姚 嵐 國網(wǎng)安徽省電力公司電力科學研究院

鑄造企業(yè)供配電系統(tǒng)節(jié)能改造技術

姚 嵐 國網(wǎng)安徽省電力公司電力科學研究院

探討了鑄造類企業(yè)供配電系統(tǒng)的節(jié)能改造技術，以實際供配電系統(tǒng)為例，按照供配電系統(tǒng)設計改造的“三性”原則，即可靠性、靈活性和經(jīng)濟性原則，對企業(yè)供配電系統(tǒng)進行多元優(yōu)化改造。通過對已有供配電系統(tǒng)的設備及運行狀況的全面分析，指出供配電系統(tǒng)中負荷分配不合理、非線性負荷等問題，提出編制負荷調整及潮流優(yōu)化方案，詳細分析非線性諧波影響并提出治理非線性諧波方案，定制更換個性化參數(shù)節(jié)能型變壓器，并實現(xiàn)供配電系統(tǒng)運行的在線監(jiān)測與分析，對同類企業(yè)的供配電系統(tǒng)節(jié)能改造極具參考價值。

供配電系統(tǒng)；節(jié)能；非線性負荷；諧波；節(jié)能型變壓器

節(jié)能減排為我國基本國策，綠色發(fā)展、循環(huán)經(jīng)濟是當今社會實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的唯一途徑。在當前國家對大氣污染大力治理形勢下，國務院頒布的《大氣污染防治行動計劃》、《2014-2015年節(jié)能減排低碳發(fā)展行動方案》，順應環(huán)境及政策要求，改造或淘汰老舊耗能設備，使用先進節(jié)能設備，加強節(jié)能減排，是用能單位須應盡的社會責任和義務。同時也可幫助用能單位，降低運營成本，提升服務品質，提升市場競爭力。

國內多數(shù)鑄造企業(yè)主要用能設備多為大功率中頻感應爐，存在容量大、負荷波動大、諧波大等特點。按照供配電系統(tǒng)設計改造的“三性”原則，即可靠性、靈活性和經(jīng)濟性原則，對企業(yè)供配電系統(tǒng)進行多元優(yōu)化改造，即通過對企業(yè)供配電系統(tǒng)設備及運行狀況進行全面分析，根據(jù)負荷特性編制負荷調整及潮流優(yōu)化[1]方案、定制及更換個性化參數(shù)的節(jié)能型變壓器[2]，治理諧波、提升能效，并實現(xiàn)供配電系統(tǒng)運行在線監(jiān)測與分析。本文以某鑄造企業(yè)為案例，探討節(jié)能改造技術。

1 現(xiàn)有供配電系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

供電系統(tǒng)由兩個變電站組成：一號變電站由2臺S9-8000 kVA/35kV的油浸式變壓器組成；二號變電站由一臺S9-20000 kVA/35 kV的油浸式變壓器組成。兩個變電站的35kV及10 kV一次系統(tǒng)圖見圖1-圖6。

從圖1-圖6可以看出，該套供配電系統(tǒng)具有以下特點：

（1）供電系統(tǒng)設備分散，不易進行負荷分配

供電系統(tǒng)由一期和二期兩個變電站組成，相互獨立運行。兩個變電站共有3臺變壓器，3臺變壓器分列運行。這就造成負荷不易合理分配，難以充分發(fā)揮供電能力。

（2）單臺用電設備功率大，不易進行負荷分配

原來的用電設備共有3套8 000 kVA左右的中頻爐整流系統(tǒng)，1套4 000 kVA中頻爐整流系統(tǒng)。單臺設備的容量過大，很能合理地進行負荷分配給3臺分列運行的變壓器，也會造成供電能力的浪費。

（3）大部分用電負荷為非線性負荷，產(chǎn)生大量諧波

圖1 35 kV變電一站高壓電網(wǎng)圖-35 kV開關柜（329開關線）

圖2 35 kV變電一站高壓電網(wǎng)圖-10 kV開關柜Ⅱ段（329開關線）

圖3 35 kV變電一站高壓電網(wǎng)圖-10 kV開關柜二車間電爐變壓器段（329開關線）

圖4 35 kV變電一站高壓電網(wǎng)圖-10 kV開關柜Ι段（332開關線）

圖5 35 kV變電二站高壓電網(wǎng)圖-35 kV開關柜（332開關線）

圖6 35 kV變電二站高壓電網(wǎng)圖-10 kV開關柜（332開關線）

非線性負荷產(chǎn)生大量諧波，由于諧波造成的變壓器鐵芯中的磁通量的減少和變壓器繞組中導線的集膚效應加大，變壓器鐵損、銅損增大的同時，存在噪聲高、發(fā)熱嚴重等問題，且易形成惡性循環(huán)[3]。同時由于以上兩方面的損耗增加，變壓器的實際使用容量大幅減少。

1.2 存在的問題

（1）供配電容量不足

該企業(yè)因政府環(huán)保要求及企業(yè)質量控制等原因，已將沖天爐改為中頻爐。中頻爐功率約為7 000 kW，加上輔機、除塵等設備，新增用電容量將增加約9 000 kW。原有的供電系統(tǒng)的供電余量約為4 000 kVA，若要帶起約9 000 kW的新增負荷，需進行增容配電變壓器及其配套設備，急需改善現(xiàn)有供配電系統(tǒng)。

（2）非線性負荷大

主要用電負荷為中頻感應爐，會產(chǎn)生大量諧波。中頻感應爐整流器采用三相（或12相）橋式全控整流電路，如圖7。中頻發(fā)生器采用單相橋式并聯(lián)逆變電路，如圖8。

從圖7、圖8電路可以看出，中頻爐為非線性用電設備，在工作中會產(chǎn)生大量諧波[4]。

由于企業(yè)為了降低生產(chǎn)成本，未安裝抑制諧波的技術設施。中頻感應爐在鐵熔化期產(chǎn)生大幅電壓波動和閃變并產(chǎn)生諧波和負序分量，由于此類爐的整流電路由大功率板式可控硅組成，其成為諧波產(chǎn)生的源頭。中頻爐在10 kV配電系統(tǒng)中數(shù)量最多，是危害最大的諧波源，可引起電壓波動和閃變[5]。

用戶非線性設備接入電網(wǎng)后，向電網(wǎng)反饋諧波電流，并通過阻抗產(chǎn)生諧波過電壓，導致電網(wǎng)的電壓、電流波形畸變，造成了電網(wǎng)供電質量下降，用電設備發(fā)熱量增加，電網(wǎng)線損增加，進而使得配變發(fā)熱嚴重，嚴重影響其使用壽命，直接對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行造成隱患。清除供配電系統(tǒng)中的高次諧波，將諧波分量控制在國家標準之內，對改于保證供電質量、確保電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟運行具有十分重要的意義。

圖7 中頻感應爐整流器橋式全控整流電路

圖8 中頻發(fā)生器單相橋式并聯(lián)逆變電路

2 節(jié)能改造技術方案

2.1 諧波治理

（1）采用無源濾波器加以抑制

無源濾波器安裝在中頻爐的的交流側[6]，由L、R、C元件構成諧振回路，當諧振回路的諧振頻率與某一諧波頻率相同或相近時，即可阻止該頻率的諧波進入電網(wǎng)。

（2）采用有源濾波器加以抑制

綜上所述，污水處理廠想要做好節(jié)能降耗工作，需要從工藝、設備、管理以及能源等方面著手，多措并舉，在保證水質達標的前提下，降低能源的消耗，實現(xiàn)節(jié)能的目標。

利用可控的功率半導體器件，向電網(wǎng)中輸入與原有的諧波電流幅度相等相位相反的電流，使電網(wǎng)中的總諧波電流趨向于零，達到實時補償諧波的目的[7]。

（3）通過加裝靜止無功補償裝置加以抑制

在諧波源處并聯(lián)加裝靜止無功補償裝置[8]，可以有效減少波動的諧波量，同時，也可以抑制電壓波動、電壓閃變，還可以補償功率因數(shù)。

2.2 用電系統(tǒng)改造

包括線路優(yōu)化，廠內輸電優(yōu)化，配電支線路補償，就地補償，進行電能平衡和提高電能利用率等。通過實施技術方案，可以使供電電壓更加平穩(wěn)，降低電耗的同時，較好地解決閃邊造成的電壓波動問題。該方案不僅可使用電設備供電節(jié)電技術對用電系統(tǒng)的用電量降低，還能使供電系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

2.3 設計更換節(jié)能型變壓器

節(jié)能變壓器是一臺3繞組變壓器，由一個原邊繞組和2個副邊繞組構成。原邊采用三角形聯(lián)接，2個副邊繞組聯(lián)接方法不同，一個采用三角形聯(lián)接，另一個采用星型聯(lián)接（見圖9）。3個繞組的匝比為：31/2/35:31/2:1。保證變壓器的輸出電壓為1:1。即2個副邊繞組輸出電壓一樣，但相位不一樣，相差30°角。Dy11接法的副邊輸出電壓比Dd0接法副邊輸出電壓超前30°角。

圖9 高效節(jié)能變壓器繞組

經(jīng)測算，兩個副邊因整流產(chǎn)生的5、7、17、19……在原邊相互抵消，變壓器原邊輸入電流理論上只含有12 k±1（k為正整數(shù)）次諧波。其諧波總量比單副邊繞組輸出變壓器產(chǎn)生的6k±1（k為正整數(shù)）次諧波大幅減小，即電網(wǎng)測電流的基波因數(shù)得到了大幅度提高。，相應的，電網(wǎng)功率因數(shù)和電能質量也有較大的提高，更有利于電網(wǎng)健康運行。同時由于諧波量減低，變壓器的鐵損和銅損也將相應降低。

其中一組繞組10 kV出線，能夠滿足大部分原來2號變電站20 000 kVA普通變壓器所帶用電設備的用電需求；另一組繞組10 kV出線，能夠同時滿足剩余小部分2號變電站的用電負荷及新增的9 000 kVA的中頻爐及輔助設備負荷，無需另行增容。

為降低電耗，對2組10 kV配電柜出線繞組的負荷進行相應調整，使負荷平衡，從而另變壓器損耗和線路損耗達到最小。

2.4 負荷調整及潮流優(yōu)化

優(yōu)化電力系統(tǒng)潮流，滿足各種安全性約束的條件下，合理安排電力系統(tǒng)運行方式，使總的運行費用最少或其他的目標(如網(wǎng)損等)最優(yōu)。由于用電負荷多為非線性，會產(chǎn)生大量諧波。如果從供電源頭上解決諧波對電網(wǎng)的影響，將會起到事半功倍的效果。將2號變電站主變壓器設計成3繞組，2組不同組別的出線繞組，會大大擬制諧波，負荷容易分配，帶負荷能力增強，變壓器損耗減小。

新的供電系統(tǒng)（見圖10）可使供電更加均衡，系統(tǒng)更加平穩(wěn)，不僅能夠保證原有用電負荷，還能滿足新增的約9 000 kW用電負荷，實現(xiàn)多供少損。

所有用電設備最后都可以等效成一個綜合負載。綜合負載能夠反映企業(yè)的設備特性、用電狀況、運行工況和用電特性。根據(jù)綜合負載耗電功率與供電參數(shù)繪制負載曲線，找出最佳經(jīng)濟運行參數(shù)，據(jù)此進行調整。調整后，企業(yè)用電量理論上將降低約5%～10%。

圖10 新的35 kV變電二站高壓電網(wǎng)圖-35 kV開關柜（332開關線）

圖11 原有副邊繞組一（三角形接法）負荷分配

2.5 供配電系統(tǒng)運行在線監(jiān)測分析

對供配電設備加裝家裝無線監(jiān)控系統(tǒng)，針對供配電系統(tǒng)中的變配電環(huán)節(jié)，利用現(xiàn)代計算機控制技術、通信技術和網(wǎng)絡技術等，采用抗干擾能力強的通訊設備及智能電力儀表，配合供配電監(jiān)控管理軟件，實現(xiàn)的系統(tǒng)的監(jiān)控和管理。

采用變配電無線監(jiān)控系統(tǒng)進行監(jiān)測管理，連接智能電力監(jiān)控儀表、帶有智能接口的低壓斷路器、中壓綜合保護繼電器、變壓器、直流屏等設備，實現(xiàn)遙控、遙測、遙信功能，對系統(tǒng)各種運行開關量狀態(tài)和電量參數(shù)進行實時采集和顯示，完整掌握變配電系統(tǒng)的實時運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)故障并做出相應的決策和處理。值班管理人員根據(jù)變配電系統(tǒng)的運行情況進行負荷分析，合理調度、遠控合分閘、躲峰填谷，實現(xiàn)對變配電系統(tǒng)的現(xiàn)代化運行管理。

變配電無線監(jiān)控系統(tǒng)對電能質量可以隨時隨地在線監(jiān)測重點用戶的電能質量狀況，如：電壓偏差、頻率偏差、三相不平衡度、諧波、電壓波動和閃變、暫態(tài)分量等，并可以實現(xiàn)電能質量歷史記錄的保存、查詢，方便企業(yè)對電能質量的分析、評估和管理，能在供配電系統(tǒng)和用電設備運行失效之前，捕獲到其早期的故障信息，以便在故障發(fā)生之前，提醒企業(yè)對供、用電設備的運行狀態(tài)進行調整和預防檢修。對于提高電力系統(tǒng)供電的安全性、可靠性和經(jīng)濟性，保證用電設備的正常工作和生產(chǎn)的持續(xù)高效。

3 節(jié)能效益分析

3.1 直接經(jīng)濟效益

技術改造后，新的專用節(jié)能型變壓器及新的供配電系統(tǒng)，能夠節(jié)約企業(yè)用電量的5～10%，節(jié)能效益約為（原用電設備及準備新增的用電設備電費月均550萬元左右）：

550×（5%～10%）=27.5～55萬元，年節(jié)約效益約330～660萬元。

技術改造后，企業(yè)無需再通過增容方式解決現(xiàn)有供配電問題，可節(jié)省增容部分對應的基本電費約180萬元/年（5 000 kVA*30元/kVA·月*12個月）。

3.2 間接效益

技術改造后，企業(yè)無需通過增容或者關停其他設備避峰的方式保證新增設備穩(wěn)定運行，其供配電系統(tǒng)可滿足各種生產(chǎn)需求，保證了生產(chǎn)的連續(xù)性和飽滿度。

新的專用節(jié)能變壓器為S11系列變壓器，變壓器自身損耗較低，設備壽命、性能及運行狀況較原有變壓器有較大提升，將為企業(yè)帶來以下間接效益：

安全：供配電系統(tǒng)簡化，安全性能提高，運維費用降低。

簡單：運行方式簡化，容易實現(xiàn)負荷平衡，運維簡單。

高效：負荷特性優(yōu)化、電網(wǎng)沖擊減少、配電設備簡化、設備利用效率提高。

4 結語

大力研究和推廣企業(yè)供配電節(jié)能技術，對提升企業(yè)能效、節(jié)約能源資源具有非常重要的意義。本文在對某鑄造企業(yè)供配電系統(tǒng)特點深入分析的基礎上，提出了該系統(tǒng)的節(jié)能改造技術方案，符合鑄造類企業(yè)的用能管理要求，節(jié)能目標明確，節(jié)能效果良好，對同類企業(yè)具有很好的參考和借鑒價值。

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Energy Conservation Renovation Technology of Foundry Enterprise Power Supply and Distribution System

Yao Lan
State Grid Anhui Province Electrical Power Company Electric Power Science Research Institute

The article discusses energy conservation renovation technology of foundry enterprise power supply and distribution system. It takes example of real power supply and distribution system, according to basic design principles, such as reliability, flexibility and economy, it carries out multiple optimal renovation of power supply and distribution system. Through comprehensive analysis of existing power supply equipment and operation condition, it points out that there are unreasonable load distribution and nonlinear load problems. It puts forward load regulation and power flow optimization solution, which analyzes nonlinear harmonic effects and proposes handling nonlinear harmonic measures, which replaces old ones with customized energy saving transformer with personalized parameter. It realizes real-time monitoring and analysis on power supply and distribution system and gives energy conservation renovation reference to same enterprise’s power supply and distribution system.

Power Supply and Distribution System, Energy Saving, Nonlinear Load, Harmonic, Energy Saving Type Transformer

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.12.010