變電站能耗計(jì)算及節(jié)能措施研究

張?bào)w強(qiáng) 皮江紅 楊迎

（湖北安源安全環(huán)?？萍加邢薰?湖北武漢 430040）

電能是資源利用最節(jié)能、最清潔、最便利、效率最高的方式之一。提高電力在終端能源中的比重，是我國終端能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化的發(fā)展方向。電網(wǎng)作為電力輸送和資源優(yōu)化配置的平臺(tái)，對(duì)促進(jìn)新能源發(fā)展、提高能源開發(fā)利用效率、推動(dòng)全社會(huì)節(jié)能減排具有重要作用。

隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，對(duì)電力資源的需求越來越大，在有限的資源下如何盡量滿足社會(huì)的電力需求，節(jié)能降耗顯得尤其重要。降低損耗等于在同等的條件下，輸送出更多的電能，減少供電企業(yè)的運(yùn)營成本。

1 變電站能耗介紹

變電站能耗主要為電能和水資源。變電站電能損耗主要包括變壓器、電抗、電容等元件損耗及變電站站用電。其中最主要的是變壓器損耗和電抗器損耗。變電站用水主要為生活用水、消防用水。

2 變電站能耗計(jì)算

2.1 主變壓器電耗

變壓器損耗是變電站電耗的最重要組成部分，變壓器損耗主要包括變壓器鐵芯中的鐵損（固定損耗）和變壓器繞組電阻上的銅損（可變損耗）。變壓器鐵損是鐵芯的磁滯損耗和渦流損耗，變壓器只要通電即存在鐵損，與通過的功率無關(guān)，主要與變壓器的容量和電壓有關(guān)；變壓器銅損與電阻和通過電流有關(guān)。

變壓器能耗理論計(jì)算方法參照《電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》[1]，計(jì)算公式如下：

ΔA=ΔP0T+ΔPC（S/Se）2τ

式中：ΔP0—變壓器空載損耗（kW）

T—變壓器運(yùn)行時(shí)間（h）

ΔPC—變壓器負(fù)載損耗（kW）

S—變壓器運(yùn)行容量（MVA）

Se—變壓器額定容量（MVA）

τ—最大負(fù)荷損耗小時(shí)數(shù)（h）

變壓器空載損耗、負(fù)載損耗可依據(jù)設(shè)備型號(hào)與生產(chǎn)廠家確定，或采用同類型產(chǎn)品的相應(yīng)參數(shù)。如在可行性研究階段、設(shè)計(jì)階段主變壓器未進(jìn)行設(shè)備選型，則可根據(jù)《三相配電變壓器能效限定值及節(jié)能評(píng)價(jià)值》等規(guī)范進(jìn)行取值。變壓器運(yùn)行時(shí)間、最大負(fù)荷損耗小時(shí)數(shù)根據(jù)設(shè)計(jì)文件確定。S/Se即變壓器負(fù)載率，220kV變電站一般可取值0.5~0.625。

實(shí)際運(yùn)行中，變電站能耗與運(yùn)行時(shí)間、負(fù)載、運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行方式等因素關(guān)系密切。變電站老化會(huì)增加能耗。由于長時(shí)間運(yùn)行，變壓器鐵心的磁滯損耗和渦流損耗、局部的渦流損耗、主磁通在結(jié)構(gòu)部件的渦流損耗以及變壓器的介質(zhì)損耗都會(huì)不同程度增大，從而引起損耗增大。

2.2 電抗器電耗

電抗器主要作用是吸收無功功率限制電壓升高，提高輸電能力。電抗器因能抵抗電流的變化，也被用來限制電力系統(tǒng)的短路電流。電抗器損耗是固定損耗，與運(yùn)行電壓有關(guān)。

電抗器能耗理論計(jì)算方法參照《電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》，計(jì)算公式如下：

式中：ΔP0—電抗器額定電壓下的功率損耗（kW）

T—電抗器運(yùn)行時(shí)間（h）

2.3 電容器電耗

電容器的主要作用是為電力系統(tǒng)提供無功功率，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，達(dá)到節(jié)約電能的目的。在遠(yuǎn)距離輸電中利用電容器可明顯提高輸送容量。

電容器能耗理論計(jì)算方法參照《電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》，計(jì)算公式如下：

ΔA=0.003QcT

式中：Qc—電容器容量（kW）

T—電容器運(yùn)行時(shí)間（h）

2.4 站用電

站用電指為站內(nèi)設(shè)備正常工作、保證電網(wǎng)安全可靠供電的變電站自身用電負(fù)荷，主要包括站內(nèi)輔助生產(chǎn)設(shè)施及附屬生產(chǎn)設(shè)施耗電，分為生產(chǎn)系統(tǒng)、暖通系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)用電等，包括主變冷卻器、空調(diào)、照明燈、水泵、風(fēng)機(jī)等設(shè)備。站用電水平主要與變電站電壓等級(jí)、規(guī)模及自動(dòng)化程度有關(guān)[2]。

站用電理論計(jì)算方法參照《電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》，計(jì)算公式如下：

式中：Ec—變電站年站用電量（kW·h/a）

Pi—單項(xiàng)用電設(shè)備負(fù)荷（kW）

Ti—單項(xiàng)用電設(shè)備運(yùn)行小時(shí)數(shù)（h）

0.7 —負(fù)荷系數(shù)

實(shí)際運(yùn)行中，站用電需考慮設(shè)備實(shí)際運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行方式、效率及運(yùn)行環(huán)境等。以設(shè)備的效率為例，對(duì)于水泵、風(fēng)機(jī)等設(shè)備，需考慮設(shè)備效率；對(duì)于空調(diào)，則需考慮能效比。

2.5 變電站用水

變電站用水主要為生活用水、消防用水及不可預(yù)見用水。變電站用水量較小，一般500kV變電站用水量為2000~4000t/a。

生活用水為站內(nèi)值守人員用水，用水量與項(xiàng)目所在地用水定額和值守人員數(shù)量成正比。變電站值守人員數(shù)量由變電站規(guī)模、項(xiàng)目所在地經(jīng)濟(jì)水平等因素決定。目前，220kV及以下電壓等級(jí)變電站一般無人值守。

消防用水量的計(jì)算主要是主控樓和主變消防用水。根據(jù)GB50229-2006《火力發(fā)電廠與變電站設(shè)計(jì)防火規(guī)范》，主控樓體積不超過3000m3，可不設(shè)消防用水。湖北地區(qū)主控樓一般不設(shè)置室外消防栓。主變消防可設(shè)置泡沫噴霧或水噴霧，如果設(shè)置水噴霧，流量為80L/s~120L/s，滅火時(shí)間0.4h，室外消防栓10L/s，滅火時(shí)間2h。

不可預(yù)見用水量較小，一般根據(jù)工程規(guī)模估算。

3 節(jié)能措施

從變電站能源消耗種類考慮，變電站節(jié)能可以從節(jié)電和節(jié)水兩個(gè)方面進(jìn)行分析；從工程運(yùn)行考慮，變電站節(jié)能可以從技術(shù)措施和管理措施兩個(gè)方面進(jìn)行分析；從主副層次與能耗結(jié)構(gòu)上考慮，變電站節(jié)能可以從主要能耗設(shè)備和輔助生產(chǎn)及附屬生產(chǎn)設(shè)施兩個(gè)方面進(jìn)行分析。本文綜合各種分類，提出了以下幾項(xiàng)主要的節(jié)能措施。

3.1 接入系統(tǒng)方案

接入系統(tǒng)方案決定了變電站在電網(wǎng)中的作用與地位，在地區(qū)電力負(fù)荷中心附近進(jìn)行變電站選址，選擇合理的接入系統(tǒng)方案有助于優(yōu)化電網(wǎng)電能輸送路徑，減少電網(wǎng)能耗損失[3]。

3.2 變壓器選型

按照在電網(wǎng)所處的位置與功能，變壓站可分主變壓器與配電變壓器。主變壓器是變電站、乃至電網(wǎng)的主要能耗設(shè)備，其電能損耗約占電網(wǎng)總損耗的25%~30%。市場(chǎng)上，變壓器能效指標(biāo)是變壓器的主要參數(shù)之一。

開發(fā)低損耗變壓器的主要手段是采用新材料，應(yīng)用新結(jié)構(gòu)和新工藝，有發(fā)展前景的新材料之一是非晶合金。目前生產(chǎn)采用的S15型非晶合金變壓器的空載損耗可比用硅鋼片鐵芯S11型節(jié)能型變壓器下降約60~70%，空載電流下降約80%，節(jié)能效果突出。

在經(jīng)濟(jì)條件允許下，選用空載損耗更低的變壓器，能夠有效地減少電能損耗。

3.3 站用電及站用變壓器

在站用變壓器容量的選擇上，應(yīng)嚴(yán)格按照變電站的實(shí)際用電負(fù)荷并考慮同時(shí)率計(jì)算站用變的負(fù)荷。正常運(yùn)行狀態(tài)下，站用變壓器大多工況條件下不能滿載運(yùn)行，降低空載損耗將獲得明顯的節(jié)能效果。一般變壓器經(jīng)常性負(fù)荷配置在接近35%額定容量時(shí)，變壓器能獲得較高的運(yùn)行效率。

變電站內(nèi)輔助生產(chǎn)設(shè)施及附屬生產(chǎn)設(shè)施，如空調(diào)、照明燈具、水泵等的選型也是非常重要的。選用滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中1級(jí)或同類能效水平的設(shè)施，能夠減少變電站站用電，達(dá)到節(jié)約電能的效果。

3.4 設(shè)備老化

設(shè)備老化是一個(gè)擬人的概念，是對(duì)設(shè)備陳舊程度的形象化表述，具體表現(xiàn)為設(shè)備使用達(dá)到經(jīng)濟(jì)壽命年限、技術(shù)上已被先進(jìn)的新型設(shè)備所代替、社會(huì)上已不再生產(chǎn)原型號(hào)設(shè)備等。設(shè)備老化不僅存在巨大的安全隱患，老化設(shè)備一般能耗也更嚴(yán)重。

根據(jù)廣東江門供電公司的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[4]，變壓器老化能耗會(huì)明顯升高。

表1 變壓器能耗比較

對(duì)于設(shè)備老化的情況，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行設(shè)備技術(shù)改造，采用新技術(shù)、新技術(shù)改造老設(shè)備，進(jìn)行局部更新，延長使用壽命，或者直接更換。

3.5 變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是在保障供電負(fù)荷的情況下，使變壓器功率損耗為最小的運(yùn)行方式。變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行不需追加投資，只要加強(qiáng)供電、用電管理，即可達(dá)到節(jié)點(diǎn)和提高功率因素的目的。根據(jù)理論計(jì)算公式，功率因數(shù)增大能提高主變效率，使損耗降低。

日常運(yùn)行中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)主變運(yùn)行的監(jiān)控，提高功率因數(shù)，確保電壓、無功的管理達(dá)到規(guī)定的范圍。

目前，開始廣泛推廣的智能變壓器、智能變電站也旨在通過調(diào)整變電站內(nèi)電氣設(shè)備運(yùn)行，達(dá)到節(jié)約能源的目的。

3.6 設(shè)計(jì)節(jié)能

變電站可行性研究及設(shè)計(jì)階段對(duì)變電站的設(shè)計(jì)要考慮節(jié)能，從設(shè)計(jì)、施工源頭上將節(jié)能納入變電站設(shè)計(jì)中能夠達(dá)到事半功倍的效果。設(shè)計(jì)節(jié)能可以從設(shè)備選型、總平面布置、建筑設(shè)計(jì)等方面考慮節(jié)能。

變電站選址時(shí)需合理確定站址的坐標(biāo)、方位和場(chǎng)地標(biāo)高，減少拆遷還建工程量、土石方工程量、地基處理工程量以及施工難度，節(jié)省工程投資。合理的布置變電站內(nèi)的各種電氣設(shè)備，充分利用站內(nèi)場(chǎng)地，能提高土地利用率，可節(jié)約土地資源。同時(shí)，站內(nèi)遵行國家電網(wǎng)公司“兩型一化”采用碎石滿鋪場(chǎng)地，可大大降低對(duì)水資源的消耗，同比節(jié)省用水量可達(dá)

85 %以上。

變電站內(nèi)主要的建筑物為主控樓、電氣設(shè)備室等。建筑設(shè)計(jì)中建筑物盡量采用南北方向布置，充分利用陽光天然能源及自然通風(fēng)；建筑物屋面、外墻、門窗合理選用環(huán)保型建筑材料及降低層高等措施，加強(qiáng)了建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱性能，可減少空調(diào)、通風(fēng)的能耗，達(dá)到節(jié)能的效果。

3.7 節(jié)水措施

變電站內(nèi)給排水設(shè)備應(yīng)盡量采用變頻水泵與氣壓罐，可以防止水泵頻繁啟動(dòng)和提供瞬時(shí)供水，節(jié)能便利。站內(nèi)用水設(shè)施應(yīng)選用節(jié)水型衛(wèi)生器具及配水附件。

變電站內(nèi)消防方式應(yīng)結(jié)合工程需要盡量選用節(jié)水型消防方式，如合成泡沫滅火系統(tǒng)方案。與傳統(tǒng)的水霧噴頭消防方式相比，該系統(tǒng)泵房節(jié)水節(jié)地。同時(shí)滅火劑能生物降解，無環(huán)境影響。

變電站內(nèi)設(shè)置事故油池回收變壓器的事故油，進(jìn)行油水分離后再利用，節(jié)約資源。

3.8 節(jié)能管理措施

變電站節(jié)能管理措施可以從管理制度、能源計(jì)量、計(jì)量管理等幾個(gè)方面考慮。

變電站應(yīng)根據(jù)《能源管理體系要求》（GB/T 23331-2009）和《工業(yè)企業(yè)能源管理導(dǎo)則》（GB/T 15587-2008）的要求，結(jié)合自身特點(diǎn)，建立了一系列節(jié)能管理制度與辦法，并落實(shí)實(shí)施。

變電站應(yīng)健全能源計(jì)量、監(jiān)測(cè)管理制度，配備合格的能源計(jì)量器具、儀表，能源計(jì)量器具的配備和管理應(yīng)達(dá)到《用能單位能源計(jì)量器具配備和管理通則》（GB 17167-2006）規(guī)定的要求。

變電站內(nèi)應(yīng)建立完善的能源計(jì)量管理體系，包括能源計(jì)量制度、設(shè)置專職能源計(jì)量管理人員及能源計(jì)量器具的管理等。

同時(shí)，變電站節(jié)能管理工作應(yīng)滿足節(jié)能評(píng)估報(bào)告及其審查意見的要求。

4 結(jié)論

變電站是電網(wǎng)的樞紐，能源損耗分析計(jì)算應(yīng)采取理論與實(shí)踐結(jié)合的方式展開，結(jié)合已投運(yùn)的同規(guī)模變電站運(yùn)行的參數(shù)，切忌脫離實(shí)際盲目理論研究。

變電站節(jié)能應(yīng)從變電站全生命周期開展，從可行性研究、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行等多個(gè)階段進(jìn)行開展。變電站節(jié)能工作要依據(jù)能耗種類有針對(duì)性的開展，同時(shí)要把技術(shù)措施、管理措施相結(jié)合，減少對(duì)資源能源的索取，更好的完成國家電網(wǎng)公司的節(jié)能減排計(jì)劃。

[1]電力工業(yè)部電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院.電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國電力出版社，1998

[2]陳兵，齊立勇.減少低壓電網(wǎng)電能損耗的探討[J].中國計(jì)量，2012（6）：38-39

[3]陳家庚，林其友.優(yōu)化完善電網(wǎng)結(jié)構(gòu)在節(jié)能減排領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2012（2）：118-126

[4]胡思平，向海清.淺談電能計(jì)量在節(jié)能降耗中的應(yīng)用[J].中國電力教育2009年管理論從與技術(shù)研究?？?，2009：226-227