鑄造企業(yè)供配電系統(tǒng)節(jié)能改造技術(shù)

姚 嵐 國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司電力科學(xué)研究院

鑄造企業(yè)供配電系統(tǒng)節(jié)能改造技術(shù)

姚 嵐 國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司電力科學(xué)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(shù)，以實(shí)際供配電系統(tǒng)為例，按照供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)改造的“三性”原則，即可靠性、靈活性和經(jīng)濟(jì)性原則，對(duì)企業(yè)供配電系統(tǒng)進(jìn)行多元優(yōu)化改造。通過(guò)對(duì)已有供配電系統(tǒng)的設(shè)備及運(yùn)行狀況的全面分析，指出供配電系統(tǒng)中負(fù)荷分配不合理、非線性負(fù)荷等問(wèn)題，提出編制負(fù)荷調(diào)整及潮流優(yōu)化方案，詳細(xì)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(gè)性化參數(shù)節(jié)能型變壓器，并實(shí)現(xiàn)供配電系統(tǒng)運(yùn)行的在線監(jiān)測(cè)與分析，對(duì)同類企業(yè)的供配電系統(tǒng)節(jié)能改造極具參考價(jià)值。

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

節(jié)能減排為我國(guó)基本國(guó)策，綠色發(fā)展、循環(huán)經(jīng)濟(jì)是當(dāng)今社會(huì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的唯一途徑。在當(dāng)前國(guó)家對(duì)大氣污染大力治理形勢(shì)下，國(guó)務(wù)院頒布的《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》、《2014-2015年節(jié)能減排低碳發(fā)展行動(dòng)方案》，順應(yīng)環(huán)境及政策要求，改造或淘汰老舊耗能設(shè)備，使用先進(jìn)節(jié)能設(shè)備，加強(qiáng)節(jié)能減排，是用能單位須應(yīng)盡的社會(huì)責(zé)任和義務(wù)。同時(shí)也可幫助用能單位，降低運(yùn)營(yíng)成本，提升服務(wù)品質(zhì)，提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

國(guó)內(nèi)多數(shù)鑄造企業(yè)主要用能設(shè)備多為大功率中頻感應(yīng)爐，存在容量大、負(fù)荷波動(dòng)大、諧波大等特點(diǎn)。按照供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)改造的“三性”原則，即可靠性、靈活性和經(jīng)濟(jì)性原則，對(duì)企業(yè)供配電系統(tǒng)進(jìn)行多元優(yōu)化改造，即通過(guò)對(duì)企業(yè)供配電系統(tǒng)設(shè)備及運(yùn)行狀況進(jìn)行全面分析，根據(jù)負(fù)荷特性編制負(fù)荷調(diào)整及潮流優(yōu)化[1]方案、定制及更換個(gè)性化參數(shù)的節(jié)能型變壓器[2]，治理諧波、提升能效，并實(shí)現(xiàn)供配電系統(tǒng)運(yùn)行在線監(jiān)測(cè)與分析。本文以某鑄造企業(yè)為案例，探討節(jié)能改造技術(shù)。

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(gè)變電站組成：一號(hào)變電站由2臺(tái)S9-8000 kVA/35kV的油浸式變壓器組成；二號(hào)變電站由一臺(tái)S9-20000 kVA/35 kV的油浸式變壓器組成。兩個(gè)變電站的35kV及10 kV一次系統(tǒng)圖見(jiàn)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(diǎn)：

（1）供電系統(tǒng)設(shè)備分散，不易進(jìn)行負(fù)荷分配

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

（2）單臺(tái)用電設(shè)備功率大，不易進(jìn)行負(fù)荷分配

原來(lái)的用電設(shè)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(tái)設(shè)備的容量過(guò)大，很能合理地進(jìn)行負(fù)荷分配給3臺(tái)分列運(yùn)行的變壓器，也會(huì)造成供電能力的浪費(fèi)。

（3）大部分用電負(fù)荷為非線性負(fù)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(guān)柜（329開關(guān)線）

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

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

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

圖5 35 kV變電二站高壓電網(wǎng)圖-35 kV開關(guān)柜（332開關(guān)線）

圖6 35 kV變電二站高壓電網(wǎng)圖-10 kV開關(guān)柜（332開關(guān)線）

非線性負(fù)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(dǎo)線的集膚效應(yīng)加大，變壓器鐵損、銅損增大的同時(shí)，存在噪聲高、發(fā)熱嚴(yán)重等問(wèn)題，且易形成惡性循環(huán)[3]。同時(shí)由于以上兩方面的損耗增加，變壓器的實(shí)際使用容量大幅減少。

1.2 存在的問(wèn)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(zhì)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(jī)、除塵等設(shè)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(fù)荷，需進(jìn)行增容配電變壓器及其配套設(shè)備，急需改善現(xiàn)有供配電系統(tǒng)。

（2）非線性負(fù)荷大

主要用電負(fù)荷為中頻感應(yīng)爐，會(huì)產(chǎn)生大量諧波。中頻感應(yīng)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(shè)備，在工作中會(huì)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(shù)設(shè)施。中頻感應(yīng)爐在鐵熔化期產(chǎn)生大幅電壓波動(dòng)和閃變并產(chǎn)生諧波和負(fù)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(dòng)和閃變[5]。

用戶非線性設(shè)備接入電網(wǎng)后，向電網(wǎng)反饋諧波電流，并通過(guò)阻抗產(chǎn)生諧波過(guò)電壓，導(dǎo)致電網(wǎng)的電壓、電流波形畸變，造成了電網(wǎng)供電質(zhì)量下降，用電設(shè)備發(fā)熱量增加，電網(wǎng)線損增加，進(jìn)而使得配變發(fā)熱嚴(yán)重，嚴(yán)重影響其使用壽命，直接對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，對(duì)改于保證供電質(zhì)量、確保電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有十分重要的意義。

圖7 中頻感應(yīng)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(shù)方案

2.1 諧波治理

（1）采用無(wú)源濾波器加以抑制

無(wú)源濾波器安裝在中頻爐的的交流側(cè)[6]，由L、R、C元件構(gòu)成諧振回路，當(dāng)諧振回路的諧振頻率與某一諧波頻率相同或相近時(shí)，即可阻止該頻率的諧波進(jìn)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(shè)備、管理以及能源等方面著手，多措并舉，在保證水質(zhì)達(dá)標(biāo)的前提下，降低能源的消耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)。

利用可控的功率半導(dǎo)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(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波的目的[7]。

（3）通過(guò)加裝靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置加以抑制

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

2.2 用電系統(tǒng)改造

包括線路優(yōu)化，廠內(nèi)輸電優(yōu)化，配電支線路補(bǔ)償，就地補(bǔ)償，進(jìn)行電能平衡和提高電能利用率等。通過(guò)實(shí)施技術(shù)方案，可以使供電電壓更加平穩(wěn)，降低電耗的同時(shí)，較好地解決閃邊造成的電壓波動(dòng)問(wèn)題。該方案不僅可使用電設(shè)備供電節(jié)電技術(shù)對(duì)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(shè)計(jì)更換節(jié)能型變壓器

節(jié)能變壓器是一臺(tái)3繞組變壓器，由一個(gè)原邊繞組和2個(gè)副邊繞組構(gòu)成。原邊采用三角形聯(lián)接，2個(gè)副邊繞組聯(lián)接方法不同，一個(gè)采用三角形聯(lián)接，另一個(gè)采用星型聯(lián)接（見(jiàn)圖9）。3個(gè)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(gè)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(cè)算，兩個(gè)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(cè)電流的基波因數(shù)得到了大幅度提高。，相應(yīng)的，電網(wǎng)功率因數(shù)和電能質(zhì)量也有較大的提高，更有利于電網(wǎng)健康運(yùn)行。同時(shí)由于諧波量減低，變壓器的鐵損和銅損也將相應(yīng)降低。

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

為降低電耗，對(duì)2組10 kV配電柜出線繞組的負(fù)荷進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，使負(fù)荷平衡，從而另變壓器損耗和線路損耗達(dá)到最小。

2.4 負(fù)荷調(diào)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(yùn)行方式，使總的運(yùn)行費(fèi)用最少或其他的目標(biāo)(如網(wǎng)損等)最優(yōu)。由于用電負(fù)荷多為非線性，會(huì)產(chǎn)生大量諧波。如果從供電源頭上解決諧波對(duì)電網(wǎng)的影響，將會(huì)起到事半功倍的效果。將2號(hào)變電站主變壓器設(shè)計(jì)成3繞組，2組不同組別的出線繞組，會(huì)大大擬制諧波，負(fù)荷容易分配，帶負(fù)荷能力增強(qiáng)，變壓器損耗減小。

新的供電系統(tǒng)（見(jiàn)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(fù)荷，還能滿足新增的約9 000 kW用電負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)多供少損。

所有用電設(shè)備最后都可以等效成一個(gè)綜合負(fù)載。綜合負(fù)載能夠反映企業(yè)的設(shè)備特性、用電狀況、運(yùn)行工況和用電特性。根據(jù)綜合負(fù)載耗電功率與供電參數(shù)繪制負(fù)載曲線，找出最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行參數(shù)，據(jù)此進(jìn)行調(diào)整。調(diào)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(guān)柜（332開關(guān)線）

圖11 原有副邊繞組一（三角形接法）負(fù)荷分配

2.5 供配電系統(tǒng)運(yùn)行在線監(jiān)測(cè)分析

對(duì)供配電設(shè)備加裝家裝無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)，針對(duì)供配電系統(tǒng)中的變配電環(huán)節(jié)，利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，采用抗干擾能力強(qiáng)的通訊設(shè)備及智能電力儀表，配合供配電監(jiān)控管理軟件，實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)的監(jiān)控和管理。

采用變配電無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)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(hù)繼電器、變壓器、直流屏等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)遙控、遙測(cè)、遙信功能，對(duì)系統(tǒng)各種運(yùn)行開關(guān)量狀態(tài)和電量參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和顯示，完整掌握變配電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并做出相應(yīng)的決策和處理。值班管理人員根據(jù)變配電系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行負(fù)荷分析，合理調(diào)度、遠(yuǎn)控合分閘、躲峰填谷，實(shí)現(xiàn)對(duì)變配電系統(tǒng)的現(xiàn)代化運(yùn)行管理。

變配電無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)電能質(zhì)量可以隨時(shí)隨地在線監(jiān)測(cè)重點(diǎn)用戶的電能質(zhì)量狀況，如：電壓偏差、頻率偏差、三相不平衡度、諧波、電壓波動(dòng)和閃變、暫態(tài)分量等，并可以實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量歷史記錄的保存、查詢，方便企業(yè)對(duì)電能質(zhì)量的分析、評(píng)估和管理，能在供配電系統(tǒng)和用電設(shè)備運(yùn)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(duì)供、用電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整和預(yù)防檢修。對(duì)于提高電力系統(tǒng)供電的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，保證用電設(shè)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(jì)效益

技術(shù)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(shè)備及準(zhǔn)備新增的用電設(shè)備電費(fèi)月均550萬(wàn)元左右）：

550×（5%～10%）=27.5～55萬(wàn)元，年節(jié)約效益約330～660萬(wàn)元。

技術(shù)改造后，企業(yè)無(wú)需再通過(guò)增容方式解決現(xiàn)有供配電問(wèn)題，可節(jié)省增容部分對(duì)應(yīng)的基本電費(fèi)約180萬(wàn)元/年（5 000 kVA*30元/kVA·月*12個(gè)月）。

3.2 間接效益

技術(shù)改造后，企業(yè)無(wú)需通過(guò)增容或者關(guān)停其他設(shè)備避峰的方式保證新增設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)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?yè)p耗較低，設(shè)備壽命、性能及運(yùn)行狀況較原有變壓器有較大提升，將為企業(yè)帶來(lái)以下間接效益：

安全：供配電系統(tǒng)簡(jiǎn)化，安全性能提高，運(yùn)維費(fèi)用降低。

簡(jiǎn)單：運(yùn)行方式簡(jiǎn)化，容易實(shí)現(xiàn)負(fù)荷平衡，運(yùn)維簡(jiǎn)單。

高效：負(fù)荷特性優(yōu)化、電網(wǎng)沖擊減少、配電設(shè)備簡(jiǎn)化、設(shè)備利用效率提高。

4 結(jié)語(yǔ)

大力研究和推廣企業(yè)供配電節(jié)能技術(shù)，對(duì)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(duì)某鑄造企業(yè)供配電系統(tǒng)特點(diǎn)深入分析的基礎(chǔ)上，提出了該系統(tǒng)的節(jié)能改造技術(shù)方案，符合鑄造類企業(yè)的用能管理要求，節(jié)能目標(biāo)明確，節(jié)能效果良好，對(duì)同類企業(yè)具有很好的參考和借鑒價(jià)值。

[1] 余運(yùn)俊,康利平,萬(wàn)曉鳳,聶曉華.配電網(wǎng)安裝新型節(jié)能變壓器的CDM項(xiàng)目效益研究[J].中國(guó)電力，2013,46(10):129-132

[2] 蘇文博,林焱,邵振國(guó).非線性負(fù)荷仿真模型及其對(duì)諧波計(jì)算的影響[J].供用電,2014,(12):42-46

[3] 熊虎崗,程浩忠,章文俊,高超.電力市場(chǎng)環(huán)境下的無(wú)功潮流優(yōu)化[J].高電壓技術(shù),2007,33(11):169-174

[4] 何利平,于良中. 無(wú)功補(bǔ)償兼濾波裝置在鑄造企業(yè)中的應(yīng)用[J].鑄造,2008, 57(12)：1301-1303

[5] 齊勇,江亞群,黃純,吳樂(lè)鵬. 諧波源和閃變?cè)吹淖R(shí)別算法[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2011,31(11):60 -68

[6] 王艷松,劉軍,李中樹. 配電網(wǎng)無(wú)緣濾波器的優(yōu)化配置[J].高電壓技術(shù),2010,36(9):2324-2328

[7] 楊榮輝. 配電室自動(dòng)化設(shè)備的諧波解決方案[J].江西建材,2014,(7):206-206

[8] 孫曉波. 10kV靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置的研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2009

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