工廠110kV變電站電能損耗分析及節能措施

姚繼強

(江西銅業集團公司貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424)

1 引言

變電站電能損耗，是指電網電能經導線、開關、變壓器以及電抗器等供電設備傳輸至用戶的過程中所產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)承擔著貴冶一系統生產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成本，降低電能損耗為工廠節能降耗起著至關重要的作用，具有重大的現實意義。影響電能損耗的因素主要有功率因數、變壓器損耗、線路電抗器損耗以及線路損耗等，但就貴冶一系統供配電現狀，降低電能損耗的可行措施主要集中在提高功率因數和取消線路電抗器兩個方面。

2 供電系統簡介

1#總降壓電源由銅城變電站經兩條110kV線路供入，站內有四臺110kV變6kV主變壓器，其中容量50MVA和31.5MVA變壓器各兩臺。6kV系統有饋線約50條，經高壓電抗器供電給工廠各個車間配電室，以確保生產生活用電。1#總降壓供電系統簡圖詳見圖1。

3 功率因數與節能降耗

3.1 功率因數與電能損耗關系

功率因數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，功率因數就越高。電力用戶的功率因數是檢查和考核線損管理的指標標準，而大用戶的無功功率對線損的影響甚大。車間裝設了并聯電容器，負荷功率因數從cosφ1提高到cosφ2，當輸送的有功功率和電壓不變時，供電線路和變壓器的損耗有所降低[2]。

圖1 1#總降壓供電系統簡圖

其降低百分數

供電線路有功功率損耗減少的數值

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為變壓器運行負荷，kVA;S2為變壓器額定容量，kVA。

1#總降壓供電負荷隨著一系統電解負荷逐年增加而增加，而6kV系統功率因數隨之偏低，其中功率因數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，平均功率因數在0.75左右，若提高至0.95，根據公式1可計算出供電線路和變壓器的損耗降低百分數:

根據公式2可計算出供電線路有功功率損耗減少的數值:

3#主變額定容量 50000kVA，運行負荷40000kVA，額定銅損178.8kW，若線路功率因數0.75提高至 0.95，則主變功率因數 0.9 提高至0.95，根據公式3，可計算出3#主變銅耗減少值為:

則3#主變電量年(一年按365天計算)消耗減少值為:

由以上計算結果可知，功率因數的提高對降低供電線路及主變損耗效果極其明顯。

3.2 提高功率因數的措施

結合貴冶生產實際，并考慮投資小等特點，提高功率因數最有效最直接辦法就是無功補償。根據廠內無功負荷分布的特點，按照無功功率就地補償的原則，應采用以分散補償和集中補償相結合的補償方式，更好地實現降低工廠供電網絡電能損耗的目的。分散補償就是對分散的配電變壓器以及分散的用戶感性負荷進行分散就地補償，集中補償就是對主變壓器、輸電線、配電線在變電站的主變壓器二次側進行集中補償。

貴冶補償模式是在1#總降壓變電站進行集中補償，在各車間配電網絡進行分散補償，在各車間分散補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，因此這種模式更節能。無功補償主要來自電容器補償、靜止無功補償、高次諧波濾波器、高壓同步機及透平發電機等五個方面。其中高壓同步機及透平發電機主要是以生產為主，補償為輔，并且補償量基本恒定，要想增加或更換基本不可能。而電容器補償、靜止無功補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。

綜上所述，適合貴冶實際無功補償措施有:

(1)電容器無功補償，就是把具有容性功率負荷的裝置和感性功率負荷并聯在同一電容器上，能量在兩種負荷間相互轉換。優點:接線簡單、運行維護工作量小，使無功就地平衡，從而提高配變利用率，降低網損，具有較高的經濟性。1#總降壓變電站采用了電容器高壓集中補償，而車間配電室也可用低壓電力電容器進行個別補償或集中補償，這樣可以合理地提高了用戶的功率因數，避免功率因數降低導致電費的增加。

(2)高次諧波濾波器，就是濾除電力系統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脈沖整流負載產生的所有的主要諧波電流。優點:減少了注入系統的諧波損耗，從而節約了電能，效率＞99%，消除諧波后改善了整個系統的功率因數。貴冶二系統變頻器設備應用較多，產生諧波也較多，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。

(3)靜止無功補償 (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)并聯使用，通過對電抗器進行調節，可以使整個裝置平滑地從發出無功功率改變到吸收無功功率 (或反向進行)，并且響應快速。靜止無功補償器在低壓供配電系統中廣泛應用于電壓調整、改善電壓水平、減少電壓波動、改善功率因數、抑制電壓閃變、平衡不對稱負荷，靜止無功補償器配套的濾波器能吸收諧波和減小諧波干擾等，其中靜止無功發生器 (簡稱 SVG)就是一種無功電流源，通過PWM脈寬調制控制技術，使其發出無功功率，呈容性;或者吸收無功功率，呈感性，因SVG技術發展較快，將來有取代SVC的趨勢。工廠在今后的無功補償上，也可以考慮應用SVG[3]。

4 電抗器與電能損耗關系

4.1 電抗器電能損耗

1#總降壓每條6kV饋線裝設電抗器加上常規電流保護，用以限制系統短路電流，提高系統可靠性，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。

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

1#總降壓運行的三相限流電抗器總共55臺，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。計算時饋線實際負荷取電抗器額定電流的1/3，根據公式4，可計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天計算)消耗電量:

額定電流為2000A電抗器每年(一年按365天計算)消耗電量:

那么，1#總降壓運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:

根據以上計算，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6kV饋線的主保護應用了基于SEL351－6繼電器平臺上的光纖縱聯保護，它是以國際領先的鏡像位技術為基礎，確保在影響供電系統穩定性的故障發生時，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6kV饋線保護的成功經驗，在取消饋線電抗器的情況下，既能保證系統的穩定性，又可徹底解決電抗器帶來的電能損耗。但就貴冶一系統供電現狀分析，可以采取逐步取消電抗器方式，因為取消電抗器必須提高斷路器分斷容量，同時匹配饋線繼電保護裝置。1#總降壓6kV饋線斷路器均能滿足無電抗器下的分斷容量，并且6kV新系統開關配置的SEL351－6繼電保護裝置也能滿足保護的要求，車間高壓配電室在今后改造換型中可以逐步完善，最終實現保護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 結語

電能是工廠正常生產的基礎，電費是生產成本重要組成部分，而降低電能損耗在工廠節能降耗中起著至關重要的作用，具有重大的現實意義[6]。貴冶1#總降壓變電站建于八十年代，具有供電系統接線復雜，設備老化、劣化較嚴重等現狀，那么在確保工廠安全供電的同時，降低電能損耗也是提高供電技術的一項重要指標，同時也是提高工廠經濟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標準電力網電能損耗計算導則[S].

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

[3]徐建.淺論變電站無功功率補償[C].河南有色金屬學術年會論文集.鄭州:河南省有色金屬學會主辦，2013.

[4]Q/CSG.中國南方電網有限責任公司企業標準線損理論計算技術標準[S].

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

[6]能源節能(1990)1149號.國家電力公司電力網電能損耗管理規定[S].