2025年注冊電氣工程師考試試卷電氣系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計專項訓(xùn)練考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、根據(jù)《中華人民共和國節(jié)約能源法》和GB50155-2012《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)要求，簡述在供配電系統(tǒng)設(shè)計中，進行節(jié)能設(shè)計的主要依據(jù)和基本原則。二、某工廠變電所內(nèi)有一臺S9-1250/10型變壓器（連接組別YNyn0d11，空載損耗P0=1.1kW，短路損耗PdN=11.5kW），供電給全廠負荷。已知該變壓器日平均負荷系數(shù)為0.6，年運行時間為7200小時。試計算該變壓器年損耗電能（kWh）及占全廠總用電量的百分比值（假設(shè)全廠年用電量為5000萬kWh，變壓器本身損耗不考慮功率因數(shù)影響）。若將變壓器改為一臺更高效的S11-1250/10型變壓器，其空載損耗P0'為0.8kW，短路損耗PdN'為10.5kW，問每年可節(jié)約電能多少千瓦時？（不考慮空載運行時間對節(jié)能的影響）三、在照明節(jié)能設(shè)計中，某辦公室采用LED普通照明燈具替代原有熒光燈（40W管徑型），共替換60套。LED燈具額定功率為18W，光效為100lm/W；熒光燈鎮(zhèn)流器損耗按5W計算，光效為60lm/W。該辦公室照明每天使用10小時，每月工作30天。假設(shè)LED燈具壽命為5年，熒光燈壽命為3年，LED燈具初始投資為每套100元，熒光燈初始投資為每套60元。試計算（1）兩種照明方案每月的照明能耗（kWh）；（2）兩種方案每年的照明電費支出（電價按0.6元/kWh計）；（3）采用LED替代熒光燈的初始投資回收期（基于照明電費節(jié)約計算）。四、簡述在供配電系統(tǒng)中，采用并聯(lián)電容器進行無功補償?shù)闹饕康摹⒒驹硪约斑x擇電容器組容量時應(yīng)考慮的主要因素。五、某工廠變電所10kV母線電壓為11kV，計劃安裝一組400kvar的電容器組進行無功補償。已知線路功率因數(shù)由補償前的0.75（滯后）提高到補償后的0.9（滯后），線路阻抗為ZL=0.1+j0.3Ω。試計算：（1）補償前、后的線路電流；（2）該電容器組補償后，在額定電壓下實際發(fā)出的無功功率是多少？（忽略線路電壓降）六、什么是諧波？簡述諧波對電力系統(tǒng)和用電設(shè)備可能造成的危害。在供配電系統(tǒng)中，通常采用哪些主要措施來抑制諧波？（列舉至少三種）七、簡述需求側(cè)管理（DSM）的概念及其在電力系統(tǒng)節(jié)能中的作用。八、在電氣設(shè)備選擇時，如何綜合考慮能效與經(jīng)濟性？請簡述選擇高效電機時需要考慮哪些經(jīng)濟性因素（至少列舉四點）。九、某新建工廠總計算負荷為10000kW，功率因數(shù)為0.7。根據(jù)國家節(jié)能標準要求，該廠變電所二次側(cè)（高壓側(cè)）功率因數(shù)應(yīng)達到0.9以上。若現(xiàn)有變壓器為S9-10000/10型，其自然功率因數(shù)為0.8。問：（1）在不安裝無功補償設(shè)備的情況下，能否滿足功率因數(shù)要求？（2）如果需要通過安裝電容器進行補償，至少需要補償多少千乏的無功功率才能滿足要求？（假設(shè)補償后負荷性質(zhì)不變）十、試述在電氣照明設(shè)計中，如何通過照明控制措施來實現(xiàn)節(jié)能目的?？梢粤信e幾種有效的照明控制方式并簡述其原理。十一、簡述變壓器經(jīng)濟運行的基本概念。在什么情況下，采用兩臺變壓器運行比三臺變壓器（其中一臺額定容量較小）的總能耗更低？十二、結(jié)合你所了解的電氣節(jié)能技術(shù)，論述在大型工業(yè)企業(yè)的供配電系統(tǒng)中，應(yīng)如何進行全面的節(jié)能設(shè)計和管理。試卷答案一、主要依據(jù)：國家及行業(yè)節(jié)能法規(guī)、標準（如《節(jié)約能源法》、GB50155等）；有關(guān)電氣設(shè)備能效標準；工程所在地的節(jié)能規(guī)定?；驹瓌t：技術(shù)可行、經(jīng)濟合理；節(jié)約優(yōu)先、結(jié)構(gòu)優(yōu)化；綜合利用、提高效率；依法節(jié)能、強制淘汰；因地制宜、分類指導(dǎo)。二、年損耗計算：變壓器年負載率Kd=0.6年運行時間Tr=7200小時空載年損耗E0=P0*Tr=1.1kW*7200h=7920kWh負載年損耗Ed=PdN*Kd^2*Tr=11.5kW*(0.6)^2*7200h=31920kWh總年損耗Et=E0+Ed=7920+31920=39840kWh損耗占比=(Et/總用電量)*100%=(39840/50000000)*100%=0.7976%節(jié)約電能計算：新變壓器空載損耗P0'=0.8kW新變壓器短路損耗PdN'=10.5kW年空載損耗E0'=P0'*Tr=0.8kW*7200h=5760kWh年負載損耗Ed'=PdN'*Kd^2*Tr=10.5kW*(0.6)^2*7200h=29160kWh新變壓器總年損耗Et'=E0'+Ed'=5760+29160=34920kWh年節(jié)約電能ΔE=Et-Et'=39840-34920=4920kWh三、（1）熒光燈能耗：總功率P_熒光=60套*(40W+5W)=2700W=2.7kW月能耗E_熒光=P_熒光*使用時間=2.7kW*10h/day*30day/month=810kWhLED燈具能耗：總功率P_LED=60套*18W=1080W=1.08kW月能耗E_LED=P_LED*使用時間=1.08kW*10h/day*30day/month=324kWh（2）照明電費：電費_熒光=E_熒光*電價=810kWh*0.6元/kWh=486元/月電費_LED=E_LED*電價=324kWh*0.6元/kWh=194.4元/月（3）投資回收期：年節(jié)約電費=(電費_熒光-電費_LED)*12month=(486-194.4)*12=3692.8元/年初始投資差額=(60*100元)-(60*60元)=6000元回收期=初始投資差額/年節(jié)約電費=6000/3692.8≈1.62年四、目的：提高功率因數(shù)，降低線路損耗，減少無功負荷對電網(wǎng)的影響，改善電壓質(zhì)量。原理：利用電容器產(chǎn)生的容性無功功率補償系統(tǒng)中由感性負載（如變壓器、電機）消耗的無功功率，使電網(wǎng)總無功功率減少，功率因數(shù)提高。選擇容量因素：1.電網(wǎng)原有功率因數(shù)及希望達到的功率因數(shù)。2.負荷的性質(zhì)和變化情況。3.系統(tǒng)電壓水平。4.電容器組的安裝位置（補償方式：集中、分散、個別）。5.電容器組投入、切出的方式及控制策略。6.經(jīng)濟性比較（補償效益與投資）。7.設(shè)備的可靠性、壽命及環(huán)境條件。五、（1）補償前線路電流：S=P/cos(φ1)=P/0.75，I1=S/(√3*U1)=P/(0.75*√3*11kV)I1=P/(12.725*10^3)AP=S*cos(φ1)=S*0.75I1=(S*0.75)/(12.725*10^3)A=S/(16.966*10^3)AI1=S/16966A功率S=10000kW/0.75=13333.33kVAI1=13333.33/16966=0.7858kA=785.8A補償后線路電流：S'=P/cos(φ2)=P/0.9，I2=S'/(√3*U2)=P/(0.9*√3*11kV)I2=P/(15.588*10^3)=S/(15588)AP=S'*cos(φ2)=S'*0.9I2=(S'*0.9)/(15.588*10^3)=S'/(17.32*10^3)AI2=S'/17320AS'=S/cos(φ1)/cos(φ2)=13333.33/(0.75/0.9)=13333.33/0.8333=16000kVAI2=16000/17320=0.9256kA=925.6A（2）實際發(fā)出無功功率：補償容量Qc=S*(tan(φ1)-tan(φ2))cos(φ1)=0.7=>tan(φ1)=√((1/cos(φ1))^2-1)=√((1/0.7)^2-1)=√(1.7143-1)=√0.7143≈0.845cos(φ2)=0.9=>tan(φ2)=√((1/cos(φ2))^2-1)=√((1/0.9)^2-1)=√(1.1111-1)=√0.1111≈0.333Qc=13333.33kVA*(0.845-0.333)=13333.33*0.512=6826.67kvar實際發(fā)出無功功率為計算補償容量Qc，即6826.67kvar。六、諧波：指頻率為基波頻率整數(shù)倍的正弦交流電分量，通常由非線性負載（如整流器、變頻器、開關(guān)電源等）產(chǎn)生。危害：1.引起電力設(shè)備（變壓器、電纜、開關(guān)設(shè)備）發(fā)熱，增加損耗，降低效率，縮短壽命。2.導(dǎo)致保護裝置和自動控制系統(tǒng)誤動作，影響設(shè)備安全運行。3.干擾通信系統(tǒng)，產(chǎn)生噪聲，降低音質(zhì)，甚至導(dǎo)致通信中斷。4.使電能表計量不準。5.改變用電設(shè)備的工作特性，影響設(shè)備性能。措施：1.使用濾波器（無源濾波器、有源濾波器）。2.合理選擇電力電子器件和電路拓撲，減少諧波源。3.改善供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，增大諧波源回路的阻抗。4.對大容量諧波源進行技術(shù)處理或加裝無功補償裝置（兼有濾波功能）。5.設(shè)置諧波監(jiān)測點，進行監(jiān)測與管理。七、概念：需求側(cè)管理（DSM）是指通過改變用戶的用電行為或用電方式，優(yōu)化負荷結(jié)構(gòu)，減少高峰負荷，提高用電效率，從而實現(xiàn)節(jié)約能源、降低成本、改善環(huán)境的管理過程。作用：1.平衡電網(wǎng)負荷，減少因拉閘限電帶來的損失，提高供電可靠性。2.降低發(fā)電廠高峰負荷，減少對新建發(fā)電容量的需求，節(jié)約投資。3.提高能源利用效率，減少能源浪費。4.改善電能質(zhì)量，減少電壓波動和閃變。5.降低發(fā)電排放，有助于環(huán)境保護。6.為電力市場提供靈活性，促進電力市場發(fā)展。八、選擇高效電機時，需要綜合考慮以下經(jīng)濟性因素：1.電機初始投資成本：高效電機價格通常高于普通電機。2.運行電費節(jié)?。焊咝щ姍C運行效率高，長期運行可顯著降低電費開支。3.壽命周期：高效電機通常設(shè)計壽命更長，故障率更低。4.維護費用：高效電機結(jié)構(gòu)可能更精密，維護要求可能不同，但長期維護成本可能更低。5.節(jié)能效益回收期：計算投資增量與年運行費用節(jié)省之比，確定回收期長短。6.資金成本（折現(xiàn)率）：不同資金來源的折現(xiàn)率不同，影響回收期評估。7.政策補貼與稅收優(yōu)惠：政府可能提供購買高效電機的補貼或稅收減免。8.能源價格預(yù)期：未來能源價格上漲將增加高效電機帶來的經(jīng)濟效益。九、（1）功率因數(shù)要求：原功率因數(shù)cos(φ1)=0.7=>tan(φ1)≈1.029目標功率因數(shù)cos(φ2)=0.9=>tan(φ2)≈0.484需要提高的功率因數(shù)角Δφ=φ1-φ2=arctan(1.029)-arctan(0.484)≈45.8°-25.8°=20°原系統(tǒng)無功功率Q1=P*tan(φ1)=10000*1.029=10290kvar目標無功功率Q2=P*tan(φ2)=10000*0.484=4840kvar需要補償?shù)臒o功功率Qc=Q1-Q2=10290-4840=5450kvar變壓器本身提供的有功功率P_T=S*cos(φ2)=10000/0.8*0.9=11250kW變壓器提供的無功功率Q_T=S*sin(φ2)=10000/0.8*sin(25.8°)≈11250*0.433=4873kvarQ_T<Q1-Q2=5450kvar僅靠變壓器本身提供無功的能力不足以滿足功率因數(shù)從0.8提高到0.9的要求，因為此時變壓器自身也需要吸收一部分無功（原假設(shè)功率因數(shù)為0.8時變壓器提供Q_T無功，要達到cosφ2=0.9，變壓器需發(fā)出或減少無功，但主要看總無功需求增加量）。更準確計算：達到cosφ2=0.9，系統(tǒng)總無功需從10290kvar降至4840kvar，減少5450kvar。而變壓器在cosφ2=0.9時，其額定視在功率S_N=P_T/cos(φ2)=11250/0.9=12500kVA。變壓器在額定負荷下（S=S_N）產(chǎn)生的總損耗（空載+負載）遠大于其額定容量，其發(fā)出的無功能力會受自身損耗影響而降低。即使忽略損耗，變壓器在cosφ2=0.9時理論上能提供的無功Q_T'=S_N*sin(φ2)=12500*0.433=5412.5kvar。但此時變壓器自身消耗的無功約為P_T*tan(φ2)=11250*0.484=5455kvar。兩者接近，說明變壓器在cosφ2=0.9時自身消耗的無功約等于其能發(fā)出的無功，此時系統(tǒng)總無功為P_T*tan(φ2)=11250*0.484=5455kvar。需要補償?shù)臒o功Qc=Q1-Q_T'=10290-5412.5=4877.5kvar。因此，僅靠變壓器自身調(diào)節(jié)（或容量選擇不當?shù)淖儔浩鳎o法滿足要求。結(jié)論：不滿足要求。（2）所需補償容量：所需補償容量Qc≈5450kvar（根據(jù)提高功率因數(shù)所需減少的無功量計算）?；蛘?，根據(jù)無功補償容量公式Qc=P*(tan(φ1)-tan(φ2))=10000*(1.029-0.484)=10000*0.545=5450kvar。因此，至少需要補償5450kvar的無功功率。十、照明控制節(jié)能原理：通過自動或手動方式，根據(jù)環(huán)境光線、人員活動、時間等因素，調(diào)整照明設(shè)備的投入數(shù)量或亮度，避免不必要的照明或過度照明，從而減少電能消耗?？刂品绞剑?.按時間控制：根據(jù)日照時間或作息時間自動開關(guān)照明，如白天關(guān)閉公共區(qū)域照明，夜間按時開啟。2.自然采光控制：利用光線傳感器檢測自然光強度，當自然光充足時自動調(diào)低或關(guān)閉人工照明。3.人體感應(yīng)控制（感應(yīng)照明）：利用紅外傳感器檢測人員活動，人來燈亮，人走燈滅或延時熄滅，適用于走廊、衛(wèi)生間、倉庫等場所。4.分區(qū)控制：將照明分成若干區(qū)域，根據(jù)各區(qū)域使用情況分別控制，如辦公室分區(qū)、樓層分區(qū)，非工作時間關(guān)閉空閑區(qū)域照明。5.場景控制：根據(jù)不同活動需求，預(yù)設(shè)不同亮度場景，如會議模式、普通工作模式、離開模式。6.光感+人體感應(yīng)組合控制：結(jié)合光線和人體感應(yīng)，實現(xiàn)更智能的控制，如白天光線好時無人自動熄滅，光線差有人時自動開啟或調(diào)亮。十一、概念：變壓器經(jīng)濟運行是指在特定運行條件下，選擇投入運行的一臺或多臺變壓器及其組合方式，使得總能耗最低的運行方式。兩臺變壓器運行比三臺變壓器（含小容量）能耗更低的情況：1.當負荷較小時，若三臺變壓器運行（兩臺大容量+一臺小容量）的總損耗大于兩臺不同容量變壓器（或兩臺相同大容量）運行的總損耗。這種情況通常發(fā)生在負荷僅達到較小變壓器額定容量以下時，此時小容量變壓器的空載損耗占比過高，導(dǎo)致總