Study on Energy-saving Technology of Power Systems
摘要
伴随着生态环境恶化、能源危机加剧，促进产业节能、谋求持续发展已成为现代发展的主题。党中央高度重视节约型社会建设的战略背景给电力行业节能降耗技术的突破带来了新的契机。我国电力行业已经进入产业调整和结构升级的转型时期，大力推进电力系统节能降耗技术，有利于弥补我国各城市、各地域的用电缺口，从根本上解决电力资源短缺的问题。
以电力系统发电、输电、变配电和用电四大环节为切入点，系统的概括分析了常见的电力系统节能降耗技术的应用，着重的介绍了新能源分布式发电、变压器的节电降耗以及电网的无功功率优化等等节约发电成本、降低电网损耗的经典措施，并简要的扩展了一些具有广阔发展前景的节能降耗新举措、新技术，总体把握了当前电力系统在能量损耗方面的存在的具体问题和实际情况，为以后深入开展电力系统节能降耗工作提出了初步的思路。
关键词节能降耗新能源与分布式发电无功功率优化
Abstract
With the deterioration of the ecological environment and the intensifying of energy crisis, saving energy of industry and seeking sustainable way of developments have become a topic of modern world. Our government paid attention to the Conservation-oriented society long time ago, which has brought a new chance for energy-saving technology of power systems. China's power industry has entered the age of adjusting industrial structure and upgrading the transition.The study on energy-saving technology of power systems helps to make up the geographical electricity gap of different cities and different areas, solving the problem of power shortage fundamentally.
The entry point consists in the introduction of four parts of power systems named generation part, transmission part, power distribution part and consumption part, focusing on the introduction of energy saving technologies, referring to DER, energy saving transformer, and reactive power optimization, for example. Besides, we talked about a brief extension of some new energy saving initiatives and new technologies, studied the specific problems about the energy consumption of power systems. All those referred present preliminary ideas for the future power system carry out the energy saving work.
Keywords Energy saving DER Reactive Power Optimization
目录
前言 (1)
第1章关于电力系统和电力损耗 (3)
1.1电力系统的基本概念和组成 ............................................................ 错误！未定义书签。
1.2电力系统运行的基本要求 (3)
1.3电力损耗的成因以及定义 (4)
第2章电力系统各环节的节能降耗技术 (5)
2.1发电环节的节能降耗措施 (5)
2.1.1发电环节节能降耗举措的重要性 (5)
2.1.2发电环节节能降耗举措：新能源发电技术 (6)
2.1.3发电环节节能降耗举措：分布式发电与电源的最优组合 (8)
2.2输配电环节的电力损耗计算及节能降耗措施 (10)
2.2.1输电线路数学模型以及降耗措施 (10)
2.2.2变压器的节能降耗 (13)
2.3以节能降耗为目的的电网优化与负荷调整 (18)
2.3.1 电网的合理规划与优化改造 (18)
2.3.2电力系统中有功功率负荷的最优分配 (20)
2.3.3电力系统无功功率的产生和研究意义 (22)
2.3.4无功功率的调整——提高负荷的自然功率因数 (24)
2.3.5无功功率的人工补偿 (25)
结束语 (28)
谢辞 (29)
参考文献 (30)
前言
自法拉第在1831年发现电磁感应定律以来，电力技术已得到飞速的发展。在电磁感应定律基础上，人们发明了原始的交直流电机；并且不断对其进行完善。在1882年，法国人M·德波列次首次尝试研究出了电力系统雏形。德波列次创造的这个输电系统虽然规模很小，但却具备了电力系统应有的几大重要环节，即发电、输电、变配电及用电环节。
近代电力系统，相对于100多年前的电力系统雏形相比，已经得到了质的飞越和发展。近代电力系统采用三相交流输电，对电能的输送能力有很大的提高，线路电压等级逐渐提高，承担的负荷也越来越多。电力系统的发展能够提高人们的生活质量，与自身与时俱进、不断创新的要求密切相关。尤其是在当今的时代背景下，与资源短缺、生态恶化等全球性问题相适应，电力系统对于自身节能降耗的要求也日益值得重视和研究。
电力技术问世以来，在短短的上百年的时间内已经获得了飞速的发展。电力应用的的巨大前景和其简单便捷的控制手段使其在被投入生产生活的使用之后飞速发展起来，电力能源作为清洁能源到现在为止还在表现着巨大的生命力和深邃的发展前景。电力的使用还催生了多种学科分支的出现，譬如研究发电部分的电机学科，研究电力系统调配环节的电力系统分析和潮流计算，研究反应电力系统故障状态和不正常工作状态下的电力系统继电保护学科等。电力系统技术日趋成熟的同时，也体现出了推陈出新、与时俱进的时代要求。其中，电力系统节能降耗技术的应用和发展，在地球资源日益枯竭、可持续发展成为当今发展主题的时代背景下，已成为备受世界关注的研究课题。
众所周知，电力系统作为当代社会应用最广泛的二次能源，其清洁性和便利性深受人们的喜爱和欢迎。但是随着资源短缺、全球变暖等环境问题越来越严重，电力系统，尤其是依靠火力发电的电力系统，必须努力改进技术、加快推进节能降耗，从而提高资源利用率、实现电力行业的可持续发展。
我国的煤炭储量居全世界第三位，丰富的煤矿资源使火力发电技术得到广泛的应用和推广。这种能源结构导致我国电力产业对煤炭等非可再生能源具有严重的依赖性。据相关部门调查，目前我国高达80%的发电厂仍旧单一依靠火力发电；在资源严重短缺的今天，我国电力行业进行资源结构调整、采用新能源发电的进程已经刻不容缓。由于缺煤情况日益严峻，我国电力缺口十分严重，数据统计今年全国有11个省由于电力缺口过大而不得不采取拉闸限电措施，而电力系统节能降耗技术的应用和推广是减小我国电力缺口、提高用电效率的最有效措施，节能降耗的重要性和实用性理应得到电力部门研究人员更多的关注和重视。
重视电力系统节能降耗技术，不仅是当前中国社会长久可持续发展的客观要求，也是构建资源节约型、环境友好型的和谐社会的主观需要，更是我国实现长治久安、文明生态等大政方针坚定拥趸。国家“十一五规划”明确指出要优化发展能源工业、实现各种能源工业的节能减排；而最近的“十二五规划”更是直接将“科学发展”作为社会发展的主题，对建设绿色低耗型产业做出更加细致的规划与要求。由此可见，电力系统节能降耗技术，
完全可以为今后我国能源方面节能降耗的探索积累宝贵的实践经验，完全可以为我国能源优化调整和建设事业构出基本的蓝图，届时已经完成资源优化调整、达到节能降耗要求的电力系统必定会成为我国可持续发展之路的先行者和开拓者，必定能够领跑整个中国能源优化市场。这样看来，电力系统实施节能降耗技术的战略意义十分重大。
目前人们对电力系统节能降耗技术已经有了比较详尽的研究，有不少实践性强、具有可操作性的节能降耗措施已被投入实际的生产生活中。其中有些电力系统节能降耗的技术已经发展成熟并日渐成为一门系统的学科。在总结前人经验的基础上，通过系统论证、资料调研以及实地考察，大胆提出自己的对于电力系统节能降耗技术的见解和应用措施，意在通过温故纳新、吐故推陈，为电力系统节能降耗技术的发展贡献一份绵薄之力。
第1章关于电力系统和电力损耗
1.1电力系统的基本概念和组成
近代电力系统的广义定义：广义的电力系统应该是由锅炉、反应堆、汽轮机、水轮机、发电机等生产电能的设备，变压器、电力线路等变换、输送、分配电能的设备，电动机、电热电炉、电灯等消耗电能的设备，以及测量、保护、控制装置乃至能量管理系统组成的统一整体。[1] 通俗来讲，狭义电力系统是指由发电机、变压器、电力线路、各种用电设备四大相关部分构成，这四大部分也可以称作发电、变配电、输电、用电四大环节。
发电机是电力系统最重要的组成部分，是电力系统有功功率的唯一来源，也是电力线路传输的无功功率的重要来源之一。重视发电环节的节能和降耗措施，发挥发电机的最大运行效益，是进行电力系统节能降耗的必要举措。
1.2电力系统运行的基本要求
电能的生产特点、输送特点、消费特点决定了电能商品的特殊性，因此电力系统的运行有如下基本要求：可靠、优质和经济。
所谓可靠，是指能够保证可靠地持续供电。停电能够对居民生活、工业生产造成巨大影响，严重威胁正常的生产生活秩序，有时甚至会造成无法估量的生命和财产损失。对电力系统而言，电力中断对社会各行各业带来的危害明显多于其对自身的危害。因此，能不能可靠而又持续的向各级用电设备提供电力，是衡量电力系统能否完全投入使用的最基本要求。[1]
所谓优质，是指能够保证良好的电能质量。电能质量涉及到电压、频率和波形等几个方面。我国电力工业部门规定，正常电力系统的电压偏移不得超过额定值的±5%，频率偏移不得超过±0.2Hz至0.5Hz等。波形质量则以波形的畸变率来衡量。波形畸变率反应了谐波有效值和基波有效值之间的比较关系。波形畸变率不可超过给定值。
所谓经济，是指能够保证系统运行的经济性。经济性是电力系统节能降耗技术所要考虑的重要因素。减少电能在发电、输电、变配电等几大环节中的损失，是保证电力系统经济运行重点考虑的实现途径。反应电力系统运行经济性的决定性参数有两个，分别是煤耗率（比耗量）和线损率（网损率）。所谓煤耗率，是指每生产1千瓦时电能所消耗的标准煤重，而标准煤是指含热量为29.31MJ/kg的煤；所谓线损率或网损率，是指电力网络中损耗的电能与向电力网络供应电能的百分比。[1]
1.3电力损耗的成因以及定义
电力能源在输送过程中产生的可变损耗、不变（固定）损耗以及其他损耗构成了现代电力网络中的电力损耗，电网中的电力损耗主要是指有功功率损耗。由于组成电力网络的各个环节、各种电气设备或多或少都存在一定的电阻，电能在现代电网中要经过各级变压器以及不同的输电网络和输电线路才能运输到用电设备环节中，在电能以电流的形式流经各电阻时，就会产生功率损耗，导致电阻发热；除此以外，由于励磁电动势的激励作用，变压器的铁芯中也会产生电磁场转化而生成的涡流和磁滞损耗，毫无疑问它们也是有功功率损耗的一种。因此，电能损耗在电力系统中随处可见。电网中的电能损耗不仅会导致用电设备发热，还会占用一部分发电和供电设备容量。[2]
线损率是指在电力线路上损失的有功功率占电源提供功率的比值。线损率指标与电力生产质量、电网规划水平具有代表性的关系。线损就是电力能源在发电机发出一直到各级用电设备接入的过程中，沿线各电压等级线路、各变配电设备上由于电压降落或者电阻损耗造成的损失。相关部门调研统计：贯通于发输配用各个环节中的电力能量损耗的比例占发电总量的三成以上，消耗的数值几近十省年均用电量之和。这说明电力系统自身电能损耗是相当大的，要真正达到降损节能必须从电力系统本身出发，为保证国民经济高速稳定发展，要寻求一条不用物资投资或少量投资，依靠高新技术就能节电的途径具有重大意义，只有技术降损才能提高经济效益。[3]
第2章电力系统各环节的节能降耗技术
2.1发电环节的节能降耗措施
2.1.1 发电环节节能降耗举措的重要性
发电环节是电力系统中最重要和最基础的环节，发电厂是我国重要的电能生产基地，是我国现代化建设中不可缺少的能源力量。我国的大部分发电厂是以煤炭等一次能源为主的火力发电厂，在给人们日常生活提供了便利的同时，火力电厂“三废”等污染物的排放、能源的巨大消耗也逐渐成为我国可持续发展道路上的阻碍，同时也给我国现代电力系统带来了严重的经济能源问题。因此，发电环节尤其是火电厂节能降耗技术措施的应用，实现环保节能和降耗的目标，能够从各个方面促进电力企业的整体效益的增长，为电力企业创造出更多的财富，对我国经济的健康持久发展有着重要的现实意义。
发电环节的节能降耗举措有利于降低一次化石能源等不可再生能源的投资成本。当前我国资源短缺的局面还没有得到根本改善，人与自然环境的关系依旧严峻。随着煤炭、石油、天然气等一次能源开采量的加大，其储量降低会成为必然趋势。一次能源的储量减少会导致价格上涨甚至供不应求，单纯依靠非可再生资源进行发电的火电厂，投资成本也必然会随之增加。因此，发电厂部分节能降耗措施，有利于发电行业的转型和长足发展。
发电环节的节能降耗举措有利于保护自然环境，提高人们的生活质量。随着责任意识的增强和环保观念的提高，污染防治与生态保护事宜已逐步被人们提上日程。近年来，我国逐渐恶化的空气质量以及日益加剧的灰霾现象已严重影响了人们的日常生活。而火电行业造成工业“三废”大量排放，“三废”中包含的粉尘和二氧化硫等，是造成雾霾现象的罪魁祸首。发电厂尤其是火电厂应用节能降耗措施可减轻大气的进一步污染，改善人们的生活。
发电环节的节能降耗措施的研究有利于形成核心技术，为企业创新能力的提高做出贡献。节能降耗技术本质是技术革命和科技革新，发电环节节能降耗技术的研究以及实际应用，能够提高我国的科技水平，其革命性技术的突破是创新进步重要表现。在当前国际环境下，在保证我国电力能源安全性的背景下，发电环节节能降耗技术具有重大战略意义。
总之，发电环节节能降耗措施的开展，与我国的现代化工业建设息息相关，与人们的日常生活息息相关，与我国实现经济又好又快以及长期可持续发展的战略布局息息相关，具有深远意义。
2.1.2 发电环节节能降耗举措：新能源发电技术
新能源和可再生能源发电在现代社会具有深远的现实意义。结合我国当前资源节约型、环境友好型的经济发展目标，从未来的出发点来看，重点扶持新能源和可再生能源行业，能够慢慢改变发展中国家以煤炭等不可再生资源为主的资源利用布局，特别是能够改善电能的供给结构，使日常生活中普遍使用的基本能源得到进一步充分、高效的利用，从根本上解决和改变与矿产开发使用相关的环境污染问题，使我国国内生产总值与生态条资源件的发展互为统一，早日实现经济的又好又快发展。从当前的出发点来看，开辟新能源和可再生能源的使用新渠道，即通过各种新型科技途径将它们转换为已被人们普遍熟知和利用的二次电力能源，不仅能够从源头改进我国的动力供给状况，而且还能使我国广大山区、戈壁沙漠等比较恶劣的自然环境下人类聚居区的电力调配和供给局面得到最大改变。[4]
从世界的角度看来，不论是出于“满足当代人需求，又不损害子孙后代，满足其需求能力的发展”的目标考虑，还是为了保障世界上一部分缺电缺能的弱势人群享有生存的基本权利，将可再生的新型能源向电力能源进行转化，拥有着不可替代的影响力。作为会产生严重污染的化石能源的替补，新型能源和可再生能源是未来人类社会动力资源的奠基者。随着地球人口基数的不断增加，资源与人类的相对关系也会变得越来越紧张。具有清洁性和高效性特征的新型可再生能源，无疑会成为未来社会人类与生态环境之间的矛盾缓冲剂，无疑会成为经济进步与生态和谐统一进程的中间协调者，同时又会彻底解决少数化石资源短缺地区面临的发展难题。[5]
当前我国能够使用的新型清洁可再生能源主要有风能、水能以及太阳能，因此也衍生出与这几种清洁可再生能源相关的发电行业。其中，由于我国风能和水能资源含量在世界占有较大优势，因此，风力发电和水力发电变成了发电环节节能降耗的实用新举措。
我国风力资源含量丰富，风力发电行业有着广阔的发展前景。我国特殊的地理位置和地理环境决定了可利用的风力资源储量居于世界第一。我国处于亚欧大陆东部，毗邻太平洋和印度洋，且大陆主版块横亘北回归线，受亚热带季风气流影响显著；从西伯利亚高原以及蒙古内陆吹来的冬季风也构成我国风力资源的主要部分。此外，我国的海岸线延伸距离长、大陆架地理特点突出，洋流季风及热带海洋风暴对我国大陆也有一部分影响。经初步探测，我国低空风力能源大约为10亿千瓦，集中分布在新疆、甘肃、宁夏和内蒙古地区。
我国的水资源含量也毫不逊色，已具有大规模开发使用水力发电技术的基本资源条件。水力发电效益可观。据统计，我国水电售电利润占总体利润的一半以上，属于低成本、高收益的新型科技产业。水力发电必须修建水库，而修建水电站而兴修的水库等水利工程，又具有防洪、抗旱、蓄水等辅助生态效益，能够促进城乡一体化发展和农副产业多元化发展，可谓一举多得。发展水力发电技术，不仅是环境资源综合高效利用的基本要求，也是生态经济健康发展的客观需要。
太阳能发电技术虽说在我国还处于刚刚起步、技术研究的的阶段，具体应用条件可能还不太成熟，但其高效性、清洁性、便利性已备受科学家们的青睐。热力发电和太阳能光伏发电是最具代表性的两种太阳能发电技术，当前已投入实际应用阶段。
目前全球对太阳能热力发电的开发工作有两个途径，一个是位于美国和日本的专门开发的高压高温太阳能热发电站，以拥有商业竞争力的价格供给电力为目的。作为未来解决能源短缺的一个办法，这些国家都建有太阳能光热发电试验设备，以及已经投入运行并成为实验研究的基成千上万的数千千瓦的太阳能热发电装置。据美联社报道，1978年年底，位于加利福尼亚州巴斯托的一万千瓦太阳能热电站已经开始动工，预计于1981年投产。另一种由欧盟（多数为欧洲西部国家）为代表，专注于小功率太阳能热电站的生产。对西欧国家来讲，小功率的太阳能热电装置的一个研究目的是开发利用新型能源，另一个目的是也可以用于技术出口，例如德意志人供给印第安人的一组10千瓦太阳能热电站。中华人民共和国对太阳能热发电技术的研究工作也逐步升上台阶，天津大学、机械工程学院已经建立了两个热力基站，中国国家电工所也对太阳能热发电进行了广泛的理论研究。[6] 太阳能光伏发电主要设备是光伏电池（即太阳能电池，能够完成太阳能到电能的转化过程，并且储存到蓄电池中）。光伏电池制造成本较高，目前还未投入到大规模的生产生活应用中去。但是，微型光伏电池的研究和实际应用已经日趋成熟，并逐渐深入到人们日常生产生活的各个方面。如太阳能驱动的通讯工具以及交通工具等，已经被广大人民群众所熟知、所应用。太阳能是地球上分布最为广泛的可再生能源，取之不尽、用之不竭，受地势、海拔等地理因素的影响甚为微小。考虑到太阳能作为清洁能源的巨大效益，光伏发电产业在未来必会有一席之地。
2.1.3 发电环节节能降耗举措：分布式发电与电源的最优组合
除了采用风力、水力、太阳能等新能源发电之外，对发电环节进行优化调度以及采用分布式发电技术也是发电环节节能降耗的有效措施。
优化调度模式，即以节能、经济、环保为主要原则，对发电机组的发电次序和发电时间进行最佳的优化组合。国家发展和改革委员会计划报告明确提出，电力系统发电行业要首先考虑到环保和节能的要求，优先考虑经济能源发电调度。加大电力行业的转型发展力度，实现电力系统最佳优化与合理调度，是实现电力系统节能降耗举措的客观要求。
目前，以大型发电机组、大规模输电网络和高电压输电为特点的单一复杂供电系统已构成电力系统发展的一种主要模式。但是，随着社会工业的发展，电网传输距离的扩大，大规模的复杂单一型供电网络已经难以满足当代社会对于电力能源安全性、可靠性以及经济环保的要求。超大规模电力系统投入成本高，运行模式复杂难以调节，污染日益加重，这些缺点的日渐凸显，致使分布式发电技术作为满足人们开发和利用新能源和经济高效性要求的新技术慢慢兴起。直接安装在用户近旁的分布式发电，弥补了大规模发电系统的缺点，完善了大规模发电系统的功能，受到世界各国的广泛重视。目前，大电网与分布式电源相结合能够节省投资、降低能耗、提高电力系统可靠性和灵活性，已成为世界上许多能源和电力专家的公认和共识。[7]
在资源含量十分紧张、工业破坏非常严重、生态平衡受到极大挑战的今天，对分布式能源系统的分研究也越来越提上日程，分布式能源系统的应用条件也原来越成熟。《DER 效益分析研究最终报告》对分布式能源系统作了深刻的探讨，并总结了分布式能源系统的特点和评价标准的31份研究报告，世界公认这些研究报告的真实性和有效性已达到领先水平。实现能源的梯级利用，使用效率高，节能效果好，已成为中国分布式能源系统的主要特点。传统的集中式能源供应是相对简单的，当用户不只需要电力，还需要其他形式的能量的供给，例如需要加热和冷却家用热水时，只通过简单的电力级联是很难获得较大的利用率来满足这些需求的。小规模分布式能源系统，其灵活性和强大的功能，实现了能源的综合梯级利用。大型发电厂的发电效率一般是55%到35%，去掉厂用电和线损率之后，最终的使用效率只能达到30%至47%；分布式能源系统和能源效率可以达到80% ，在输电线路上没有功率的损耗。[8]
有功功率电源的最优组合指的是电力系统发电机组的优化组合，包括发电厂承担负荷任务的分配、发电机组开机停机时间的配合、不同容量的发电机发电顺序的配合等有关发电厂发电规划的问题。对于不同类型的发电厂，在负荷曲线图中所处的位置、所承担的调节责任也不相同。火力发电厂承担的负荷应该保持稳定和不变，因为这样可以保证火力发电厂发电机组避免频繁开停。高温高压火电厂应承担大部分负荷，保证首先投入运行，并且应位于负荷曲线底层；其次，中温中压火电厂投入运行；而高耗能、低温低压火电厂已经处于被淘汰的边缘，只应在负荷顶峰时投入使用。无调节功率的水电厂也应率先投入使用，有调节功率的水电厂可以灵活投入电网；抽水蓄能电厂在低谷时需要作为负荷考虑，
而在高峰期时作为电源投入使用。承担不同负荷任务的各种类型的发电厂在负荷曲线图中位置的分布差异，能够实现有功功率电源的最优组合；各发电机组灵活的开停，也为节能降耗的实现提供了有利条件。
2.2 输配电环节的电力损耗计算及节能降耗措施
2.2.1输电线路数学模型以及降耗措施
输电线路主要分为两类，即架空线路和电缆线路。其中，以架空线路最为典型和常见。鉴于电缆线路造价昂贵、线路损耗低、实际应用少，架空线路的线路损耗计算以及节能降耗的措施是主要研究方面。
架空线路上的主要参数是架空线路的电阻参数R 、架空线路的电感参数L 、架空线路的电抗参数X 以及电导参数G 。其中，架空线路的电阻表征线路在输电过程中的有功功率损耗，即构成线损的主要部分；架空线路的电感表征输电线路的磁场效应，架空线路上的电感导致线路漏电抗压降的形成；电导则表征了输电线路由于电晕放电和绝缘子串泄露导致的有功功率损耗，在天气状况不是极端恶劣的情况下电路电导记为0。电纳表征输电线路的电场效应，一般默认为输电线路之间或与大地之间的电容参数。
在电力行业，只要不涉及复杂的计算机算法，中等长度架空线路的数学等效模型一般为“∏”型等效电路。架空线路等效模型如图2.1所示。
图2.1 架空线路等效模型
在图2.1中，Z=(r+jx)·l ,是输电线路上的阻抗参数。Y 是输电线路上的导纳参数。输电线路上的有功功率损耗主要是指线路的铜耗，与架空线路的电阻大小有关。由r=ρ·l/s 得架空线路的线损与线路的材料、长度和横截面积大小有关。因此，输电线路节能降耗措施可以从这几个因素入手进行考虑。
导线的常用金属材料有铜、铝、铝合金等。铜金属电导率ρ比较小，因此导电性能好，此外铜还有良好的机械强度，是比较理想的导电材料。但是，由于铜金属价格昂贵，从经济性的角度出发，实际工程上铜材料导线应用较少。铝的导电性能仅次于铜，铝合金的导电性能更加优越，并且造价低廉，因此，铝已取代铜，成为了输电线路的常用金属材料。
总之，导线材料的选取应参照如下基本条件：导线材料应同时保证输电线路的电气优越性和经济优越性，即保证输电线路能够高效并且经济的输送电能。导线截面的选择一般先按经济电流密度来确认导线截面，再按允许电压损失、发热、电晕等条件验算；大跨越的导线截面应按导线允许载流量选择，并通过技术分析比较确定。[9]
同一材料的导线，长度越大、横截面积越小，其电阻的数值就越大，输送相同功率的电力其损耗就越多。因此，在保证线路长度一定的情况下，应尽可能的增大线路的有效输Z
Y/2
Y/2
电面积。所以，不论从机械强度的角度还是从电力损耗的角度出发，多股导线的性能往往都优于单股导线。往往将铝导线和钢材料混在一起构成多股导线，以期增大横截面积，使之成为损耗低、性能好、机械性强的钢芯铝绞线。常用的钢芯铝绞线有LGJ 型（普通钢芯铝线）、LGJJ 型（加强型钢芯铝线）和LJGQ 型（轻型钢芯铝线）几种类型，实际工程中可以考虑当地施工条件以及其他因素进行考虑和选择。
除有功功率损耗外，输电线路上的无功功率损耗也必须考虑在内。输电线路上的无功功率损耗主要是是指由于架空线路的电场以及磁场效应造成的电晕损耗和容性无功功率损耗。可以改变输电线路周围的电磁场可以降低无功功率损耗。对于电压等级在220kV 以上的架空线路，可以通过增大导线直径来降低输电线路上的电晕损耗和电抗，但就实际的导线载流量而言，又不必采用很大的横截面积的导线。因此，采用扩径导线不失为降低电抗和电晕损耗的好办法。所谓扩径导线，是指人为的扩大导线的直径，但却又不改变导线的载流部分面积。扩径导线技术的应用现在已达到成熟阶段，是一种比较广泛的节能降耗技术。
分裂导线又称为复导线，通过将一根导线分为2根、4根或8根，有效改变了导线周围的磁场分布，从而减小了导线的电抗。每相都有n 根的分裂导线的单位电抗计算公式为:
x 1=0.1445lg n
r eq 0157.0Dm + （2.1） r eq =n n m n rd d d d r )1(n 11312)(-= （2.2）
Dm 是指分裂导线的几何均距，r 为每根导线的半径，r eq 为导线的等值半径，d 12d 13……为某根导体距离其余n-1根导体的距离，d m 为各导体间的几何均距。分裂数n 和几何均距D m 与导体电抗参数的关系如图2.2所示。
图2.2 分裂导线的电抗
（a ）与分裂根数n 的关系；（b ）与各根导体之间几何均距dm 之间的关系
因此，分裂导线可以有效地减少每段线路的电抗参数，从而达到节能降耗的目的。
高压直流输电技术的发展也为输电线路减少线损率、节能降耗提供了新举措。高压直流输电系统由整流站CS 1、逆变站CS 2以及直流线路三部分构成，其基本原理如图2.3所示。
0.20 0.25
0.30
0.35
0.40
0.45
0 1 2 3 4 5
6 (a) 0 20 40 60 80 100 0．24 0．26 0．28 0．30 0．32 0．34 (b)
设直流线路电流为I d ，则：
R
V V d d 21d I -= R I V V d d d =-21 （2.3） 直流输电线路较交流输电线路而言，输送相同功率时工程造价小、运行成本低，并且线路的有功功功率损耗小；由于直流电没有电容和电感消耗，无功功率损耗小；直流输电线路具有一种“空间电荷”效应，电晕损耗比架空输电线路要小很多，很好的满足了节能降耗的技术要求。 直流线路
直流线路
V d1 V d2 CS 1
CS 2
图2.3 简单直流输电系统原理图
2.2.2 变压器的节能降耗
配电环节是电力系统中不可缺少的重要环节，变压器也是构成电力系统的必备电器之一，对升降压变压器进行节能降耗技术的研究，对整个电力系统的节能减损有着举足轻重的作用。变压器的主要电力参数与输电线路相似，即都是由阻抗参数以及导纳参数构成，因此，研究变压器的节能降耗技术也可以从类似的方向入手。
双绕组变压器的等值电路模型如图2.4所示：
R T jX T
G T-jB T
图2.4双绕组变压器的等值电路
由图中分析可得，变压器支路电阻R T的作用是表征变压器铜耗，即由于导体线路具有电阻而产生的有功功率损耗；X T形成了漏电抗压降，表示变压器的漏磁电抗。导纳支路中的电导和电纳产生变压器的铁损，即涡流损耗、磁滞损耗。
因此，总体说来，变压器中的损耗可以分为两大类，即与负载电流有关的可变损耗，包括负载的基本电阻损耗（铜损）以及由于换位不完全引起的循环电流导致的附加损耗和漏磁通引起的杂散损耗；还有就是与流过的负载电流无关的铁损，包括涡流损耗以及磁滞损耗。
变压器的节能降耗技术应用灵活，可以根据具体情况实施具体的降耗措施。当不考虑改变变压器的参数结构时，变压器降低损耗的简单措施有以下几种：一是停止运行轻载或空载变压器进行节能。在合适的变压器参数以及负载条件下，当有数台变压器轻负荷运行时，可以通过停运将负荷集中在一个变压器上使其满载运行，以达到节能效果。但是需要通过计算防止相反的后果。二是可以进行变压器的调换和暂时代替。若使用场合有备用变压器，那么小容量变压器满载运行和大容量变压器轻载运行相比较，有时候大容量变压器轻载运行时的损耗较小、较为节能。三是梯度调整使用变压器，错开高峰期。例如，工厂或者其他用电场所若是夜间或节假日停工，可以将不能停电的负荷转移到日间专用变压器，夜间变压器停止工作以节约电力、减少能耗。四是可以控制变压器参与运行的台数。当多台变压器并列运行时，可以通过增减相同容量的变压器参与数来减少电力损失。
变压器的负载损耗是指变压器一端短路的情况下测得绕组上的损耗。负载损耗包括绕组电阻损耗、引线损耗、附加损耗和杂散损耗[10]。调节负载损耗越小，变压器的节能降耗
的效果也就越为显著。减小绕组上的基本电阻损耗最简单直接的办法是减少流过绕组导线上的电流密度，但是，电流密度偏低也会导致变压器绕组温升降低，反而会影响其运行的经济性。所以，减少变压器的附加损耗等才具有现实的意义。变压器的节能降耗举措主要是围绕减少附加损耗、引线损耗以及杂散损耗来进行的。
减少变压器附加损耗等损耗的简单方法与很多，例如变压器绕组采用多根导线进行并联的方式，从而减小垂直于漏磁场的单根裸导线的厚度，降低变压器绕组线圈上的涡流以减少变压器的附加损耗；采用换位导线使单根导线所处的技术环境相同，使纵向或横向漏磁通产生的导线涡流损耗降低，减少导线中的循环电流进而减少大型变压器的附加损耗；杂散损耗大的变压器可以采用低导磁甚至不导磁的结构部分组件，或者对油箱实行磁屏蔽来减少杂散损耗。如果变压器二次侧开路时的损耗（即空载损耗）比二次侧短路时的损耗要小很多时，可以采用较粗的铁芯，通过增加铁芯半径的方式减少缠绕在变压器绕组上的线圈匝数，最终减少变压器的负载损耗，达到节能降耗的目的。
减少变压器的杂散损耗也可以有效地实现变压器的节能降耗目标。杂散损耗是绕组的漏电抗产生漏磁通通过变压器的钢结构件（螺栓、螺母、油箱壁等）产生的涡流损耗。变压器的漏磁通越大，杂散损耗就相对越大，因此设法降低大型变压器杂散损耗具有积极意义和实际需要。
为了使变压器杂散损耗降低到理想水平，漏磁通能够通过的钢构件材料往往会被替换成非磁材料，如中小型变压器用木夹代替钢夹，低磁钢被用于制造大型变压器的夹具和绕组板，甚至用下拉层压或木质层压绝缘绕组制造变压器材料板块。用上述方法生产的结构构件，都能够显著降低变压器的杂散损耗,但是，这种方法也将增加漏磁的横向分量，额外的绕组损失会因此增加，特别是绕组的端部会产生局部过热，最终结果是有益还是有害还难以确定，需要结合实际情况进行分析。如果在夹子上附着一个磁分路的硅钢片，那么漏磁通的分布状况也会因此改善，磁力线被吸引进入铁芯；或使用磁屏蔽硅钢片卷制绕板的靠近侧，或者用环氧树脂浇注。这些方法不仅会降低这些结构的杂散损失，同时也能减少横向的漏磁通分量，从而也相应地减少了绕组的导线中的附加损耗；用这种磁屏蔽措施通常可以减少约40%的总杂散损失。[11]
采用屏蔽措施的最常见的方式有电屏蔽方式和磁屏蔽方式两种。电屏蔽方式是在变压器油箱中铺设铜板，有时候也有可能是铝板。当变压器漏电抗上产生的漏磁通穿过铺设铜板或铝板的油箱壁时，由于铜和铝电导率高的特性，铜板或者铝板中会出现涡流，涡流产生与漏磁相反的磁场，表现出去磁效应，使漏磁减少，从而达到了屏蔽作用。磁屏蔽方式对漏磁通的屏蔽有更为显著的作用。在油箱的内壁上加铺硅钢片，因为硅钢片的导磁性能强，大部分漏磁通通过硅钢片而不再穿过油箱内壁，这样就达到屏蔽的效果，这种方法就叫做磁屏蔽。但磁屏蔽方式一般适用于大容量的高压变压器，因考虑漏磁通横分量和绕组温升的影响而有所限制。
除上述技术性的变压器节能降耗举措外，对变压器进行优化运行组合、并列经济运行也可以实现配电环节的用电经济性、耗能节约性目标。变压器的并列经济运行在现当代的应用较为广泛，已经发展成为一项基本成熟的技术。变压器的并列运行是指将几台变压器
一、二次绕组分别并联在公共母线上，再连接电源和负荷，各变压器在一定的负载容量下运行，共同担负电网负荷。[12]
变压器的并列运行，可以将本来大型变压器所承担的负荷容量分配给几个中小型变压器，减少了变压器的投资和运行成本，提高了系统的经济性；电网的容量非常之巨大，若只由一个电力变压器负载和承担的话，那么这样的变压器其容量、体积也会有更高的要求，运行维护以及能耗情况也不容小视；变压器的并列运行也很好的符合了电能质量的优质性要求，当其中的某一台变压器需要停运检修或出现故障时，可以将备用变压器迅速投入使用以完成变压器的替换，保证了持续可靠的供电；变压器的并列运行还对负荷的变化具有适应性，可以根据负载的实际情况改变投入运行的变压器并联数，减少变压器的空载损耗，节约运行成本，减少电力损耗；并且变压器的并联运行还可以调节电网容量裕度，可以根据负荷年变化曲线规律进行适当的调整，减少一次性的资金投入，降低运行成本。
但是，要保证变压器并联运行满足高效率、低能耗、安全可靠的要求，还要遵循一定的原则。变压器并列运行的最佳状态是，空载时并联的各变压器的二次侧绕组之间没有压降存在，即没有循环流动的电流；正常运行时，变压器的电流应与其负载成比例分配；各变压器二次侧电流没有相位差。因此，变压器的并列运行必须满足以下条件：
第一，并联运行的变压器联结组别必须相同。若并联的变压器绕组联结号不同，则在投入运行时变压器二次侧闭合回路之间会出现电压差和较大环流I y ，环流的计算公式为：
Kn
21Z I +++?= K K y Z Z U （2.4） 其中ΔU 为变压器二次侧同极性的电压降，Z K1, Z K2,…… Z Kn 为已折合到变压器二次侧的短路阻抗。这样，变压器的并列运行不仅没有达到节能降耗的目的，反而大大增加了能量○ ○ ○ ●
● ● ●
负载 电网
负载
L 1 L 2 L 3
U Ｖ Ｗ U 1
U 2 u 1
u 2
电网 （a ）单相变压器并联运行 （b ）三相变压器并联运行
图2.5 变压器并联运行示意图
损耗，甚至可能会烧毁设备，引起更大的损失。因此，为保证用电安全性和经济性，并列运行的变压器必须要满足联结号相同。
第二，并联运行的变压器一二次绕组的额定的电压应相同。具体原因和第一条相似，也是为了防止环流过大导致设备过热损坏。但是实际使用过程中可以允许绕组的电压比有不超过5%的误差，保证在许可范围内。
第三，并联运行的变压器短路电压、短路阻抗应平等参与。这主要是从经济角度考虑的。负荷分配的电压和短路阻抗变压器并联运行成反比，所以我们的国家标准规定变压器短路阻抗的比例不超过10%。
使用节能变压器也是实现配电环节节能降耗的有效方法之一。节能变压器是对变压器进行结构改造或者参数变换，以得到节约能源、降低损耗的效果。现有节能变压器主要分为两类，一是调容量变压器，适合具有季节灌溉性的广大农村地区使用；二是低损调容变压器，在工业城市等具有长期稳定性负荷的区域应用比较广泛。
调容变压器改变了原有变压器的绕组接线方式，在绕组高压侧多设了几个调节抽头，可以随时调节变压器的容量。调容变压器最大档的容量与线路所承担的最大负荷量相适应，在数值上调节后的变压器容量与原变压器容量相等。具体操作措施是使结线变换前后变压器的每相绕组接线要么为一只，要么为两组，分为两组的话，每一组导线的输电有效面积（横截面积）为原来普通变压器截面的二分之一。
改变绕组接线形式得到的调容量变压器有以下几种形式：
一，串并联调容型。串并联调容变压器是将一次侧或者二次侧绕组导线串联或者并联相接，并且两侧绕组的接线方式均为星型联接。串并联调容变压器的工作原理是将一次侧和二次侧绕组分别分为两个部分，每一部分和与原来相比匝数保持不变，但是导线的横截面积减为原来的50%，由调容档开关根据具体的负载情况实现变压器实时容量调整。
二，Y-Δ调容型。Y-Δ调容型变压器每相一次侧绕组只有一个，当系统负担容量较小时调节为Y型联接，系统负担容量较大时调节为Δ型联接。与此同时，Y-Δ调容型变压器的二次侧绕组组成方式较为复杂，它是由三部分组成的：I段由约27%匝数的绕组线圈构成，II段和III段构成剩下约73%的线圈，但导线输电面积是I段的一半。当系统负担容量较小时，二次侧I、II、III段全部串联联接，系统负担容量较大时II、III段绕组先行并联后再与I段绕组串联，保证变压器一次侧和二次侧的电压变比不发生变化。
三，Z-Δ调容型。Z型联接是指将电力变压器的每相铁芯均分为上下两个部分，绕组接成曲折形。Z-Δ调容型变压器接法变换前后可保证电压比不变，并且在节能降耗的同时有较好的防雷击效果。
除以上三种调容型变压器之外，几种连接方式灵活组合还可以构成其他调容型变压器，多档调容开关的应用还能构成多档调容变压器。
低损耗调容量变压器与普通调容变压器相比又有其独特的优势。低损耗调容变压器将调容技术与材料生产工艺相结合，采用低耗材料，在改变原边和副边绕组线圈联接方式的基础上进一步进行工艺的减损，以期达到更好的节能降耗的效果。
总之，使用节能变压器节电效果显著，是电力系统配电环节实现节能降耗的有效途径
之一。使用节能变压器，相对较小的资金投入就能达到令人满意的节电效果，节约空间大，能够卓有成效地弥补电力能源日益扩大的供需缺口；可以减少一次性发电投入，降低运行的经济成本，创造附加产值；利用新的生产工艺优化变压器设备，使变压器规模得到有效优化，可以节约占地、减少能耗。因此，新型节电变压器的推广使用是保持电力行业持续长期发展的必由途径。