工廠110kV變電站電能損耗分析及節(jié)能措施

姚繼強(qiáng)

(江西銅業(yè)集團(tuán)公司貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424)

1 引言

變電站電能損耗，是指電網(wǎng)電能經(jīng)導(dǎo)線、開關(guān)、變壓器以及電抗器等供電設(shè)備傳輸至用戶的過程中所產(chǎn)生的電能消耗和損失[1]。貴冶1#總降壓110kV變電站(以下簡稱1#總降壓)承擔(dān)著貴冶一系統(tǒng)生產(chǎn)和生活安全供電的重任，2012年總供電量已突破7.5億度，其中電能損耗(不包括1#總降壓至各車間電抗器損耗和線損)約600萬度，電能損耗巨大，給工廠帶來了極大的生產(chǎn)成本，降低電能損耗為工廠節(jié)能降耗起著至關(guān)重要的作用，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。影響電能損耗的因素主要有功率因數(shù)、變壓器損耗、線路電抗器損耗以及線路損耗等，但就貴冶一系統(tǒng)供配電現(xiàn)狀，降低電能損耗的可行措施主要集中在提高功率因數(shù)和取消線路電抗器兩個(gè)方面。

2 供電系統(tǒng)簡介

1#總降壓電源由銅城變電站經(jīng)兩條110kV線路供入，站內(nèi)有四臺(tái)110kV變6kV主變壓器，其中容量50MVA和31.5MVA變壓器各兩臺(tái)。6kV系統(tǒng)有饋線約50條，經(jīng)高壓電抗器供電給工廠各個(gè)車間配電室，以確保生產(chǎn)生活用電。1#總降壓供電系統(tǒng)簡圖詳見圖1。

3 功率因數(shù)與節(jié)能降耗

3.1 功率因數(shù)與電能損耗關(guān)系

功率因數(shù)即有功功率與視在功率的比值，可見在視在功率不變的前提下，有功功率越大，無功功率越小，功率因數(shù)就越高。電力用戶的功率因數(shù)是檢查和考核線損管理的指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，而大用戶的無功功率對(duì)線損的影響甚大。車間裝設(shè)了并聯(lián)電容器，負(fù)荷功率因數(shù)從cosφ1提高到cosφ2，當(dāng)輸送的有功功率和電壓不變時(shí)，供電線路和變壓器的損耗有所降低[2]。

圖1 1#總降壓供電系統(tǒng)簡圖

其降低百分?jǐn)?shù)

供電線路有功功率損耗減少的數(shù)值

變壓器銅耗減少值

式中:P為輸送有功功率，kW;U為線路電壓，kV;R為線路電阻，Ω;ΔPcur為變壓器額定銅損，kW;S1為變壓器運(yùn)行負(fù)荷，kVA;S2為變壓器額定容量，kVA。

1#總降壓供電負(fù)荷隨著一系統(tǒng)電解負(fù)荷逐年增加而增加，而6kV系統(tǒng)功率因數(shù)隨之偏低，其中功率因數(shù)偏低最為突出的是電解1#線，平均功率約3700kW，線路阻抗約0.015Ω，平均功率因數(shù)在0.75左右，若提高至0.95，根據(jù)公式1可計(jì)算出供電線路和變壓器的損耗降低百分?jǐn)?shù):

根據(jù)公式2可計(jì)算出供電線路有功功率損耗減少的數(shù)值:

3#主變額定容量 50000kVA，運(yùn)行負(fù)荷40000kVA，額定銅損178.8kW，若線路功率因數(shù)0.75提高至 0.95，則主變功率因數(shù) 0.9 提高至0.95，根據(jù)公式3，可計(jì)算出3#主變銅耗減少值為:

則3#主變電量年(一年按365天計(jì)算)消耗減少值為:

由以上計(jì)算結(jié)果可知，功率因數(shù)的提高對(duì)降低供電線路及主變損耗效果極其明顯。

3.2 提高功率因數(shù)的措施

結(jié)合貴冶生產(chǎn)實(shí)際，并考慮投資小等特點(diǎn)，提高功率因數(shù)最有效最直接辦法就是無功補(bǔ)償。根據(jù)廠內(nèi)無功負(fù)荷分布的特點(diǎn)，按照無功功率就地補(bǔ)償?shù)脑瓌t，應(yīng)采用以分散補(bǔ)償和集中補(bǔ)償相結(jié)合的補(bǔ)償方式，更好地實(shí)現(xiàn)降低工廠供電網(wǎng)絡(luò)電能損耗的目的。分散補(bǔ)償就是對(duì)分散的配電變壓器以及分散的用戶感性負(fù)荷進(jìn)行分散就地補(bǔ)償，集中補(bǔ)償就是對(duì)主變壓器、輸電線、配電線在變電站的主變壓器二次側(cè)進(jìn)行集中補(bǔ)償。

貴冶補(bǔ)償模式是在1#總降壓變電站進(jìn)行集中補(bǔ)償，在各車間配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分散補(bǔ)償，在各車間分散補(bǔ)償模式除了能降低變壓器損耗，也能更好的降低供電線路電能損耗，因此這種模式更節(jié)能。無功補(bǔ)償主要來自電容器補(bǔ)償、靜止無功補(bǔ)償、高次諧波濾波器、高壓同步機(jī)及透平發(fā)電機(jī)等五個(gè)方面。其中高壓同步機(jī)及透平發(fā)電機(jī)主要是以生產(chǎn)為主，補(bǔ)償為輔，并且補(bǔ)償量基本恒定，要想增加或更換基本不可能。而電容器補(bǔ)償、靜止無功補(bǔ)償及高次諧波濾波器具有投資小，施工簡單，降低電能損耗明顯等特點(diǎn)。

綜上所述，適合貴冶實(shí)際無功補(bǔ)償措施有:

(1)電容器無功補(bǔ)償，就是把具有容性功率負(fù)荷的裝置和感性功率負(fù)荷并聯(lián)在同一電容器上，能量在兩種負(fù)荷間相互轉(zhuǎn)換。優(yōu)點(diǎn):接線簡單、運(yùn)行維護(hù)工作量小，使無功就地平衡，從而提高配變利用率，降低網(wǎng)損，具有較高的經(jīng)濟(jì)性。1#總降壓變電站采用了電容器高壓集中補(bǔ)償，而車間配電室也可用低壓電力電容器進(jìn)行個(gè)別補(bǔ)償或集中補(bǔ)償，這樣可以合理地提高了用戶的功率因數(shù)，避免功率因數(shù)降低導(dǎo)致電費(fèi)的增加。

(2)高次諧波濾波器，就是濾除電力系統(tǒng)中某一次或多次諧波的裝置，其可減少VDS及其他類似的3相6脈沖整流負(fù)載產(chǎn)生的所有的主要諧波電流。優(yōu)點(diǎn):減少了注入系統(tǒng)的諧波損耗，從而節(jié)約了電能，效率＞99%，消除諧波后改善了整個(gè)系統(tǒng)的功率因數(shù)。貴冶二系統(tǒng)變頻器設(shè)備應(yīng)用較多，產(chǎn)生諧波也較多，2#總降壓采用了諧波濾波器，有效消除了諧波，改善了功率因數(shù)。

(3)靜止無功補(bǔ)償 (簡稱SVC)，就是將可控的電抗器和電力電容器 (固定或分組投切)并聯(lián)使用，通過對(duì)電抗器進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以使整個(gè)裝置平滑地從發(fā)出無功功率改變到吸收無功功率 (或反向進(jìn)行)，并且響應(yīng)快速。靜止無功補(bǔ)償器在低壓供配電系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用于電壓調(diào)整、改善電壓水平、減少電壓波動(dòng)、改善功率因數(shù)、抑制電壓閃變、平衡不對(duì)稱負(fù)荷，靜止無功補(bǔ)償器配套的濾波器能吸收諧波和減小諧波干擾等，其中靜止無功發(fā)生器 (簡稱 SVG)就是一種無功電流源，通過PWM脈寬調(diào)制控制技術(shù)，使其發(fā)出無功功率，呈容性;或者吸收無功功率，呈感性，因SVG技術(shù)發(fā)展較快，將來有取代SVC的趨勢。工廠在今后的無功補(bǔ)償上，也可以考慮應(yīng)用SVG[3]。

4 電抗器與電能損耗關(guān)系

4.1 電抗器電能損耗

1#總降壓每條6kV饋線裝設(shè)電抗器加上常規(guī)電流保護(hù)，用以限制系統(tǒng)短路電流，提高系統(tǒng)可靠性，每年將有大量電能消耗在電抗器本身，造成電能極大的浪費(fèi)。

若整條線路包括兩端，共有m個(gè)阻波器，每個(gè)額定電流為Iri(kA)，額定損耗為Pri(MW)，則電流Ijf(kA)流過m個(gè)阻波器流的電能損耗為[4]:

1#總降壓運(yùn)行的三相限流電抗器總共55臺(tái)，電抗率為4% ～8%，電抗率取平均值6%，額定電流分兩種:額定電流1000A，額定損耗14.385kW，共37條饋線;額定電流2000A，額定損耗22.728kW，共18條饋線。計(jì)算時(shí)饋線實(shí)際負(fù)荷取電抗器額定電流的1/3，根據(jù)公式4，可計(jì)算出單相電抗器年耗電量:

額定電流為1000A電抗器每年(一年按365天計(jì)算)消耗電量:

額定電流為2000A電抗器每年(一年按365天計(jì)算)消耗電量:

那么，1#總降壓運(yùn)行的三相電抗器年耗電量(單相電抗器年耗電量乘以3)約為:

根據(jù)以上計(jì)算，1#總降壓電抗器每年消耗約2743.26MWh(約274萬度)，可見，電抗器本身電能損耗很大，增加了工廠供電成本。

4.2 電抗器電能損耗的解決措施

解決電抗器電能損耗最有效的措施就是取消電抗器。貴冶二系統(tǒng)6kV饋線的主保護(hù)應(yīng)用了基于SEL351－6繼電器平臺(tái)上的光纖縱聯(lián)保護(hù)，它是以國際領(lǐng)先的鏡像位技術(shù)為基礎(chǔ)，確保在影響供電系統(tǒng)穩(wěn)定性的故障發(fā)生時(shí)，能迅速、可靠的切除故障線路。1#總降壓可以借鑒貴冶二系統(tǒng)6kV饋線保護(hù)的成功經(jīng)驗(yàn)，在取消饋線電抗器的情況下，既能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，又可徹底解決電抗器帶來的電能損耗。但就貴冶一系統(tǒng)供電現(xiàn)狀分析，可以采取逐步取消電抗器方式，因?yàn)槿∠娍蛊鞅仨毺岣邤嗦菲鞣謹(jǐn)嗳萘?，同時(shí)匹配饋線繼電保護(hù)裝置。1#總降壓6kV饋線斷路器均能滿足無電抗器下的分?jǐn)嗳萘?，并?kV新系統(tǒng)開關(guān)配置的SEL351－6繼電保護(hù)裝置也能滿足保護(hù)的要求，車間高壓配電室在今后改造換型中可以逐步完善，最終實(shí)現(xiàn)保護(hù)取代電抗器的供電方式，如閃速爐一配改造完后，就可以取消電抗器[5]。

5 結(jié)語

電能是工廠正常生產(chǎn)的基礎(chǔ)，電費(fèi)是生產(chǎn)成本重要組成部分，而降低電能損耗在工廠節(jié)能降耗中起著至關(guān)重要的作用，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義[6]。貴冶1#總降壓變電站建于八十年代，具有供電系統(tǒng)接線復(fù)雜，設(shè)備老化、劣化較嚴(yán)重等現(xiàn)狀，那么在確保工廠安全供電的同時(shí)，降低電能損耗也是提高供電技術(shù)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，同時(shí)也是提高工廠經(jīng)濟(jì)效益的重要手段和有效途徑。

[1]DL686－1999T.中華人民共和國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電力網(wǎng)電能損耗計(jì)算導(dǎo)則[S].

[2]張宏煒，俞建育，盧婧婧，等.電力網(wǎng)電能損耗管理的功率因數(shù)考核指標(biāo)探討[J].華東電力，2010(1):107－108.

[3]徐建.淺論變電站無功功率補(bǔ)償[C].河南有色金屬學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.鄭州:河南省有色金屬學(xué)會(huì)主辦，2013.

[4]Q/CSG.中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)線損理論計(jì)算技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[5]姚繼強(qiáng).淺談鏡像位光纖縱聯(lián)保護(hù)原理及改進(jìn)[J].銅業(yè)工程，2009(S)刊:247－253.

[6]能源節(jié)能(1990)1149號(hào).國家電力公司電力網(wǎng)電能損耗管理規(guī)定[S].