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程中的重要設(shè)備，在給負(fù)載傳輸電能的同時，會造成其自身發(fā)熱，產(chǎn)生能源損耗。

一般來說，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)合實際工況，分析通過優(yōu)化系統(tǒng)運行方式，實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能運行的途徑。

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 無功補償裝置（濾波）、6 臺動力變壓器及2臺照明變壓器等設(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)簡圖

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

2 動力及照明變壓器經(jīng)濟(jì)運行模式分析

為了分析系統(tǒng)運行情況，正常生產(chǎn)中對該系統(tǒng)動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臺照明變壓器負(fù)載率非常低，均低于5%，接近于空載運行。6 臺動力變?nèi)我鈨膳_變壓器負(fù)載之和均不超過單臺的100%。故兩組動力變和一組照明變均可退出1 臺（共3 臺）變壓器運行，負(fù)載能力能滿足日常生產(chǎn)的要求。

表1 運行中抄表數(shù)據(jù)

接下來分析動力配電系統(tǒng)每組在2臺變壓器運行模式下，其最佳經(jīng)濟(jì)運行模式。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臺變壓器的總損耗可由以下方程組來進(jìn)行描述：

式中，ΔP——兩臺變壓器總損耗；

ΔP1、ΔP2——單臺變壓器損耗；

P01、P02——單臺變壓器空載損耗；

PK1、PK2——單臺變壓器短路損耗；

α、β——變壓器短路負(fù)載率；

S——兩臺變壓器總負(fù)載；

S1、S2——單臺變壓器負(fù)載。

為了求出使總損耗ΔP取最小值時負(fù)載分配情況，對總損耗ΔP關(guān)于一臺變壓器的負(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行能耗最低的最優(yōu)化動力變負(fù)荷分配策略，稱之為經(jīng)濟(jì)運行點。在經(jīng)濟(jì)運行點，2臺變壓器負(fù)荷的分配與2臺短路損耗及容量比的平方相關(guān)，當(dāng)2臺變壓器參數(shù)相同時，上式可進(jìn)一步簡化為

S1＝S2＝0.5S

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

3 無功補償裝置經(jīng)濟(jì)運行模式分析

無功補償裝置是電力系統(tǒng)常用的電氣設(shè)備，通過補償系統(tǒng)無功消耗，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，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，無功補償裝置投用不當(dāng)，反而會加劇系統(tǒng)有功損耗。目前，無功補償裝置一般是利用電壓、無功功率、功率因素或時間等條件進(jìn)行投切[2]。

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

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

式中，?P1、?P2——主變在無功補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、損耗大時，可包括線路在主變額定負(fù)載時損耗）；

A——無功補償裝置未投入運行時，系統(tǒng)功率因素角；

P——主變有功負(fù)載；

QN——無功補償裝置容量；

SN——主變額定容量。

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

?P2-?P1<0

解以上不等式，得

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

表2 6 kV系統(tǒng)運行中抄表數(shù)據(jù)

基于以上數(shù)據(jù)，計算了當(dāng)無功補償裝置不投入時，系統(tǒng)相關(guān)運行數(shù)據(jù)見表3。

表3 無功補償不投入時，計算數(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，其有功負(fù)載大約1 600 kW，低于所計算的2 740 kW，按照以上結(jié)論，在此工況下，投運無功補償裝置，會造成系統(tǒng)有功損耗加大，故在該工況下，無功補償裝置應(yīng)退出運行。該系統(tǒng)主要為異步電動機(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

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