工厂供电系统节能及最优运行方式

工 厂 供 电 系 统 节 能 及 最 优 运 行 方 式

节约能源，是我国国民经济发展的一项长期性战略任务。我国能源系统管理水平与先进国家相比差距很大，日本每年消耗的能源同我们差不多，大体上也相当于六亿吨标准煤，但他们的国民经济总产值，超过我国好几倍。节约能源必须依靠先进的管理水平与科学技术来。各行各业都要推广节约能源的先进技术。工厂供电系统也要把节能优化运行提到议事日程上来。

1 变电所安装两台变压器时最优运行方式的确定
当变电所总负荷为S，每台变压器额定容量为SH，变压器空载时，其电能损耗为Wi。变压器满载时，其铜损为Wc。假定变压器内部阻抗相同，当并列运行（或分别运行）时，每台各带一半负荷即S／2，其铜损与负载平分成正比，两台变压器投入运行时，电能损耗为：
W2 ＝ 2 ×｛Wi ＋ [ ( S ÷ 2 ) ÷ SH ] 2 × Wc ] ｝ - - - - - - - - - - - (1)
单台变压器投入运行时，电能损耗为：
W1 ＝ Wi ＋ ( S ÷ SH )2 × Wc - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - (2)
当（W2－W1）≥ 0 时,可由公式(1)与(2)求得：
S ≤ SH √2 Wi / Wc （根号2 Wi / Wc） - - - - - - - - - - - - - - - - - - (3)
当全所总负荷S小于或等于SH (2Wc/ Wc) 2时，宜停止一台变压器，其电能损耗较小，运行是经济的。
假设某厂选用SF-10000/60变压器两台，其铁损为：Wi＝35千伏，铜损为：Wc＝95KW。
并假定其负荷曲线为：
15000 kW cosф=0.9 运行6小时
9000 kW cosф=0.9 运行10小时
3600 kW cosф=0.9 运行8小时
如果一天24小时两台变压器都投入运行，每天变压器的铁损为：
2×24×Wi ＝ 48×35 ＝ 1680度
每天变压器铜损为：
2×｛〔6×[(15000÷20000] 2×95＋10×[ (9000)÷20000 ]2×95
＋8×[ (3600)÷20000 ] 2×95}
＝2×｛320.6＋192.4＋24.6}＝ 2×537.6 ＝1075.2度
总共每天损耗为：1680＋1075.2＝2755.2度
如果当负荷在10000 kVA以下时，就切除一台变压器，每天变压器铁损为：
Wi×(2×6＋10＋8) ＝ 35×(2×6＋10＋8) ＝ 1050度
每天变压器铜损约为：
6×[(15000÷20000) 2×95]＋10×[ (9000)÷10000) 2×95 ]
＋8×[ (3600÷10000 ) 2×95] ＝｛320.6＋769.5＋98.5} ＝ 1188.6度
总共每天损耗约为：1050＋1188.6 ＝ 2238.6度
如果及时改变变压器运行方式，
每天可节电：2755.2 － 2238.6 ＝ 516.6度
每年可节电： 516.6×365 ＝ 188559度
从以上分析可以看出，切除一台变压器主要是减少了一台变压器的铁损。根据每天的负荷曲线，确定变压器运行方式，是节约能源的最简单最方便，而且又有效的措施。在变电站采用变电站综合自动化（微机保护）系统后，通过计算机遥控更容易改变变压器的运行方式，达到实现节约能源的目的。

2 具有低压联络线的两个变电所最优运行方式的节能效果分析
当每个变电所只有一台变压器时，两个变电所之间设置低压联络线后，不仅可以提高供电的可靠性；也可以利用低压联络改变两个变电所变压器的运行方式，达到实现节约能源的目的。
假设两个变电所变压器额定容量分别为SH1与SH2。其空载铁损分别为WI1与WI2，满载铜损分别为WC1与WC2，负荷分别为S1与S2，联络线电阻为R。
两台变压器同时运行时，电能损耗分别为：
W1 ＝ W21＋(S1÷SH1) 2×Wc1 W2 ＝ W22＋(S2÷SH2) 2×Wc2
假如两台变压器额定容量均为500kVA，其空载损耗W2 = 1.08 kW，短路损耗WC = 6.9 kW。其联络线为2LQ2－3×120＋1×50，长度为100米，其直流电阻R为0.027欧姆。
当1号变电所负荷S1 ≥ 80 kVA时，两台变压器同时运行时，1号号变电所变压器的损耗为：
W1 ＝ W21＋(S1÷SH1) 2×Wc1 ＝1.080＋(80÷500) 2×6.9＝1.26 kW
如果在1号变电所负荷小于80 kVA时，将1号变电所变压器切除，由2号变电所变压器通过低压联络线供电。通过低压联络线的电流为：
S ＝ √3 × U × I
I ＝ S ÷〔√3 × U 〕＝ 80 ÷〔√3 ×0.38 〕＝ 121.6 A
假设此时cosф ＝ 0.8，低压联络线的电能损耗为：
△P ＝ 3 × △U × I × cosф △U ＝ I × R
△P ＝ 3 × I × R × I × cosф ＝ 3 × I 2 × R ×cosф
＝ 3 × 121.6 2 × 0.027 ×0.8 ＝ 958 W ＝ 0.958 kW
1号变电所85 kVA负荷在2号变电所变压器的铜损为： (80÷500) 2×6.9＝0.19 kW
由2号变电所变压器通过低压联络线供电总的电能损耗为： 0.958＋0.18 ＝ 1.14 kW
由以上分析可以看出：当一个变电所变压器负荷小于80 kVA时，停止一个变电所的变压器，由另一个变电所变压器负通过低压联络线供电，减小的电能损耗为：
1.26 － 1.14＝0.12 kW
其节能效果不如一个变电所内有两台变压器时那么明显。它受到低压联络线长度与线路电阻值的限制。低压联络线越短，线路电阻值越小，一个变电所变压器通过低压联络供电的负荷就越大，节能效果也越好。

3 合理进行无功补偿节能效果分析
在三相交流供电系统中，电流与电压之间的相位由功率因数来表示，有功功率等于根号3倍电压、电流与功率因数的乘积：
P ＝ √3 × U × I × cosф
I ＝ P÷〔√3 × U × cosф〕
当功率P恒定不变时，功率因数与电流之间为反比关系。电流在相位上落后电压越多，功率因数cosф越小于1，电流就越大；电能在传输过程中在线路与变配电设备上的电压损失与电能损耗就越大。因此提高功率因数，可以使电网设备得到充分利用，相当于增加发电能力与线路及变配电设备的输送功率；还可减少线路及变压器的电压损失与电能损耗，提高供电质量。
假设变压器额定容量为SH1，额定容量时铜损为WCH，负荷为S1时，铜损为WcS。
WcS ＝ (S1÷SH1) 2×WcH
S ＝ √3 × U × I 代入后：
将S代入后：
WcS ＝ (S1÷SH1) 2×WcH ＝｛(√3×U×I1÷√3×U×I H) 2｝×WcH ＝ (I1÷I H) 2×WcH
P ＝ S × cosф ＝ √3 × U × I × cosф
I ＝ P÷〔√3 × U × cosф〕
再将I代入后：
WcS ＝ (I1÷I H) 2×WcH
＝｛〔(P÷√3 × U × cosф)÷ I H〕2｝×WcH
＝｛〔P÷(√3 × U × I H× cosф)〕2｝×WcH
＝〔P 2÷(√3 × U × I H× cosф) 2〕×WcH
＝〔P 2÷(SH × cosф) 2〕×WcH ＝〔P 2÷(SH 2 × cosф2)〕×WcH
＝〔(P÷SH) 2 ÷ cosф2)〕×WcH ＝〔α÷(cosф2) 〕×WCH
α＝(P÷SH) 2
当P为定值时，随着cosф的降低，变压器铜损随着cosф的降低，与功率因数平方成反比而增加。所以提高功率因数也是一项节约电能损耗的重要措施。
假设某车间变电所，其变压器额定容量800 kVA，铁损Wi ＝ 1.9 kW，满载时铜损WC ＝ 13 kW，其日负荷曲线560 kW cosф1 ＝ 0.8 ，运行10小时；400 kW，cosф2 ＝ 0.8 ，运行6小时；晚上8小时负荷为0，变压器退出运行。按上述负荷曲线运行时：
铁损为： 16 ×1.9 kW＝ 30.4度
铜损为：WcS ＝｛[ 10 × (560÷800) 2÷0.82]＋ [ 6 × (400÷800) 2÷0.8 2 ]｝×13 kW
＝｛[ 10×(0.49÷0.64 ) ] ＋ [ 6 ×(0.25÷0.64 ) ]｝×13 kW
＝ (7.66 ＋ 2.34 )×13 kW＝ 130度
总共每天电能损失为：30.4 ＋ 130 ＝ 160.4度
以一年300个工作日计算，损耗共计：300 × 160.4 ＝ 48120度。
如果采用低压补偿，将功率因数从0.8提高到0.9则：铁损仍为30.4度，铜损为：
WcS ＝｛[ 10 × (560÷800) 2÷0.92]＋ [ 6 × (400÷800) 2÷0.9 2 ]｝×13 kW
＝｛[ 10×(0.49÷0.81 ) ] ＋ [ 6 ×(0.25÷0.81 ) ]｝×13 kW
＝(6.05 ＋ 1.85 )×13 kW＝ 102.7度
总共每天电能损失为： 30.4 ＋ 102.7 ＝133.1度
以一年300个工作日计算，损耗共计：300 × 133.1＝ 39930度。
采用低压无功补偿将将功率因数从0.8提高到0.9以后，每年可节省电能：
48120－33930 ＝ 14150度
无功补偿应优先考虑在变电所进行低压集中无功补偿，如果再能够选用功率因数高的用电设备，或者在用电设备附近进行就近分散补偿布置，节省电能效果会更好。有高压电动机，以及变压器台数非常多时，还需要进行高压无功补偿。

4 及时切除空载变压器节能效果分析
工业与民用建筑供电系统一般都有两台以上变压器，根据工作班制，非三班制的单位，可以在下班后，以及节假日将空载变压器切除，也是一种比较好的节省电能措施。一台500 kVA变压器空载损耗按照1.08 kW计算，如果每年按照110天节假日，每个工作日按照12小时上班时间计算，按时切除一台500 kVA变压器，一年可节省的电能为：
Wc ＝［〔110 × 24 〕＋〔255 × 12〕］× 1.08 kW ＝〔2640＋3060〕× 1.08 kW
＝ 5700 × 1.08 kW ＝ 6156度
节省6156度电能看起来不是一个大的数字，如果全国大多数单位都能够在下班后，以及节假日将空载变压器切除，就会成为一个非常大的节省电能数据。