袁顯能

（寶鋼股份能環(huán)部，上海 200941）

引言

電力變壓器、輸電線路等作為供配電系統(tǒng)中電能變換及輸送過(guò)程中的重要設(shè)備，在給負(fù)載傳輸電能的同時(shí)，會(huì)造成其自身發(fā)熱，產(chǎn)生能源損耗。

一般來(lái)說(shuō)，其損耗與設(shè)備的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、負(fù)載情況和因素等有關(guān)。以熱軋2050 水處理電力系統(tǒng)為例，結(jié)合實(shí)際工況，分析通過(guò)優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行方式，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行的途徑。

1 熱軋2050水處理電力系統(tǒng)現(xiàn)狀

熱軋2050 水處理電力系統(tǒng)為2050 熱軋水處理設(shè)備供電，按電壓等級(jí)可分為6 kV 高壓系統(tǒng)和400 V 低壓系統(tǒng)。高壓6 kV 系統(tǒng)由1 臺(tái)容量為20 MVA、電壓為35/6.3 kV 主變及相關(guān)高壓配電裝置、一套3.51 MVar 無(wú)功補(bǔ)償裝置（濾波）、6 臺(tái)動(dòng)力變壓器及2臺(tái)照明變壓器等設(shè)備組成，低壓400 V配電裝置分為三組，其中兩組動(dòng)力配電系統(tǒng)均采用單母線三分段方式，分段母線間設(shè)置有兩只母聯(lián)開關(guān)；一組照明配電系統(tǒng)采用單母線二分段的方式，設(shè)有一只母聯(lián)開關(guān)。其系統(tǒng)圖見圖1所示。

圖1 熱軋2050水處理電力系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

基于以上電力系統(tǒng)，針對(duì)實(shí)際運(yùn)行工況，圍繞減少運(yùn)行變壓器數(shù)量、優(yōu)化動(dòng)力變負(fù)荷分配、優(yōu)化無(wú)功補(bǔ)償投切模式等方面進(jìn)行分析，以減少系統(tǒng)中變壓器運(yùn)行總損耗為目標(biāo)，探討實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行途徑。

2 動(dòng)力及照明變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式分析

為了分析系統(tǒng)運(yùn)行情況，正常生產(chǎn)中對(duì)該系統(tǒng)動(dòng)力變及照明變低壓側(cè)電流數(shù)據(jù)進(jìn)行了一次抄表，其數(shù)據(jù)見表1所列。

從表1數(shù)據(jù)可以看出，2臺(tái)照明變壓器負(fù)載率非常低，均低于5%，接近于空載運(yùn)行。6 臺(tái)動(dòng)力變?nèi)我鈨膳_(tái)變壓器負(fù)載之和均不超過(guò)單臺(tái)的100%。故兩組動(dòng)力變和一組照明變均可退出1 臺(tái)（共3 臺(tái)）變壓器運(yùn)行，負(fù)載能力能滿足日常生產(chǎn)的要求。

表1 運(yùn)行中抄表數(shù)據(jù)

接下來(lái)分析動(dòng)力配電系統(tǒng)每組在2臺(tái)變壓器運(yùn)行模式下，其最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式。根據(jù)變壓器損耗公式，其損耗ΔP 與空載損耗P0、短路損耗PK及負(fù)載率α有關(guān)[1]，如下式：

ΔP=P0+α2×PK

故2臺(tái)變壓器的總損耗可由以下方程組來(lái)進(jìn)行描述：

式中，ΔP——兩臺(tái)變壓器總損耗；

ΔP1、ΔP2——單臺(tái)變壓器損耗；

P01、P02——單臺(tái)變壓器空載損耗；

PK1、PK2——單臺(tái)變壓器短路損耗；

α、β——變壓器短路負(fù)載率；

S——兩臺(tái)變壓器總負(fù)載；

S1、S2——單臺(tái)變壓器負(fù)載。

為了求出使總損耗ΔP取最小值時(shí)負(fù)載分配情況，對(duì)總損耗ΔP關(guān)于一臺(tái)變壓器的負(fù)載S1求導(dǎo)，并令其值為0，即

解出上式，得

以上負(fù)荷分配模式即基于運(yùn)行能耗最低的最優(yōu)化動(dòng)力變負(fù)荷分配策略，稱之為經(jīng)濟(jì)運(yùn)行點(diǎn)。在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行點(diǎn)，2臺(tái)變壓器負(fù)荷的分配與2臺(tái)短路損耗及容量比的平方相關(guān)，當(dāng)2臺(tái)變壓器參數(shù)相同時(shí)，上式可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為

S1＝S2＝0.5S

以上結(jié)論表明，當(dāng)某工序負(fù)荷由2 臺(tái)相同變壓器供電時(shí)，通過(guò)調(diào)整運(yùn)行設(shè)備，使2臺(tái)變壓器負(fù)荷盡可能均衡分布，能使2臺(tái)變壓器運(yùn)行總損耗最低，達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行目的。在工程設(shè)計(jì)階段，應(yīng)分析系統(tǒng)負(fù)載特點(diǎn)，使投運(yùn)后2臺(tái)變壓器負(fù)荷盡量均衡。

3 無(wú)功補(bǔ)償裝置經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式分析

無(wú)功補(bǔ)償裝置是電力系統(tǒng)常用的電氣設(shè)備，通過(guò)補(bǔ)償系統(tǒng)無(wú)功消耗，能提高系統(tǒng)電壓、降低系統(tǒng)損耗，從而提高系統(tǒng)效率。同時(shí)，串聯(lián)一定電抗率的電抗器，能夠消除系統(tǒng)諧波，從而提高電源質(zhì)量。但是，無(wú)功補(bǔ)償裝置投用不當(dāng)，反而會(huì)加劇系統(tǒng)有功損耗。目前，無(wú)功補(bǔ)償裝置一般是利用電壓、無(wú)功功率、功率因素或時(shí)間等條件進(jìn)行投切[2]。

從降低系統(tǒng)（主變）損耗的角度，分析無(wú)功補(bǔ)償裝置基于有功功率的經(jīng)濟(jì)投切模式。

在無(wú)功補(bǔ)償裝置不投入時(shí)，設(shè)主變損耗為?P1，在無(wú)功補(bǔ)償裝置投入時(shí)，設(shè)主變損耗為?P2，則兩種運(yùn)行模式下，主變損耗分別表示為：

式中，?P1、?P2——主變?cè)跓o(wú)功補(bǔ)償裝置投入前后變壓器損耗；

P0——主變空載損耗；

PK——主變短路損耗（當(dāng)線路比較長(zhǎng)、損耗大時(shí)，可包括線路在主變額定負(fù)載時(shí)損耗）；

A——無(wú)功補(bǔ)償裝置未投入運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)功率因素角；

P——主變有功負(fù)載；

QN——無(wú)功補(bǔ)償裝置容量；

SN——主變額定容量。

為了在投入無(wú)功補(bǔ)償裝置后，能產(chǎn)生降低系統(tǒng)損耗效果，則無(wú)功補(bǔ)償投入的條件為

?P2-?P1<0

解以上不等式，得

上式即為基于能耗指標(biāo)的無(wú)功補(bǔ)償裝置投切策略，滿足上述條件的無(wú)功補(bǔ)償裝置投入，能夠產(chǎn)生節(jié)能效益，反之會(huì)增加系統(tǒng)損耗。針對(duì)2050水處理6 kV 高壓系統(tǒng)，在正常運(yùn)行情況下，對(duì)部分運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了記錄，見表2。

表2 6 kV系統(tǒng)運(yùn)行中抄表數(shù)據(jù)

基于以上數(shù)據(jù)，計(jì)算了當(dāng)無(wú)功補(bǔ)償裝置不投入時(shí)，系統(tǒng)相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)見表3。

表3 無(wú)功補(bǔ)償不投入時(shí)，計(jì)算數(shù)據(jù)

該作業(yè)線處于低負(fù)荷模式，如定修、年修、換輥等生產(chǎn)模式時(shí)，其有功負(fù)載大約1 600 kW，低于所計(jì)算的2 740 kW，按照以上結(jié)論，在此工況下，投運(yùn)無(wú)功補(bǔ)償裝置，會(huì)造成系統(tǒng)有功損耗加大，故在該工況下，無(wú)功補(bǔ)償裝置應(yīng)退出運(yùn)行。該系統(tǒng)主要為異步電動(dòng)機(jī)負(fù)載，在各種負(fù)荷工況下，其功率因素比較穩(wěn)定，單純按照功率因素條件進(jìn)行投切是不合理的。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析，可得出如下結(jié)論：減少低負(fù)荷運(yùn)行變壓器數(shù)量、基于最優(yōu)化動(dòng)力變負(fù)荷分配策略、基于能耗指標(biāo)的無(wú)功補(bǔ)償裝置投切策略等，可有效減少電力系統(tǒng)有功損耗，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行效率，具有一定的推廣價(jià)值。