宝钢低压电网无功当量分析

王志坤

（宝山钢铁股份有限公司炼铁厂 上海 200941）

1 前言

国家发展改革委、国家能源局十分重视电网的节能降损工作。将电网节能降损工作提升到国家战略地位。在此形势下，开展电网节能降损分析和对策研究，对降低电能损耗，提高能源利用率和电网运行的经济性具有重要意义。钢铁企业是电能消耗的大户，例如宝钢用电占上海市全社会用电的8%左右，占上海市工业用电量的16%左右。降低电网损耗方面应当走在社会前列。

降低电网损耗一般采取增加无功补偿装置的方式或者是包括增加无功补偿装置的综合治理［1，2］。无功补偿经济性评价的依据是无功经济当量，其含义是供配电系统中每减少单位无功功率引起的系统有功功率损耗下降量［3］。

在宝钢，炼铁工序电耗占全厂电耗25%以上，烧结工序电耗占炼铁各工序电耗的30%以上。由于历史原因，炼铁有部分400V变压器功率因数偏低，是不是需要补偿，一直存在争议。根据国标GB／T36571－2018表B.1典型无功补偿位置的无功经济当量值，配电变压器无功当量取8%～10%［3］。以此为依据的话，对这些变压器进行无功补偿，具有非常显著的经济效益，当年即可收回投资。

但是宝钢这样的大型工矿企业电网与社会电网有显著的不同，这里引入电耗密度的概念，即单位面积每年耗电量，用以比较电网负载差异。如表1所示选取代表特大工矿企业、特大都市、经济发达省份、能源重化工省份，进行电耗密度计算及对比。

表1 部分典型地区的年耗电量、面积及电耗密度

宝钢的电耗密度是上海市平均值的24倍，江苏省平均值的100倍，山西省平均值的415倍。电耗密度虽然和无功当量没有直接关系，但至少也说明了宝钢企业电网在国家电网中是一个比较极端的存在，各级配电所距负荷中心相对近，输电线路短。用通用的无功当量估算表计算节能效益，是不合适的。

一般企业电费采用二部制电费计价，变压器容量直接关系到电费，变压器容量和实际用电量较匹配。大型企业内部电网，不存在这个问题，往往考虑将来的发展，变压器容量选择较大。另外宝钢厂内各用户普遍采用双回路供电制，正常运行时线路及变压器的负荷率低。根据焦耳公式，输电线路的损耗与线路电阻及电流的平方成正比，类似宝钢这样的企业电网，线路短、线径粗、负荷低（电流小），电网的损耗比较低，致使无功经济当量偏小。简单电网可以按参考文献［5］直接计算线路损耗和变压器铜损减少的方法，宝钢除了市网、自备电厂供电外还有多给余能回收发电，无功补偿投运后会引起全网拓扑参数的变化，不宜采用这种方法计算。

选取一个典型样本对宝钢低压电网的无功当量进行分析计算，是一件非常有意义的事。负载以电动机、通用变频器、电阻加热器、照明、检修等为主的一般动力变压器，是宝钢主要的低压用电负荷。宝钢仅铁区就有300多个一般动力变压器，一个简单明确的无功经济当量估算方法，对于下一步节能工作的推进有重要的指导作用。

2 烧结典型系统结构

电力系统潮流计算是研究电力系统稳态运行情况的一种基本电气计算。它的任务是根据给定的运行条件和网络结构确定整个系统的运行状态，如各母线上的电压（幅值及相角）、网络中的功率分布以及功率损耗等。电力系统潮流计算的结果是电力系统稳定计算和故障分析的基础。在电网规划阶段，通过潮流计算，合理规划电源容量及接入点，合理规划网架，选择无功补偿方案，满足规划水平的大、小方式下潮流交换控制、调峰、调相、调压的要求。在编制年运行方式时，在预计负荷增长及新设备投运基础上，选择典型方式进行潮流计算，发现电网中薄弱环节，供调度员日常调度控制参考，并对规划、基建部门提出改进网架结构，加快基建进度的建议。正常检修及特殊运行方式下的潮流计算，用于日运行方式的编制，指导发电厂开机方式，有功、无功调整方案及负荷调整方案，满足线路、变压器热稳定要求及电压质量要求。预想事故、设备退出运行对静态安全的影响分析及做出预想的运行方式调整方案［6］。在这里用来计算网络的功率损耗以及无功当量。

目前，四烧结区域3TM、4TM、7TM、8TM四台变压器功率因数相对较低，这里计算其无功经济当量分析节能潜力。对于电缆及10kV变压器参数，参照相关手册选取。

图1 供电单线系统示意图

3 BPA系统建模及计算

BPA程序是美国联邦政府能源部下属邦纳维尔电力局（Bonneville Power Administration）计算方法开发组开发的大型电力系统离线分析程序。该程序采用稀疏矩阵技巧的牛顿－拉夫逊法，并将梯形积分法运用于暂态稳定的计算，形成较为稳定的数值解。这里使用中国电力科学研究院在引进的基础上，经过消化吸收，开发的暂态稳定性程序PSD－BPA（Power System Dynamic－BPA）。

表2 功率因数偏低变压器负荷一览表

根据前述资料，在BPA中搭建仿真系统，如图2所示。

图2 典型潮流图

系统各点电压降非常小，与文献［1，2］中的典型社会电网不同，没有电网综合治理的需要，仅需对无功功率的治理进行分析。

4 无功当量计算

根据：

式中：KQ—无功经济当量；

P—有功功率；

Q—无功功率；

U—电压；

R—电阻。

所有变量采用标幺值。计算变压器0.4kV侧节点无功当量如表3所示。

表3 无功经济当量计算表

选取KQ最大的8T变压器为例，无功341千乏，假设安装低压补偿300千乏。降低损耗300×0.008936＝2.681千瓦；一年损耗小时数按8760小时计，节省电量8760×2.681＝23483度，折合电费23483×0.71＝16673元。300千乏低压静止无功补偿器投资单价按300元／千乏计，总投资9万元，需要5.39年收回投资。有投资价值，但经济性比较一般。

5 分散式补偿经济性分析

烧结区域适合分散补偿的场合不多，四烧结仅有水处理电气室没有变压器从邻近配电室取电，有分散补偿的需求。水道电气室从4T变压器取电，电缆为双拼240，长度170米，平均工作电流365安培，无功117千伏安。电缆阻抗为0.046＋0.044j欧姆／公里，则该电缆阻抗实际值4.89＋4.67jPU。KQ＝0.005804＋0.001144＝0.0625。假定低压静止无功补偿器配置容量120千乏，则减少损耗2.064千瓦。则一年节约电量18080度，节约电费10848元。投资约3.6万元，2.8年收回投资。经济性非常好，但效益总额不高。

6 影响无功补偿当量主要因素

影响无功补偿当量的主要有因素有二，一是待补偿的无功，二是补偿点短路阻抗电阻分量标幺值。前者不用细说，后者主要取决于补偿点距离系统电源的电气距离。一般而言，离终端负载越近，电压等级越低，对于同样参数的物理电缆，电阻标幺值越大，无功补偿当量越大。

根据线路电阻标幺值计算公式：

式中：R*—线路电阻标幺值，Ω；

R—线路电阻有名值，Ω；

Sj—基准容量，MVA；

Uj—基准电压，kV。对于阻抗有名值相同的电缆，标幺值大小反比于基准电压的平方，低压0.4千伏系统的标幺值是10千伏系统标幺值的690倍，3千伏系统的标幺值是10千伏系统的11.1倍。

根据变压器阻抗标幺值计算公式：

式中：Z*—变压器电抗标幺值，Ω；

UK—线路变压器短路阻抗，%；

Sj—基准容量，MVA；

Uj—基准电压，kV；

SN—变压器容量，MVA。

变压器阻抗标幺值和变压器容量成反比，同理变压器电阻也和容量成反比。

待补偿的无功功率大，变压器的容量小，无功补偿经济当量大。可以理解为，变压器的负荷率高，功率因数低，无功补偿都是经济当量大。

7 结论

无功补偿的经济当量正比于补偿点短路阻抗电阻分量标幺值。离电源点越远，电压等级越低，无功经济当量越大。

无功补偿的经济当量和变压器的负荷率近似成正比，负荷率越高，无功经济当量越大。

10千伏变压器低压侧补偿的主要为10千伏及以上系统的损耗，电阻标幺值较小，经济当量也较小；在高负荷率，高无功功率的场合，无功经济当量相对较高，增加无功补偿装置有一定的经济效益；在变压器低压侧集中补偿，与在高压侧补偿无功经济当量相差不大，由于高压无功补偿价格低只有低压的四分之一左右，可以考虑高压无功补偿。

若在具备分散补偿的条件，补偿的主要为低压电缆的损耗，电阻标幺值较10千伏及以上系统有数量级的提高，经济效益突出。