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供配电系统节电技术措施

2014/8/31 22:35:11点击:

2003年以来,由于国民经济的迅猛发展,以及国际加工产业新格局的形成,一些高能耗低效益的加工业逐步转向国内,这无疑进一步加剧了能源紧张这一矛盾。发生在我国许多省市的“电荒”已成为相当普遍的严重问题,尽管我国电力建设超常规增长,电力供应仍严重不足。为此,节省能源及节约用电引起了全社会的高度重视,采取各种有效节电的技术措施显得尤为重要。

降低供配电系统的线损及配电损失,最大限度的减少无功功率,提高电能的利用率,是当前建筑电气领域中节电的重要课题之一。为了实现这一目标,采取了如下措施:选择及合理使用节电配电变压器、减少线路损耗、提高功率因数、平衡三相负荷、抑制谐波等技术措施,不仅节电10%~20%或以上,同时安全可靠,绿色环保,改善了用电环境,净化了电路,还有效地延长了用电设备的使用寿命。

1 选择及合理使用高效节电非晶合金配电变压器

在工业与民用建筑中大多采用干式变压器,因为干式变压器具有许多优点,特别是非晶合金干式配电变压器具有高效节电、安全可靠、绿色环保等优点。非晶合金变压器是采用非晶合金代替硅钢片作为铁芯材料的新型节电变压器,它比硅钢片铁芯变压器的空载损耗下降70%以上,空载电流下降约80%,是目前节电效果最理想的配电变压器,因此,非晶合金变压器的推广使用,对节约电能和环境保护具有重要的意义。

以SCRH15非晶合金变压器为例,该产品的结构特点有如下几点。

1.1 铁芯

(1)采用日本日立金属非带材,三相三柱式形式制作而成,在直流电场强度下进行退火处理,以获得低铁损及低激磁电流的优异特性,铁损比常规产品低70%~80%.

(2)结构简洁,在结构上,不采用将铁芯作为主承重结构的传统设计方案,而采用以线圈为骨架的基本结构,这样可使铁芯不受压力。铁芯夹紧用薄板或成型框架结构,机械强度高。

(3)铁芯表面以特殊树脂涂装,以防止湿气及腐蚀。

(4)抗高次谐波,可采用Dyn11、Yyn0接线。

1.2 低压箔绕线圈

(1)采用进口优质铜箔及H级绝缘材料绕制在成型绝缘筒上,层绝缘采用NOMEX纸,改善径向短路力承受能力,VPI真空压力浸渍成坚固整体,上下端部采用树脂端封,防尘、防潮、防盐雾能力强。

(2)引线铜排、铜箔经专用设备采用氩弧焊接,提高了铁芯的空间利用率,增强产品的抗短路能力,消除螺旋角,减小轴向受力。

(3)线圈机械强度高,局放降低。

1.3 高压缠绕线圈

(1)高压线圈直接套绕在低压线圈上,装配时绕组支撑在单独的绕组系统上并压紧固定,这样可以使铁芯不受压力,减少了变压器短路时径向的内缩和扩大,从而有效地保证了变压器的抗短路能力。采用多层分段圆筒式,纵向多气道结构,抗热抗冲击能力强,耐突波能力强。

(2)采用NOMEX纸包扁铜线做导体,以NOMEX纸做层绝缘,以H级材料作端部绝缘经VPI真空压力浸渍高温烘焙固化成型,上下端部采用树脂端封,防尘、防潮、防盐雾力强。

(3)线圈机械强度高,散热性能好。

该产品的性能特点如下:

(1)高效节电——产品由于采用非晶合金铁芯制作及创新的三相三柱制造工艺,铁损大幅度下降,空载损耗约为常规干变的25%左右。投资非晶合金铁芯虽然初期投资较高,但是非晶合金变压器由于其超高效率、节约能源的特性,在平均负载60%的情况下,3~5年内可回收额外投资,在变压器30年寿命中可节约可观的电费支出。

(2)可靠性高——产品满足国家标准GB1094.11-2007、GB/T22072-2008以及IEC60076-11标准、产品为H级(工作温度180°C)耐热等级,而它的主要绝缘材料却是C级(工作温度220°C)的,留有较大的裕度;能承受恶劣条件的储存、运输;能在恶劣条件下(包括气候、地理环境)正常运行;有比一般干式变压器更强的过负载能力;有很好的抗短路能力;变压器在正常使用情况下可免维修。

(3)安全性好——变压器在使用中不会助燃,能阻燃、不会爆炸及放出有害气体,变压器在使用时,不会对环境和其它设备特别是对人身造成危害。

(4)环保性好——产品在制造、运输、储存、运行时不会对环境造成污染;产品在使用寿命结束后,线圈可以回收,资源可以重新利用,不会对环境造成危害;另外创新的铁芯结构及先进的制造工艺,确保非晶变压器噪音低于现行国家标准4~5dB,成功攻克了非晶合金变压器噪音大的难题。

高效节电给投资非晶合金变压器带了巨大的经济效益。从表1可以看出,SCRBH15系列非晶干式变压器负载损耗略低于普通10型干式变压器,但是空载损耗平均比普通干式变压器空载损耗低70%左右,是目前空载损耗最低,最为节电型变压器,节电效果非常显著,带来了巨大的经济效益。

下面对非晶合金15型与常规10型系列同容量变压器在经济效益进行比较(以1250kVA为例),经济效益10年运行电量是衡量变压器节电效果的主要指标,计算公式为:

B=C×Th×Ty×(Po+Pk×β^2)


其中,B—变压器损耗费用;

C—电价(根据各地区实际电价为准);

Th—全年运行小时数;

Ty—运行时间,取10年;

Po—空载损耗,kW;

Pk—负载损耗,kW;

β—负载率,取0.6.

按照上式计算,1250kVA非晶合金变压器10年运行电量为383092kWh,而常规10型干变的10年运行电量为514226kWh,两者比较,非晶合金产品比10型常规产品10年动行节电131134kWh.按照目前非晶变压器与普通干式变压器性价比,多余投资非晶变压器费用将在3~5年内回收,根据变压器正常寿命30年期限计算,非晶变压器寿命期限可节电393402kWh. 因此,从长远考虑,投资非晶合金干式变压器可以获得巨大的经济效益,是未来配电变压器理想的替代产品。

选择好了最节电的非晶合金变压器后,还要考虑到合理的使用它,使它运行在最合理的负载率区间内。我们知道,变压器的铁损不随负荷变化,而铜损则与通过电流的平方成正比。在变压器运行中,我们通常以空载损耗和负载损耗为衡量变压器损耗的两个重要参数。变压器制造厂设计负载系数在40%~60%范围内处于经济运行区;额定容量30%以下的轻载或者空载时经济性最差;50%的负载率不是节电的最佳状态,考虑到初装费、变压器、低压柜、土建投资及各项运行费用,又要考虑变压器在使用期间内预留适当的容量,变压器的负载率在75%~85%之间较为合理,是变压器的经济运行区间。这样既充分利用了变压器容量,又减少了其它投资。在设计中,计算负荷一般偏大,负荷系数偏小。如深圳市某写字楼原采用4台变压器,其中3台1250kVA变压器,1台630kVA变压器。整改后,减了1台1250kVA变压器,每月节省变压器初装费30000元(1250×24=30000),一年节约变压器初装费360000元,同时还减少了一台变压器的空载损耗。又如深圳某小区,原采用6台1000kVA变压器,整改后为4台。6台变压器的损耗为6×13kW=78kW,减少2台后为52kW,减少有功损耗26kW.经过计算,年节约费用为150000元,同时还节省了两台变压器的投资费用。在上述两个案例中,整改前变压器的负荷率均小于60%,整改后变压器的负荷率均约为85%.除选用节电变压器外,在变配电所设计时选用两台或两台以上变压器,中间增加联络柜,这样既提高了供电的可靠性,又可以根据电气设备的负荷情况及非空调季节的实际情况决定,投入变压器的运行台数。上述设计理念,降低了变压器的电能损耗。

2 尽量减少线路和配电设备的电能损失

2.1 尽量减少导线长度

变配电所尽量靠近负荷中心。低压线路供电半径一般不宜超过200m,负荷密集地区不宜超过100m;负荷中等密集地区不宜超过150m;少负荷地区不宜超过250m;低压柜出线回路及配电箱出线回路尽量走直线,少走弯路,不走或少走回头线;同时,在高层建筑中,变配电室应靠近电气竖井,以减少主干线(电缆或插接母线)的长度。对于面积大的高层建筑,电气坚井尽可能设在中部或两端,以减少水平电缆敷设长度。

2.2 增大导线截面

对于较长线路,在满足载流量热稳定,保护配合及电压降要求的前提下,加大一级导线的截面,可使线路损耗减少。尽管线路费用增加,由于节约了电能,减少了年运行费用。估算2~3年内可收回因增加导线截面而增加的费用。因此,加大导线截面的投资是值得的。

2.3 配电设备的级数尽可能少

配电系统级数尽可能少,一般不超过三级,以减少配电设备上的电能损耗。就配电柜中的电器元件开关来讲,如果选择质量不高的设备,动静触头接触不好,就非常容易发热,从而产生电能浪费;如果配电线路长,电流流过导线总是要产生能量损失,也是一个浪费;一个配电箱或者配电柜,内部总要有配电开关元件,总会产生电能的损耗,所以配电级数增多,也是一个不必要的电能浪费。

上述措施可以减少电缆线长度,实现供电距离最短。例如,某工程为政府投资的大型工程,该工程为空调冷冻站专门设置了10/0.4kV变电所,内装3×2000kVA+2×1600kVA变压器,变压器负荷率为80%,以4000A、3200A铜质密闭母线馈电。某外资设计公司初设时,变电所低压配电室距冷冻站的控制室55m,为节约电能,对初步设计进行了调整,把变电所和空调控制室合并设置,使低压馈电距离缩短了55m.经计算,可节省在密闭母线上线路损耗达45kW.以每天冷冻站运行10小时,年运行100天计,总耗电量为45000度,以0.68元/度计算,年节约电费3万余元。以该工程按70年使用期计算,总节约电费210万元。这是一个多么惊人的数字。

3 提高功率因数

提高供配电网络的功率因数,实行无功补偿是建筑电气领域中又一节电课题,正在受到人们越来越多的关注。无功功率既影响供配电网络的电压质量,也限制了变配电系统的供电容量,更增加了供配电网络的线损。对供配电网络实行无功功率补偿,既可改善电压质量,提高供电能力,更能节电降耗。

在供配电系统中许多用电设备,如电动机、变压器、灯具的镇流器以及很多家用电器等均为电感性负荷,会产生滞后的无功电流,它要从系统中经过高低压线路传输到用电设备末端,无形中又增加了线路的功率损耗。为此,必须要在供配电系统中安装电容器柜(箱)。通过用电容器柜(箱)内静电容器进行无功补偿,电容器可产生超前无功电流

抵消用电设备的滞后无功电流,从而达到减少整体无功电流,同时又提高功率因数的目的。当功率因数由0.7提高到0.9时,线路损耗约可减少40%.功率因数值大小应满足当地供电局要求。当无明确要求时,建议功率因数值为:高压用户0.95以上,低压用户0.9以上。


无功功率补偿有两种方法:

(1)集中补偿。将电容器柜设置在变配电所低压侧集中补偿。集中补偿时,宜采用自动调节式补偿装置,这样可以防止补偿时使无功负荷倒送。同时电容器组宜采用自动循环投切的方式。

(2)就地补偿。容量较大,负荷平稳,其经常使用的用电设备的无功负荷宜单独就地补偿。同时在设计中尽可能采用功率因数高的用电设备。如同步电动机及配有电子式或节电电感镇流器的荧光灯等。

在具体工程设计中有采用高低柜集中补偿及采用就地补偿等两种方式。究竟采用何种补偿方式较为合理,则需要根据工程的具体情况来确定。

4 平衡三相负荷

在低压线路中,由于存在单相以及高次谐波的影响,使三相负荷不平衡。三相电压或三相电流不平衡会对供配电网络造成一系列危害。主要有以下几点:

(1)影响变压器、电机的安全经济运行;

(2)引起供配电网络相线及零线电能损耗加大;

(3)影响计算机正常工作。引起照明灯寿命缩短(电压过高)或照度偏低(电压过低)以及电视机的损坏等;

(4)对于通信系统,会增大干扰,影响正常通信质量。

为了减少三相负荷不平衡造成的能耗,应及时调整三相负荷,使三相负荷不平衡度符合下述规程规定:“要求配电变压器出口处的电流不平衡度不大于10%,干线及支线首端的不平衡度不大于20%,中性线的电流不超过额定电流的25%”以及“三相配电干线的各项负荷分配平衡,最大相负荷不宜超过三相负荷平均值的115%,最小相负荷不宜小于三相负荷平均值的85%”.

要解决三相电压或三相电流的不平衡度,首先,设计时尽量使三相负荷平衡。同时可以采用调节单相电压及采用滤波器抑制谐波的方法。最好的方法是采用省电装置来平衡三相电压或三相电流。该省电装置能使线电压或线电流的不平衡度小于2%,零线上电流极小,使三相电压或三相电流基本平衡,从而大大减少了相线及零线上的电能损耗。

5 抑制谐波

供配电系统中的电能质量是指电压、频率和波形的质量。电压波形是衡量电能质量的三个主要指标之一。早在20世纪70年代,欧洲等发达国家已禁止纯电容补偿设备进入电网。随着各类电力电子设备在工业与民用建筑中日益广泛应用,由此产生的谐波电流对供配电系统的巨大影响,引起了人们的高度关注及重视。谐波电流的存在不仅增加了供配电系统的电能损耗,而且对供配电线路及电气设备产生危害。谐波的危害表现为:

(1)谐波能使电网的电压及电流波形产生畸变,不仅降低了供配电网的电压,产生无功损耗,而且严重干扰了电子设备及电器控制设备的稳定与安全运行。

(2)谐波电流会导致变压器铜耗、铁耗、噪声增大、温度升高,迫使变压器基波负载容量下降。

(3)电容器与供配电的感性负载构成并联或串联回路,这很可能发生共振,放大谐波电流或电压,使电网电压升高,通过电容器损耗功率增大。在谐波严重情况下,会使电容器击穿,甚至爆炸。

(4)随着谐波次数高频率上升,集肤效应越明显,从而导致电缆的交流电阻增大,使得电缆的允许通过电流减少,电缆的介质损耗增加。从而加速电缆绝缘老化,发生单相接地故障的次数明显增加。

(5)谐波电流会增加异步电动机的附加损耗,降低效率,严重时使电机过热。

(6)谐波电流会使断路器的额定电流降低,可能使断路器异常发热,出现误动作或不动作。同时谐波电流会影响电力测量的准确性。

为了避免补偿电容器组与系统产生并联和串联谐波,应采用调谐滤波电容器组进行无功补偿。串联调谐电抗器的电容器组在基波频率下呈容性,即电容器起主导作用,这样可以进行功率因数补偿;在谐波频率下呈感性,调谐电抗器起主导作用,这样可以防止谐波放大,同时也抑制了谐波。

谐波的产生给供配电系统带来危害,让人们意识到抑制谐波的重要性及迫切性。为了抑制谐波,通常在变压器低压侧或用电设备处设置有源滤波器、无源滤波器,或将有源滤波器及无源滤波器混合使用。通过上述措施有效滤除中性线和相线的谐波电流,这样不仅净化了电路,而且降低了电能损耗,提高了供电质量,保证了系统的安全可靠运行。

5.1 应用案例1

某钢厂变压器采用7%调谐滤波电容器组进行无功补偿与谐波抑制。对使用调谐滤波电容器组后的电能质量状况进行测试,根据测试结果给出测试报告,分析改善效果。

(1)测试说明

本次测试选择在负载端进行测试,测试示意图如图1所示。

(2)测试数据(投入调谐滤波电容器组后)

①功率因数

图2记录了变压器有功功率与基波功率因数的变化趋势。

图2中,有功功率为零,当负荷投入运行后,有功功率急剧上升,达到1170KW,并趋于稳定。

随着有功功率的变化,基波功率因数在经过最初的波动之后也很快趋于稳定,稳定状态时,基波功率因数稳定在0.97(如表2所示)。

②谐波

投入调谐滤波电容器组后,变压器二次侧5次谐波电流由230.2A下降到162.9A,减少29.2%.

(3)效果分析

使用调谐滤波电容器组之后,变压器的功率因数提高到0.97;对5次及5次以上各次谐波都起到抑制作用,其中抑制5次谐波能力达到29.2%,达到了预期的效果。

5.2 应用案例2

广州某铅锌矿有多台电振给料机,该电振给料机采用二极管三相半波整流供电,产生很大谐波,导致井下照明变压器多台损坏。投资20余万元购买一台CPQF型有源滤波设备,该设备实时监控电网电流并将所测量的谐波在高性能的数字信号处理器DSP中处理成数字信号。同时DSP根据这些信号精确控制IGBT功率模块,并通过线路电抗器注入反相位的谐波电流,精确地把谐波互相抵消,使电网谐波大大降低,至今该设备已运行两年有余,使用后井下照明变压器运行良好,无发生损坏,取得了良好的经济效益。