20～40％，电力与照明混合负载可节电10～30％，各类负载综合节电区间在10～40%左右，提升功率因数10～20％，投资回收比在1∶5以上，用户1～2年将收回一次投资成本。
6 智能节电器选择原则
      近几年来，智能节电器在工业企业中应用比较多，特别是负载变化大或经常变化负载的电机设备，以及有很多台小型电机或群控多台小型电机在使用后，其节电效果较为显著。而在民用建筑工程中正逐步推广应用，目前多采用照明类型的节电器，适用于路灯或学校、商业等场所的照明系统，通过投入使用比较后，降低运行成本，减少电费开支，节约大量电能，同样取得了良好的节电效果，受到了用户的好评。智能节电器在选择时应考虑以下几个原则：
(1) 根据低压配电系统的负载类型，选择相适应的节电器类型，并符合相关技术性能的要求。如电力配电、中央空调、分体空调、风机水泵、电(扶)梯升降设备等应选用电力配电型；照明配电、路灯、各种灯光、家电、弱电机房电源等应选用照明配电型；电力与照明混合系统的配电应选用通用型。
(2)节电器的额定电压、额定频率应与所在回路的标称电压及标称频率相适应。即额定电压为380V三相五线制，或220V单相三线制, 工频50Hz。
(3)节电器当按视在功率选择时，所在回路的负载率不宜超过90％；当按有功功率选择时，应大于或等于所在回路负载的额定功率或计算功率；当按额定电流选择时，应大于或等于所在回路负载的计算电流；
(4)节电器应适应所在场所的环境条件。即适应最低与最高环境温度、相对湿度以及海拔高度等要求。
7 智能节电器实际应用
      在民用建筑工程中，低压配电系统主要包括电力和照明两大部分，配电型式主要分为放射式、树干式、放射与树干相结合的混合式以及链式配电，但在智能节电器实际应用中，应根据配电型式和负载类型，合理地选择正确的安装，可直接串联于电源与负载间。一般在低压配电系统中可根据配电干线的实际需求，分别安装1~2级智能节电器配合使用，具体安装应用做法有以下几种：
(1)    当在变压器低压侧总开关后安装智能节电器时，作为总电源的节电应用，可代替传
统的无功功率补偿和消谐装置，但两者不宜同时安装，可任选一种安装做法。当采用智能节电器时，除应满足无功功率补偿容量的要求外，还要考虑到电源进出接线方便等问题，目前此做法应用比较少，一般多采用传统的做法。
(2)    单回路放射式的电力配电干线，宜在末端配电箱（柜）总开关后安装智能节电器，
作为电力干线的集中节电应用；或在末端配电支路针对某台电机设备单独安装智能节电器，并可根据实际需求，选择相适应的具有电机控制保护功能的智能节电器，包括电机的直接启动、降压启动、软启动、变频启动以及联锁与自动控制等功能在内，都能通过提供具体的要求来实现，从而满足了节电和控制保护的双重功能。
(3) 单回路放射式的照明配电干线，宜在末端配电箱（柜）总开关后安装智能节电器，作为照明干线的集中节电应用；也可直接选择带有多回路照明出线的智能节电器，使节电和照明支路配电合二为一，减少配电箱（柜）节省安装空间；或针对特殊的末端照明分支干线及支路单独安装智能节电器，以达到较好的节电效果。
(4)双回路放射式的电力与照明配电干线，宜在末端双电源自动切换后安装智能节电器，作为电力与照明干线的集中节电应用。对于电力干线或在末端双电源自动切换后的配电支路针对某台电机设备单独安装智能节电器，也可以选择满足电机设备节电和控制保护双重功能的智能节电器。对于照明干线也可在末端双电源自动切后，直接选择带有多回路照明出线的智能节电器，或针对特殊的末端照明分支干线及支路单独安装智能节电器。
(5) 单回路树干式的电力与照明配电干线，宜在干线首端总开关后安装智能节电器，作为电力与照明干线的集中节电应用，也可在各楼层、各功能分区配电箱（柜）的分支干线总开关后安装智能节电器。对于电力分支干线或在末端配电支路针对某台电机设备单独安装智能节电器，并可以选择满足电机设备节电和控制保护双重功能的智能节电器。对于照明分支干线也可直接选择带有多回路照明出线的智能节电器，或针对特殊的末端照明支路单独安装智能节电器。
(6) 双回路树干式的电力与照明配电干线，宜在各楼层、各功能分区的双电源自动切换后安装智能节电器。对于电力干线或在双电源自动切换后的配电支路针对某台电机设备单独安装智能节电器，也可以选择满足电机设备节电和控制保护双重功能的智能节电器。对于照明干线也可在双电源自动切换后，直接选择带有多回路照明出线的智能节电器，或针对特殊的末端照明支路单独安装智能节电器。
(7) 对于放射与树干相结合的混合式的配电型式，单、双回路电力与照明干线，可按配电级数和各级的配电型式，合理确定智能节电器的安装做法，具体要求可参考以上条款选择应用，不再详述。
8 智能节电器选择的注意事项
      在民用建筑工程中，应根据建设单位的节能需求、投资情况、供电质量、负载类型和变化情况等因素综合分析考虑，通过一次投资和长期效益的评估比较，合理地选择应用智能节电器，并确定恰当的安装位置。对于智能节电器不能盲目的选择应用，更不能一概而论，要有针对性和选择性，并非在所有的配电干线都要安装，避免造成认识上的误区，所以在选择应用前，首先要了解清楚其工作原理是最重要的条件，达到最终的节电目的才是关键。对于比较重要的负载，如消防设备等，因平时不工作，同时为保证供电的连续性和可靠性，不应安装智能节电器；另外对于平常使用无变化和节电不明显的负载，安装智能节电器也没有什么作用；只有针对电压波动大、负载变化大、功率因数偏低的配电干线或末端用电设备，安装智能节电器才是最为理想的选择，选择应用的注意事项如下：
(1) 优先选择电磁平衡调控技术研制而成的智能节电器，因主回路无电子元器件，不会对电网和用电设备产生任何电磁干扰和污染，并无机械磨损，延长自身的使用寿命，采用直接串联接线方式，相比并联接线可提高平均节电率。不宜选择采用可控硅相控技术而制成节电器，会对电网和用电设备产生二次污染，或多或少的会给配电系统带来影响。
(2) 智能节电器选择不能单纯追求过多的安装数量，要有针对性和选择性，明确负载重点的节电对象，一般在低压配电系统中可根据每路配电干线的实际需求，安装数量不宜超过两级，避免重复安装造成浪费，尽可能靠近负载侧安装，节电效果更为明显。
(3) 智能节电器应通过严格的负荷计算后，确定相适应的输出容量，并符合各种技术性能指标的要求。当多台电机设备共用一台智能节电器时，多台电机设备同时使用的总容量不应超过节电器额定输出的上限，每台电机必须具有单独的保护功能。
(4) 对于电力、照明配电型和电力与照明配电通用型智能节电器，有的生产企业的产品除具备节电功能外，还具备多回路配电输出和电机设备控制保护以及联锁与自动控制等功能，在设计选用时，可根据实际需求直接选择多回路配电输出的智能节电器，使节电和配电输出合二为一，减少配电箱（柜）节省安装空间。
(5) 智能节电器是按照输出容量的大小，来确定其外形尺寸，主要分为柜式落地安装和箱式挂墙明装两种型式，在选择应用时要考虑充足的安装空间，便于通风散热和检修维护等。
9 总结
      本文通过分析节电技术发展和应用的必要性，简述智能节电器的构成与类型、节电原理、功能特点、适用范围和技术性能等，针对民用建筑低压供配电系统中的选择应用进行研讨，根据配电系统型式和负荷性质，结合生产企业的产品类型，明确了选择原则以及在实际应用中的具体安装做法，并提出需要注意的事项，为建筑电气设计提供了参考依据，遵循国家的节能原则，既满足现行规范要求，又能体现合理的节电技术应用，逐步达到规范化和标准化，力求从“设计着手，理念先行，科技创新，促进节电”，推动节电新技术、新产品在民用建筑工程中的应用。

参考文献：
1 《全国民用建筑工程设计技术措施节能专篇》（电气2007年版）
2 《公共建筑节能设计标准》(GB 50189-2005)
3 《中国智能建筑电气节能新进展》(2006年)
4  各生产企业“智能节电器”的产品样本