杜振華 嚴(yán)少剛 張暢樂

（中海油節(jié)能環(huán)保服務(wù)有限公司）

石油、化工企業(yè)屬于高能耗企業(yè)，在“雙碳”的發(fā)展背景下，節(jié)能降碳是企業(yè)走綠色發(fā)展道路的必然路徑。近些年隨著節(jié)能型設(shè)備和節(jié)能技改措施在石油、化工企業(yè)的大范圍推廣，企業(yè)的二氧化碳排放逐步減少。但是，企業(yè)也面臨著節(jié)能空間不斷萎縮的困境。供配電系統(tǒng)通過優(yōu)化改造可以降低變壓器和線路的損耗，而在工程實(shí)際中變更變壓器選址、更換配電電纜以及更換低損耗變壓器的工程難度以及經(jīng)濟(jì)性不是非常理想。因此通過改善配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量以降低變壓器和線路損耗成為了企業(yè)節(jié)能的新路徑。

1 目前電能質(zhì)量?jī)?yōu)化措施

電能質(zhì)量的指標(biāo)包括電壓偏差、頻率偏差、三相電壓不平衡、電壓波動(dòng)與閃變、電壓暫降與短時(shí)電壓中斷、供電中斷、波形畸變、暫時(shí)過電壓和瞬態(tài)過電壓[1-3]。電能質(zhì)量一方面明確了供電的保障能力，另一方面對(duì)電能的波形幅值、頻率、諧波含量以及三相配電的平衡度做出了要求，而后者是實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)節(jié)能的主要優(yōu)化目標(biāo)[4]。

1.1 穩(wěn)壓

石油、化工企業(yè)的主要能耗設(shè)備是機(jī)泵，因此應(yīng)滿足電動(dòng)機(jī)端子電壓偏差（不超過5%）的要求。要滿足末端設(shè)備供電電壓偏差要求，在滿足供電半徑的前提下，變壓器二次側(cè)的輸出電壓應(yīng)滿足下式（1）要求：

式中：U2為變壓器二次側(cè)電壓，V；Un為配電網(wǎng)標(biāo)稱電壓，V；L為供電半徑，m；In為線路電流，A；ro為單線單位長(zhǎng)度電阻，Ω/m；xo為單線單位長(zhǎng)度電抗，Ω/m；φ為功率因數(shù)角，°。

在滿足供電半徑要求的情況下，二次側(cè)實(shí)際電壓與期望電壓在任意時(shí)刻t的差值趨近于0，則滿足穩(wěn)壓要求，即：

目前常用的穩(wěn)壓、調(diào)壓措施有變壓器、有載調(diào)壓和無功補(bǔ)償。但是從實(shí)際測(cè)量結(jié)果來看，部分企業(yè)的實(shí)際穩(wěn)壓情況并不理想。

1.2 諧波治理

對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻控制是近些年石油、化工企業(yè)主要采取的節(jié)能措施之一。但是變頻器的大量使用也導(dǎo)致了配電網(wǎng)諧波的大量增加。系統(tǒng)中的諧波不但會(huì)與無功補(bǔ)償裝置發(fā)生諧振，引發(fā)安全事故，同時(shí)還會(huì)增加損耗。對(duì)于變壓器而言諧波畸變率越高，則溫升越高，容量下降也越明顯。此外，諧波的存在還會(huì)使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生附加損耗以及機(jī)械振動(dòng)，嚴(yán)重影響電動(dòng)機(jī)壽命。

考慮集膚效應(yīng)時(shí)，導(dǎo)體的各次諧波阻抗表述為

式中：rn為n次諧波電流所對(duì)應(yīng)的電阻，Ω；r1為基波電流所對(duì)應(yīng)的電阻，Ω。

在諧波作用下會(huì)引起變壓器的繞組附加損耗、鐵芯磁滯附加損耗、鐵芯渦流附加損耗、電纜的導(dǎo)體附加損耗、介質(zhì)附加損耗、電容器的介質(zhì)損耗以及電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子附加損耗、定子附加損耗、雜散損耗。通常在同等諧波電流的作用下，變壓器的附加損耗最為嚴(yán)重，電纜的諧波附件損耗次之。通過治理諧波，實(shí)現(xiàn)的節(jié)能量可以表述為：

式中：ΔPΣT為節(jié)能量，kW；P1為負(fù)載功率，kW；γ1為基波損耗率，%；為諧波抑制前各次諧波電流與基波電流比值，%；HRIn為諧波抑制后各次諧波電流與基波電流比值，%。

近些年，APF 在配電系統(tǒng)大量應(yīng)用，使得總諧波大幅降低，但APF 本身屬于耗能設(shè)備，從節(jié)能的角度來看，應(yīng)該采取能耗更低的諧波治理措施。

1.3 無功補(bǔ)償

通過無功補(bǔ)償?shù)姆绞娇梢蕴岣吖β室驍?shù)，從而進(jìn)一步降低線路和變壓器的銅損。

1）提高功率因數(shù)減少的功率損耗表述為：

式中：ΔP為節(jié)能量，kW；P為配電線路有功功率，kW；U為線電壓，V；R為輸電線路導(dǎo)線每相電阻，Ω；cosφ1為無功補(bǔ)充前的功率因數(shù)；cosφ2為無功補(bǔ)充后的功率因數(shù)。

2）提高功率因數(shù)減少的變壓器有功功率表述為：

式中：P2為變壓器負(fù)荷側(cè)輸出功率，kW；SNT為變壓器額定容量，kVA；PK為變壓器額定負(fù)荷時(shí)的有功功率損耗，kW。

無功補(bǔ)償裝置已經(jīng)在配電系統(tǒng)大量應(yīng)用，但依據(jù)實(shí)際的測(cè)試結(jié)果，部分企業(yè)仍然存在補(bǔ)償不到位的情況，因此應(yīng)進(jìn)一步提升補(bǔ)償度以降低損耗[4]。

1.4 調(diào)整三相電壓不平衡

電力系統(tǒng)中的三相電壓不平衡主要是由負(fù)荷不平衡和三相阻抗不對(duì)稱引起的，其中負(fù)荷的不平衡是最主要的原因[5-6]。當(dāng)存在嚴(yán)重的三相不平衡時(shí)，會(huì)使變壓器容量不能得到充分利用，同時(shí)還會(huì)使線路中因流過負(fù)序電流而產(chǎn)生附加損耗。

三相電壓不平衡往往是企業(yè)最容易忽視的問題，最行之有效的方法是對(duì)荷進(jìn)行合理的再分配或加裝三相平衡裝置。

2 節(jié)能措施應(yīng)用

通過對(duì)多個(gè)企業(yè)配電系統(tǒng)電能質(zhì)量參數(shù)的測(cè)試發(fā)現(xiàn)，電壓穩(wěn)定性仍然欠缺，在變頻器使用較多的場(chǎng)合，總諧波值超出國(guó)標(biāo)要求的5%，此外功率因數(shù)補(bǔ)償不到位以及三相不平衡也是最為常見的問題。

為了解決以上電能質(zhì)量問題，研究開發(fā)了集穩(wěn)壓、調(diào)壓、諧波治理、動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償、動(dòng)態(tài)調(diào)整三相不平衡的電能質(zhì)量?jī)?yōu)化節(jié)能裝置。串聯(lián)于市電網(wǎng)與配電柜之間。

在某廠安裝了200 kVA 的電能質(zhì)量?jī)?yōu)化節(jié)能設(shè)備，并對(duì)安裝前后進(jìn)行了24 h 的數(shù)據(jù)測(cè)量，設(shè)備投入前的基本電量參數(shù)見表1。

表1 基本電量參數(shù)

優(yōu)化節(jié)能裝置投入后，三相電壓參數(shù)對(duì)比表2，電壓時(shí)序見圖1。電壓波動(dòng)的偏差由超出國(guó)標(biāo)值變?yōu)榉蠂?guó)標(biāo)要求，三相電壓值分別下降11.25 V、11.00 V 和11.21 V，且波動(dòng)幅值大幅降低。

表2 電壓參數(shù)對(duì)比

圖1 三相電壓時(shí)序

電能質(zhì)量?jī)?yōu)化節(jié)能裝置投入前后的功率因數(shù)對(duì)比見表3，諧波畸變率對(duì)比見表4，三相不平衡電壓對(duì)比見表5。由表可見，電能質(zhì)量均由小幅改善。

表3 功率因數(shù)對(duì)比

表4 諧波畸變率對(duì)比 %

表5 三相不平衡電壓對(duì)比 %

在負(fù)載不變的情況下，對(duì)節(jié)能優(yōu)化設(shè)備投入前后分別進(jìn)行24 h 的功率數(shù)據(jù)測(cè)量，日耗電量由優(yōu)化前的2 478 kWh 下降到優(yōu)化后的2 331 kWh，節(jié)省147 kWh，測(cè)試節(jié)電率為5.9%，預(yù)測(cè)年節(jié)能量為53 655 kWh，預(yù)計(jì)年減排二氧化碳53.5 t。

3 結(jié)論

1）配電系統(tǒng)的節(jié)能需要多種節(jié)能措施同時(shí)實(shí)施才能獲得滿意的節(jié)能率，因此配電系統(tǒng)的節(jié)能潛力往往容易被企業(yè)忽視[7]。在配電系統(tǒng)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，通過加裝電能質(zhì)量?jī)?yōu)化的設(shè)備，能夠進(jìn)一步改善配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量狀況，從而降低變壓器和線路的損耗，同時(shí)對(duì)用電設(shè)備的附加損耗也能進(jìn)一步降低，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

2）實(shí)際案例的測(cè)試結(jié)果表明，通過對(duì)配電系統(tǒng)電能質(zhì)量的綜合優(yōu)化，達(dá)到了5.9%的節(jié)電率，節(jié)能效果顯著。由于節(jié)電率的高低依賴于系統(tǒng)的電能質(zhì)量狀況，電能質(zhì)量越好則節(jié)電率越低，因此在具體實(shí)施時(shí)應(yīng)先評(píng)估電能質(zhì)量的改善空間[8-10]。