水利水电工程电气节能设计探讨

摘要：经济的发展加剧了能源供需间的矛盾，各行各业均需落实可持续发展理念，开展绿色设计与生产工作。基于此，文章以水利水电工程电气环节为研究对象，分析电气节能设计的重要性，并阐述多项电气节能设计要点，提升水利水电工程设计水平，促进其可持续发展。

关键词：水利水电工程；电气节能设计；电气；节能设计

同冶金、化工、建筑等行业相比，水利水电工程的能耗较低，如果对其用能工艺、节能设备、节能管理等重视不够，导致水利水电工程在发挥功能过程中难以做到高效节能。尤其电气设计环节，易导致能源的不合理消耗。可见，在水利水电工程电气设计环节，引入绿色节能理念，具有鲜明的现实意义。

1水利水电工程电气节能设计重要性

长期以来，水利水电工程在城市防洪、农业灌溉、水力发电、居民生活、生态环境等领域发挥了巨大的作用。特别是在国民经济高速发展的背景下，水利水电工程的数量增多、规模扩大。电气设备是水利水电工程运行的关键，设计环节若存在能源损耗大的问题，工程在整个运用期间将处于低效、高耗运行状态，造成极大的浪费。由此可见，水利水电工程电气设计环节，节能手段的应用是很有必要的。无论从微观，还是宏观角度，水利水电工程建设，均需落实可持续发展理念，注重能耗控制，推动行业的绿色可持续发展[1]。

2水利水电工程电气节能设计要点

在开展电气节能设计前，相关单位需掌握节能减排的原则，规范相关工作。（1）合法性原则，节能设计需遵循国家相关政策法规和规划、产业政策、行业准入条件，落实节能减排规程规范；（2）可行性原则，需结合工程特点，明确电气能耗指标，开展针对性节能设计，保障方案的可行性；（3）经济性原则，提供多项节能设计方案，结合节能效果、投入成本等要素，选择最优方案；（4）先进性原则，优先选用先进工艺与技术，替换能耗过高的老旧产品。基于上述原则，在电气节能设计中注重如下要点。2.1贯彻全方位节能设计方法电气节能设计应与其他专业节能设计相协调，配合工程规划与总布置节能设计；水工建筑物、生产用房、管理生活用房等建筑物节能设计；水力机械及辅助设备以及金属结构节能设计，共同构建一个有机的节能体系。无论是工程施工期，还是运行期，节能设计还应通过加强技术管理（安装完备的能源计量器具，实现对能源消耗量的统计、考核）、建立健全能源管理体系等措施，构建系统化的能源管理体系。2.2优化用能工艺具体分析工程所在地电源供应情况，合理确定供电电压等级；优先选用距离近的电源点与供电距离短的线路路径；变电所的位置尽可能设在负荷中心，减小低压供电半径；选用一级能耗的用能设备。（1）合理选择输电线路路径，使线路最短，节省投资和运行成本。按经济电流密度法选择导线截面，降低线路损耗。线路选用电阻率小的导电材料，导线截面按使线缆初始投资和经济寿命期内线路损耗费用之和最少选择，即选择经济电流，有资料显示可减少35%~42%的线路损耗。（2）选择合理的供电电压等级，使电气设备投资与运行成本总费用最低。例如机组容量较大的泵供电电压由35kV改为110kV，线路损耗仅为35kV供电的1/9.87。（3）合理选用电气设备容量，提高负载系数，保证变压器的负荷率在75%~80%，使变压器运行在最高效率点。尤其是在水利水电工程中，升压变压器易出现满负荷或超负荷运行，合理选择变压器的容量与变比，确保发电机始终在额定参数下运行，减少能源损耗。变压器是电气工程的主要耗能设备，其能源损耗占发电量的1/10，选择节能型变压器，是电气节能设计的基础。按照变压器的制造标准，空载损耗负载损耗低选择变压器容量时，负载率一般控制在65%~85%之间，使变压器运行在高效区范围，以农村水电站改造工程为例，将原本的S7系列变压器，更换为S11系列变压器，能源损耗有显著降低，二者对比结果如表1所示。观察表1可知，S11系列变压器的空载损耗、负载损耗较小。S11系列变压器的节能优势显著。（4）根据水利水电工程建筑物的布置位置及周围地质、地形条件，经过技术经济比较，10kV变电站推荐采用户内成套设备的布置方案；110kV开关站推荐采用在六氟化硫气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）的布置方案。在技术方面，户内成套设备或GIS配电装置方案的运行可靠性、使用寿命、设备检修、运行维护等多方面均优于敞开式配电装置方案；在经济方面，敞开式配电装置方案虽然电气设备投资较少，但占用土地面积较大，对林木植被、周围环境影响较大。因此，推荐采用户内成套设备或GIS配电装置方案，可减少资源浪费和增加环保效益。（5）配电设备布置根据具体情况，尽可能缩短母线和电缆长度；动力电缆采用铜芯绝缘电缆，电缆的截面按经济电流密度法计算选取，从而有效降低了线缆损耗。异步电动机采用并联电力电容器进行无功补偿，可以减少电能输送过程中无功功率造成的电能损耗，改善电能质量。可采取在终端设备处就地分散补偿，也可在母线处集中补偿，根据用电负荷变化，自动投入相应容量的电力移相电容器组进行动态补偿，补偿后将电机功率因数提高到0.9以上。同步电动机补偿是通过同步电动机的励磁调节装置将功率因数维持在0.9以上，减少电网无功输送量，减少电能损耗。长时间运行或负荷变动较大的泵组采用变频器驱动。（6）采用计算机监控系统监控变配电系统设备。计算机监控系统是将计算机技术、自动化控制技术、通信技术、故障诊断技术和管理融为一体的系统。对变配电系统的数据采集和处理，实现遥测、遥调、遥控和遥信；可以随时察看电能消耗情况，进行负荷调整，降低运行成本，提高故障的分析、预警，减少事故的发生，加快故障的排除；实现远程调度，与上一级管理部门通讯，既可高效运行，也可充分利用水能。

3可再生能源利用

3.1光伏发电系统解决部分管理设施用电。利用水利水电工程较大面积的屋顶、堤岸空地，可以用来设置太阳能光伏组件，所发电能就地消纳，余电上网。既解决水利水电工程部分管理设施的用电，也有一定的发电收益。以大型泵站为例，在主副站房屋顶布置一套多晶硅太阳能光伏电池组，模块面积1580mm×808mm×36mm，转换效率15%，最大输出功率150W，开路电压43.4V。该系统选用上述型号模块12串30并，共360只模块；并选用三相逆变器，额定电压为交流380V，可单独或并网运行，实际功率54kW，光伏阵列面积459.6m2，太阳能发电系统多年平均发电量约47600kWh。3.2控制照明系统能耗。照明系统节能设计的关键在于，保障照明系统的照度，减少光能损耗。常用的照明系统能耗控制措施为自然光的开发、绿色环保设计与高效光源的选择三项。在自然光的开发方面，可将电气工程与土建工程配合，开发利用自然光，减少照明系统的应用，实现节能减排的目标。例如，对于地下部位的施工，可通过光导光照明系统的应用，将太阳光引入导管内，发散到地下区域，用于照明。在绿色环保设计方面，全面考虑照明系统的能耗与环境污染现象，通过系统参数的调节，减少系统能耗的同时，避免灯光危害周边居民的正常生产生活。例如，对于工程施工的一般场所，可选择220V照明设备；对于存在导电灰尘的高温施工环境，照明设备电源电压需低于36V；对于潮湿用电环境，照明设备电源电压需低于24V等，保障施工的安全性。在高效光源的选择方面，遵循显色性能优异、发光效率高与寿命周期长等要求，根据水利水电工程的不同电气场所需求，选择合适的光源，实现照明系统的最大化利用，减少能源损耗。例如，针对办公室室内，可选择节能荧光灯；针对机械车间，可选择高频无极荧光灯；针对科研场所，可选择高压钠灯。同时，对于不同照明场所的特殊性，需适当调整照明光源。例如，对于显色要求较高的场所，优先选用陶瓷金卤灯；对于安装高度高、维修难度大的场所，优先选用高频无极荧光灯，实现灯具的长期可靠运行[2]。

4优化设备

置在水利水电工程中，设备优化配置包括设备选型与设备布设两方面。以水电站增容改造为例，分析电气设备选型与布设要点。（1）将以往的定子铁芯D42硅钢片材料，替换为取向硅钢片，减少铁磁损耗，提高磁感应强度；（2）选择F级环氧分云母带作为定子线圈的绝缘，从原本的B级绝缘改造为F级绝缘，强化绝缘效果，提升散热效果，提高输出功率；（3）保障器件功能不变（包括通风冷却性能、运行安全性能等）的基础上，提升转子励磁绕组的匝数或截面，减少铜线损耗；（4）改进发电机的风路系统，优化通风结构，将原本的通风损耗从额定容量的2%~5%，降低到0.4%，降低通风损耗，提高发电机的输出效率，实现增容的建设目标[3]。水轮机由原本的HL220-LJ-225（0°）更换为HL220-LJ-225（+2°），更换器件包括导叶、传动系统与转轮，提升水轮机的出力和抗气蚀性能。在电气设备布设方面，将发热量大的设备布置于通风口部位，为设备提供自然散热环境，减少机械通风的应用，降低能耗。对于变压器室等热量较多的场所，施工单位在土建工程中应用隔墙隔热措施，强化热量散发效果，减少空调系统的使用，实现节能减排的目标。

5结语

综上所述，水利水电工程电气节能设计不仅可以减少能耗，还可以优化系统性能，延长工程使用寿命。通过本文的分析可知，优化供配电方案，选用节能高效电气设备，多途径利用可再生能源，强化电气节能设计成效，提升水利水电工程的经济与社会效益。

参考文献

[1]刘宇，余昊哲.电气自动化在水利水电工程中的应用[J].南方农机，2018，49（24）：114.

[2]吴明亮.农村水电增效扩容改造中电气节能设计与应用[J].时代农机，2017，44（5）：72-73.

[3]赵兴奎.浅谈水电工程电气节能设计中存在的问题及优化措施[J].机电信息，2014（30）：125，127.

作者:费章贵 单位:安徽省水利水电勘测设计院