寶鋼低壓電網無功當量分析

王志坤

（寶山鋼鐵股份有限公司煉鐵廠 上海 200941）

1 前言

國家發展改革委、國家能源局十分重視電網的節能降損工作。將電網節能降損工作提升到國家戰略地位。在此形勢下，開展電網節能降損分析和對策研究，對降低電能損耗，提高能源利用率和電網運行的經濟性具有重要意義。鋼鐵企業是電能消耗的大戶，例如寶鋼用電占上海市全社會用電的8%左右，占上海市工業用電量的16%左右。降低電網損耗方面應當走在社會前列。

降低電網損耗一般采取增加無功補償裝置的方式或者是包括增加無功補償裝置的綜合治理［1，2］。無功補償經濟性評價的依據是無功經濟當量，其含義是供配電系統中每減少單位無功功率引起的系統有功功率損耗下降量［3］。

在寶鋼，煉鐵工序電耗占全廠電耗25%以上，燒結工序電耗占煉鐵各工序電耗的30%以上。由于歷史原因，煉鐵有部分400V變壓器功率因數偏低，是不是需要補償，一直存在爭議。根據國標GB／T36571－2018表B.1典型無功補償位置的無功經濟當量值，配電變壓器無功當量取8%～10%［3］。以此為依據的話，對這些變壓器進行無功補償，具有非常顯著的經濟效益，當年即可收回投資。

但是寶鋼這樣的大型工礦企業電網與社會電網有顯著的不同，這里引入電耗密度的概念，即單位面積每年耗電量，用以比較電網負載差異。如表1所示選取代表特大工礦企業、特大都市、經濟發達省份、能源重化工省份，進行電耗密度計算及對比。

表1 部分典型地區的年耗電量、面積及電耗密度

寶鋼的電耗密度是上海市平均值的24倍，江蘇省平均值的100倍，山西省平均值的415倍。電耗密度雖然和無功當量沒有直接關系，但至少也說明了寶鋼企業電網在國家電網中是一個比較極端的存在，各級配電所距負荷中心相對近，輸電線路短。用通用的無功當量估算表計算節能效益，是不合適的。

一般企業電費采用二部制電費計價，變壓器容量直接關系到電費，變壓器容量和實際用電量較匹配。大型企業內部電網，不存在這個問題，往往考慮將來的發展，變壓器容量選擇較大。另外寶鋼廠內各用戶普遍采用雙回路供電制，正常運行時線路及變壓器的負荷率低。根據焦耳公式，輸電線路的損耗與線路電阻及電流的平方成正比，類似寶鋼這樣的企業電網，線路短、線徑粗、負荷低（電流小），電網的損耗比較低，致使無功經濟當量偏小。簡單電網可以按參考文獻［5］直接計算線路損耗和變壓器銅損減少的方法，寶鋼除了市網、自備電廠供電外還有多給余能回收發電，無功補償投運后會引起全網拓撲參數的變化，不宜采用這種方法計算。

選取一個典型樣本對寶鋼低壓電網的無功當量進行分析計算，是一件非常有意義的事。負載以電動機、通用變頻器、電阻加熱器、照明、檢修等為主的一般動力變壓器，是寶鋼主要的低壓用電負荷。寶鋼僅鐵區就有300多個一般動力變壓器，一個簡單明確的無功經濟當量估算方法，對于下一步節能工作的推進有重要的指導作用。

2 燒結典型系統結構

電力系統潮流計算是研究電力系統穩態運行情況的一種基本電氣計算。它的任務是根據給定的運行條件和網絡結構確定整個系統的運行狀態，如各母線上的電壓（幅值及相角）、網絡中的功率分布以及功率損耗等。電力系統潮流計算的結果是電力系統穩定計算和故障分析的基礎。在電網規劃階段，通過潮流計算，合理規劃電源容量及接入點，合理規劃網架，選擇無功補償方案，滿足規劃水平的大、小方式下潮流交換控制、調峰、調相、調壓的要求。在編制年運行方式時，在預計負荷增長及新設備投運基礎上，選擇典型方式進行潮流計算，發現電網中薄弱環節，供調度員日常調度控制參考，并對規劃、基建部門提出改進網架結構，加快基建進度的建議。正常檢修及特殊運行方式下的潮流計算，用于日運行方式的編制，指導發電廠開機方式，有功、無功調整方案及負荷調整方案，滿足線路、變壓器熱穩定要求及電壓質量要求。預想事故、設備退出運行對靜態安全的影響分析及做出預想的運行方式調整方案［6］。在這里用來計算網絡的功率損耗以及無功當量。

目前，四燒結區域3TM、4TM、7TM、8TM四臺變壓器功率因數相對較低，這里計算其無功經濟當量分析節能潛力。對于電纜及10kV變壓器參數，參照相關手冊選取。

圖1 供電單線系統示意圖

3 BPA系統建模及計算

BPA程序是美國聯邦政府能源部下屬邦納維爾電力局（Bonneville Power Administration）計算方法開發組開發的大型電力系統離線分析程序。該程序采用稀疏矩陣技巧的牛頓－拉夫遜法，并將梯形積分法運用于暫態穩定的計算，形成較為穩定的數值解。這里使用中國電力科學研究院在引進的基礎上，經過消化吸收，開發的暫態穩定性程序PSD－BPA（Power System Dynamic－BPA）。

表2 功率因數偏低變壓器負荷一覽表

根據前述資料，在BPA中搭建仿真系統，如圖2所示。

圖2 典型潮流圖

系統各點電壓降非常小，與文獻［1，2］中的典型社會電網不同，沒有電網綜合治理的需要，僅需對無功功率的治理進行分析。

4 無功當量計算

根據：

式中：KQ—無功經濟當量；

P—有功功率；

Q—無功功率；

U—電壓；

R—電阻。

所有變量采用標幺值。計算變壓器0.4kV側節點無功當量如表3所示。

表3 無功經濟當量計算表

選取KQ最大的8T變壓器為例，無功341千乏，假設安裝低壓補償300千乏。降低損耗300×0.008936＝2.681千瓦；一年損耗小時數按8760小時計，節省電量8760×2.681＝23483度，折合電費23483×0.71＝16673元。300千乏低壓靜止無功補償器投資單價按300元／千乏計，總投資9萬元，需要5.39年收回投資。有投資價值，但經濟性比較一般。

5 分散式補償經濟性分析

燒結區域適合分散補償的場合不多，四燒結僅有水處理電氣室沒有變壓器從鄰近配電室取電，有分散補償的需求。水道電氣室從4T變壓器取電，電纜為雙拼240，長度170米，平均工作電流365安培，無功117千伏安。電纜阻抗為0.046＋0.044j歐姆／公里，則該電纜阻抗實際值4.89＋4.67jPU。KQ＝0.005804＋0.001144＝0.0625。假定低壓靜止無功補償器配置容量120千乏，則減少損耗2.064千瓦。則一年節約電量18080度，節約電費10848元。投資約3.6萬元，2.8年收回投資。經濟性非常好，但效益總額不高。

6 影響無功補償當量主要因素

影響無功補償當量的主要有因素有二，一是待補償的無功，二是補償點短路阻抗電阻分量標幺值。前者不用細說，后者主要取決于補償點距離系統電源的電氣距離。一般而言，離終端負載越近，電壓等級越低，對于同樣參數的物理電纜，電阻標幺值越大，無功補償當量越大。

根據線路電阻標幺值計算公式：

式中：R*—線路電阻標幺值，Ω；

R—線路電阻有名值，Ω；

Sj—基準容量，MVA；

Uj—基準電壓，kV。對于阻抗有名值相同的電纜，標幺值大小反比于基準電壓的平方，低壓0.4千伏系統的標幺值是10千伏系統標幺值的690倍，3千伏系統的標幺值是10千伏系統的11.1倍。

根據變壓器阻抗標幺值計算公式：

式中：Z*—變壓器電抗標幺值，Ω；

UK—線路變壓器短路阻抗，%；

Sj—基準容量，MVA；

Uj—基準電壓，kV；

SN—變壓器容量，MVA。

變壓器阻抗標幺值和變壓器容量成反比，同理變壓器電阻也和容量成反比。

待補償的無功功率大，變壓器的容量小，無功補償經濟當量大。可以理解為，變壓器的負荷率高，功率因數低，無功補償都是經濟當量大。

7 結論

無功補償的經濟當量正比于補償點短路阻抗電阻分量標幺值。離電源點越遠，電壓等級越低，無功經濟當量越大。

無功補償的經濟當量和變壓器的負荷率近似成正比，負荷率越高，無功經濟當量越大。

10千伏變壓器低壓側補償的主要為10千伏及以上系統的損耗，電阻標幺值較小，經濟當量也較小；在高負荷率，高無功功率的場合，無功經濟當量相對較高，增加無功補償裝置有一定的經濟效益；在變壓器低壓側集中補償，與在高壓側補償無功經濟當量相差不大，由于高壓無功補償價格低只有低壓的四分之一左右，可以考慮高壓無功補償。

若在具備分散補償的條件，補償的主要為低壓電纜的損耗，電阻標幺值較10千伏及以上系統有數量級的提高，經濟效益突出。