工厂110kV变电站电能损耗分析及节能措施

姚继强

(江西铜业集团公司贵溪冶炼厂，江西 贵溪 335424)

1 引言

变电站电能损耗，是指电网电能经导线、开关、变压器以及电抗器等供电设备传输至用户的过程中所产生的电能消耗和损失[1]。贵冶1#总降压110kV变电站(以下简称1#总降压)承担着贵冶一系统生产和生活安全供电的重任，2012年总供电量已突破7.5亿度，其中电能损耗(不包括1#总降压至各车间电抗器损耗和线损)约600万度，电能损耗巨大，给工厂带来了极大的生产成本，降低电能损耗为工厂节能降耗起着至关重要的作用，具有重大的现实意义。影响电能损耗的因素主要有功率因数、变压器损耗、线路电抗器损耗以及线路损耗等，但就贵冶一系统供配电现状，降低电能损耗的可行措施主要集中在提高功率因数和取消线路电抗器两个方面。

2 供电系统简介

1#总降压电源由铜城变电站经两条110kV线路供入，站内有四台110kV变6kV主变压器，其中容量50MVA和31.5MVA变压器各两台。6kV系统有馈线约50条，经高压电抗器供电给工厂各个车间配电室，以确保生产生活用电。1#总降压供电系统简图详见图1。

3 功率因数与节能降耗

3.1 功率因数与电能损耗关系

功率因数即有功功率与视在功率的比值，可见在视在功率不变的前提下，有功功率越大，无功功率越小，功率因数就越高。电力用户的功率因数是检查和考核线损管理的指标标准，而大用户的无功功率对线损的影响甚大。车间装设了并联电容器，负荷功率因数从cosφ1提高到cosφ2，当输送的有功功率和电压不变时，供电线路和变压器的损耗有所降低[2]。

图1 1#总降压供电系统简图

其降低百分数

供电线路有功功率损耗减少的数值

变压器铜耗减少值

式中:P为输送有功功率，kW;U为线路电压，kV;R为线路电阻，Ω;ΔPcur为变压器额定铜损，kW;S1为变压器运行负荷，kVA;S2为变压器额定容量，kVA。

1#总降压供电负荷随着一系统电解负荷逐年增加而增加，而6kV系统功率因数随之偏低，其中功率因数偏低最为突出的是电解1#线，平均功率约3700kW，线路阻抗约0.015Ω，平均功率因数在0.75左右，若提高至0.95，根据公式1可计算出供电线路和变压器的损耗降低百分数:

根据公式2可计算出供电线路有功功率损耗减少的数值:

3#主变额定容量 50000kVA，运行负荷40000kVA，额定铜损178.8kW，若线路功率因数0.75提高至 0.95，则主变功率因数 0.9 提高至0.95，根据公式3，可计算出3#主变铜耗减少值为:

则3#主变电量年(一年按365天计算)消耗减少值为:

由以上计算结果可知，功率因数的提高对降低供电线路及主变损耗效果极其明显。

3.2 提高功率因数的措施

结合贵冶生产实际，并考虑投资小等特点，提高功率因数最有效最直接办法就是无功补偿。根据厂内无功负荷分布的特点，按照无功功率就地补偿的原则，应采用以分散补偿和集中补偿相结合的补偿方式，更好地实现降低工厂供电网络电能损耗的目的。分散补偿就是对分散的配电变压器以及分散的用户感性负荷进行分散就地补偿，集中补偿就是对主变压器、输电线、配电线在变电站的主变压器二次侧进行集中补偿。

贵冶补偿模式是在1#总降压变电站进行集中补偿，在各车间配电网络进行分散补偿，在各车间分散补偿模式除了能降低变压器损耗，也能更好的降低供电线路电能损耗，因此这种模式更节能。无功补偿主要来自电容器补偿、静止无功补偿、高次谐波滤波器、高压同步机及透平发电机等五个方面。其中高压同步机及透平发电机主要是以生产为主，补偿为辅，并且补偿量基本恒定，要想增加或更换基本不可能。而电容器补偿、静止无功补偿及高次谐波滤波器具有投资小，施工简单，降低电能损耗明显等特点。

综上所述，适合贵冶实际无功补偿措施有:

(1)电容器无功补偿，就是把具有容性功率负荷的装置和感性功率负荷并联在同一电容器上，能量在两种负荷间相互转换。优点:接线简单、运行维护工作量小，使无功就地平衡，从而提高配变利用率，降低网损，具有较高的经济性。1#总降压变电站采用了电容器高压集中补偿，而车间配电室也可用低压电力电容器进行个别补偿或集中补偿，这样可以合理地提高了用户的功率因数，避免功率因数降低导致电费的增加。

(2)高次谐波滤波器，就是滤除电力系统中某一次或多次谐波的装置，其可减少VDS及其他类似的3相6脉冲整流负载产生的所有的主要谐波电流。优点:减少了注入系统的谐波损耗，从而节约了电能，效率＞99%，消除谐波后改善了整个系统的功率因数。贵冶二系统变频器设备应用较多，产生谐波也较多，2#总降压采用了谐波滤波器，有效消除了谐波，改善了功率因数。

(3)静止无功补偿 (简称SVC)，就是将可控的电抗器和电力电容器 (固定或分组投切)并联使用，通过对电抗器进行调节，可以使整个装置平滑地从发出无功功率改变到吸收无功功率 (或反向进行)，并且响应快速。静止无功补偿器在低压供配电系统中广泛应用于电压调整、改善电压水平、减少电压波动、改善功率因数、抑制电压闪变、平衡不对称负荷，静止无功补偿器配套的滤波器能吸收谐波和减小谐波干扰等，其中静止无功发生器 (简称 SVG)就是一种无功电流源，通过PWM脉宽调制控制技术，使其发出无功功率，呈容性;或者吸收无功功率，呈感性，因SVG技术发展较快，将来有取代SVC的趋势。工厂在今后的无功补偿上，也可以考虑应用SVG[3]。

4 电抗器与电能损耗关系

4.1 电抗器电能损耗

1#总降压每条6kV馈线装设电抗器加上常规电流保护，用以限制系统短路电流，提高系统可靠性，每年将有大量电能消耗在电抗器本身，造成电能极大的浪费。

若整条线路包括两端，共有m个阻波器，每个额定电流为Iri(kA)，额定损耗为Pri(MW)，则电流Ijf(kA)流过m个阻波器流的电能损耗为[4]:

1#总降压运行的三相限流电抗器总共55台，电抗率为4% ～8%，电抗率取平均值6%，额定电流分两种:额定电流1000A，额定损耗14.385kW，共37条馈线;额定电流2000A，额定损耗22.728kW，共18条馈线。计算时馈线实际负荷取电抗器额定电流的1/3，根据公式4，可计算出单相电抗器年耗电量:

额定电流为1000A电抗器每年(一年按365天计算)消耗电量:

额定电流为2000A电抗器每年(一年按365天计算)消耗电量:

那么，1#总降压运行的三相电抗器年耗电量(单相电抗器年耗电量乘以3)约为:

根据以上计算，1#总降压电抗器每年消耗约2743.26MWh(约274万度)，可见，电抗器本身电能损耗很大，增加了工厂供电成本。

4.2 电抗器电能损耗的解决措施

解决电抗器电能损耗最有效的措施就是取消电抗器。贵冶二系统6kV馈线的主保护应用了基于SEL351－6继电器平台上的光纤纵联保护，它是以国际领先的镜像位技术为基础，确保在影响供电系统稳定性的故障发生时，能迅速、可靠的切除故障线路。1#总降压可以借鉴贵冶二系统6kV馈线保护的成功经验，在取消馈线电抗器的情况下，既能保证系统的稳定性，又可彻底解决电抗器带来的电能损耗。但就贵冶一系统供电现状分析，可以采取逐步取消电抗器方式，因为取消电抗器必须提高断路器分断容量，同时匹配馈线继电保护装置。1#总降压6kV馈线断路器均能满足无电抗器下的分断容量，并且6kV新系统开关配置的SEL351－6继电保护装置也能满足保护的要求，车间高压配电室在今后改造换型中可以逐步完善，最终实现保护取代电抗器的供电方式，如闪速炉一配改造完后，就可以取消电抗器[5]。

5 结语

电能是工厂正常生产的基础，电费是生产成本重要组成部分，而降低电能损耗在工厂节能降耗中起着至关重要的作用，具有重大的现实意义[6]。贵冶1#总降压变电站建于八十年代，具有供电系统接线复杂，设备老化、劣化较严重等现状，那么在确保工厂安全供电的同时，降低电能损耗也是提高供电技术的一项重要指标，同时也是提高工厂经济效益的重要手段和有效途径。

[1]DL686－1999T.中华人民共和国电力行业标准电力网电能损耗计算导则[S].

[2]张宏炜，俞建育，卢婧婧，等.电力网电能损耗管理的功率因数考核指标探讨[J].华东电力，2010(1):107－108.

[3]徐建.浅论变电站无功功率补偿[C].河南有色金属学术年会论文集.郑州:河南省有色金属学会主办，2013.

[4]Q/CSG.中国南方电网有限责任公司企业标准线损理论计算技术标准[S].

[5]姚继强.浅谈镜像位光纤纵联保护原理及改进[J].铜业工程，2009(S)刊:247－253.

[6]能源节能(1990)1149号.国家电力公司电力网电能损耗管理规定[S].