姚 岚 国网安徽省电力公司电力科学研究院

铸造企业供配电系统节能改造技术

姚 岚 国网安徽省电力公司电力科学研究院

探讨了铸造类企业供配电系统的节能改造技术，以实际供配电系统为例，按照供配电系统设计改造的“三性”原则，即可靠性、灵活性和经济性原则，对企业供配电系统进行多元优化改造。通过对已有供配电系统的设备及运行状况的全面分析，指出供配电系统中负荷分配不合理、非线性负荷等问题，提出编制负荷调整及潮流优化方案，详细分析非线性谐波影响并提出治理非线性谐波方案，定制更换个性化参数节能型变压器，并实现供配电系统运行的在线监测与分析，对同类企业的供配电系统节能改造极具参考价值。

供配电系统；节能；非线性负荷；谐波；节能型变压器

节能减排为我国基本国策，绿色发展、循环经济是当今社会实现可持续发展的唯一途径。在当前国家对大气污染大力治理形势下，国务院颁布的《大气污染防治行动计划》、《2014-2015年节能减排低碳发展行动方案》，顺应环境及政策要求，改造或淘汰老旧耗能设备，使用先进节能设备，加强节能减排，是用能单位须应尽的社会责任和义务。同时也可帮助用能单位，降低运营成本，提升服务品质，提升市场竞争力。

国内多数铸造企业主要用能设备多为大功率中频感应炉，存在容量大、负荷波动大、谐波大等特点。按照供配电系统设计改造的“三性”原则，即可靠性、灵活性和经济性原则，对企业供配电系统进行多元优化改造，即通过对企业供配电系统设备及运行状况进行全面分析，根据负荷特性编制负荷调整及潮流优化[1]方案、定制及更换个性化参数的节能型变压器[2]，治理谐波、提升能效，并实现供配电系统运行在线监测与分析。本文以某铸造企业为案例，探讨节能改造技术。

1 现有供配电系统

1.1 系统组成

供电系统由两个变电站组成：一号变电站由2台S9-8000 kVA/35kV的油浸式变压器组成；二号变电站由一台S9-20000 kVA/35 kV的油浸式变压器组成。两个变电站的35kV及10 kV一次系统图见图1-图6。

从图1-图6可以看出，该套供配电系统具有以下特点：

（1）供电系统设备分散，不易进行负荷分配

供电系统由一期和二期两个变电站组成，相互独立运行。两个变电站共有3台变压器，3台变压器分列运行。这就造成负荷不易合理分配，难以充分发挥供电能力。

（2）单台用电设备功率大，不易进行负荷分配

原来的用电设备共有3套8 000 kVA左右的中频炉整流系统，1套4 000 kVA中频炉整流系统。单台设备的容量过大，很能合理地进行负荷分配给3台分列运行的变压器，也会造成供电能力的浪费。

（3）大部分用电负荷为非线性负荷，产生大量谐波

图1 35 kV变电一站高压电网图-35 kV开关柜（329开关线）

图2 35 kV变电一站高压电网图-10 kV开关柜Ⅱ段（329开关线）

图3 35 kV变电一站高压电网图-10 kV开关柜二车间电炉变压器段（329开关线）

图4 35 kV变电一站高压电网图-10 kV开关柜Ι段（332开关线）

图5 35 kV变电二站高压电网图-35 kV开关柜（332开关线）

图6 35 kV变电二站高压电网图-10 kV开关柜（332开关线）

非线性负荷产生大量谐波，由于谐波造成的变压器铁芯中的磁通量的减少和变压器绕组中导线的集肤效应加大，变压器铁损、铜损增大的同时，存在噪声高、发热严重等问题，且易形成恶性循环[3]。同时由于以上两方面的损耗增加，变压器的实际使用容量大幅减少。

1.2 存在的问题

（1）供配电容量不足

该企业因政府环保要求及企业质量控制等原因，已将冲天炉改为中频炉。中频炉功率约为7 000 kW，加上辅机、除尘等设备，新增用电容量将增加约9 000 kW。原有的供电系统的供电余量约为4 000 kVA，若要带起约9 000 kW的新增负荷，需进行增容配电变压器及其配套设备，急需改善现有供配电系统。

（2）非线性负荷大

主要用电负荷为中频感应炉，会产生大量谐波。中频感应炉整流器采用三相（或12相）桥式全控整流电路，如图7。中频发生器采用单相桥式并联逆变电路，如图8。

从图7、图8电路可以看出，中频炉为非线性用电设备，在工作中会产生大量谐波[4]。

由于企业为了降低生产成本，未安装抑制谐波的技术设施。中频感应炉在铁熔化期产生大幅电压波动和闪变并产生谐波和负序分量，由于此类炉的整流电路由大功率板式可控硅组成，其成为谐波产生的源头。中频炉在10 kV配电系统中数量最多，是危害最大的谐波源，可引起电压波动和闪变[5]。

用户非线性设备接入电网后，向电网反馈谐波电流，并通过阻抗产生谐波过电压，导致电网的电压、电流波形畸变，造成了电网供电质量下降，用电设备发热量增加，电网线损增加，进而使得配变发热严重，严重影响其使用寿命，直接对电网的安全稳定运行造成隐患。清除供配电系统中的高次谐波，将谐波分量控制在国家标准之内，对改于保证供电质量、确保电力系统安全、经济运行具有十分重要的意义。

图7 中频感应炉整流器桥式全控整流电路

图8 中频发生器单相桥式并联逆变电路

2 节能改造技术方案

2.1 谐波治理

（1）采用无源滤波器加以抑制

无源滤波器安装在中频炉的的交流侧[6]，由L、R、C元件构成谐振回路，当谐振回路的谐振频率与某一谐波频率相同或相近时，即可阻止该频率的谐波进入电网。

（2）采用有源滤波器加以抑制

综上所述，污水处理厂想要做好节能降耗工作，需要从工艺、设备、管理以及能源等方面着手，多措并举，在保证水质达标的前提下，降低能源的消耗，实现节能的目标。

利用可控的功率半导体器件，向电网中输入与原有的谐波电流幅度相等相位相反的电流，使电网中的总谐波电流趋向于零，达到实时补偿谐波的目的[7]。

（3）通过加装静止无功补偿装置加以抑制

在谐波源处并联加装静止无功补偿装置[8]，可以有效减少波动的谐波量，同时，也可以抑制电压波动、电压闪变，还可以补偿功率因数。

2.2 用电系统改造

包括线路优化，厂内输电优化，配电支线路补偿，就地补偿，进行电能平衡和提高电能利用率等。通过实施技术方案，可以使供电电压更加平稳，降低电耗的同时，较好地解决闪边造成的电压波动问题。该方案不仅可使用电设备供电节电技术对用电系统的用电量降低，还能使供电系统更加稳定。

2.3 设计更换节能型变压器

节能变压器是一台3绕组变压器，由一个原边绕组和2个副边绕组构成。原边采用三角形联接，2个副边绕组联接方法不同，一个采用三角形联接，另一个采用星型联接（见图9）。3个绕组的匝比为：31/2/35:31/2:1。保证变压器的输出电压为1:1。即2个副边绕组输出电压一样，但相位不一样，相差30°角。Dy11接法的副边输出电压比Dd0接法副边输出电压超前30°角。

图9 高效节能变压器绕组

经测算，两个副边因整流产生的5、7、17、19……在原边相互抵消，变压器原边输入电流理论上只含有12 k±1（k为正整数）次谐波。其谐波总量比单副边绕组输出变压器产生的6k±1（k为正整数）次谐波大幅减小，即电网测电流的基波因数得到了大幅度提高。，相应的，电网功率因数和电能质量也有较大的提高，更有利于电网健康运行。同时由于谐波量减低，变压器的铁损和铜损也将相应降低。

其中一组绕组10 kV出线，能够满足大部分原来2号变电站20 000 kVA普通变压器所带用电设备的用电需求；另一组绕组10 kV出线，能够同时满足剩余小部分2号变电站的用电负荷及新增的9 000 kVA的中频炉及辅助设备负荷，无需另行增容。

为降低电耗，对2组10 kV配电柜出线绕组的负荷进行相应调整，使负荷平衡，从而另变压器损耗和线路损耗达到最小。

2.4 负荷调整及潮流优化

优化电力系统潮流，满足各种安全性约束的条件下，合理安排电力系统运行方式，使总的运行费用最少或其他的目标(如网损等)最优。由于用电负荷多为非线性，会产生大量谐波。如果从供电源头上解决谐波对电网的影响，将会起到事半功倍的效果。将2号变电站主变压器设计成3绕组，2组不同组别的出线绕组，会大大拟制谐波，负荷容易分配，带负荷能力增强，变压器损耗减小。

新的供电系统（见图10）可使供电更加均衡，系统更加平稳，不仅能够保证原有用电负荷，还能满足新增的约9 000 kW用电负荷，实现多供少损。

所有用电设备最后都可以等效成一个综合负载。综合负载能够反映企业的设备特性、用电状况、运行工况和用电特性。根据综合负载耗电功率与供电参数绘制负载曲线，找出最佳经济运行参数，据此进行调整。调整后，企业用电量理论上将降低约5%～10%。

图10 新的35 kV变电二站高压电网图-35 kV开关柜（332开关线）

图11 原有副边绕组一（三角形接法）负荷分配

2.5 供配电系统运行在线监测分析

对供配电设备加装家装无线监控系统，针对供配电系统中的变配电环节，利用现代计算机控制技术、通信技术和网络技术等，采用抗干扰能力强的通讯设备及智能电力仪表，配合供配电监控管理软件，实现的系统的监控和管理。

采用变配电无线监控系统进行监测管理，连接智能电力监控仪表、带有智能接口的低压断路器、中压综合保护继电器、变压器、直流屏等设备，实现遥控、遥测、遥信功能，对系统各种运行开关量状态和电量参数进行实时采集和显示，完整掌握变配电系统的实时运行状态，及时发现故障并做出相应的决策和处理。值班管理人员根据变配电系统的运行情况进行负荷分析，合理调度、远控合分闸、躲峰填谷，实现对变配电系统的现代化运行管理。

变配电无线监控系统对电能质量可以随时随地在线监测重点用户的电能质量状况，如：电压偏差、频率偏差、三相不平衡度、谐波、电压波动和闪变、暂态分量等，并可以实现电能质量历史记录的保存、查询，方便企业对电能质量的分析、评估和管理，能在供配电系统和用电设备运行失效之前，捕获到其早期的故障信息，以便在故障发生之前，提醒企业对供、用电设备的运行状态进行调整和预防检修。对于提高电力系统供电的安全性、可靠性和经济性，保证用电设备的正常工作和生产的持续高效。

3 节能效益分析

3.1 直接经济效益

技术改造后，新的专用节能型变压器及新的供配电系统，能够节约企业用电量的5～10%，节能效益约为（原用电设备及准备新增的用电设备电费月均550万元左右）：

550×（5%～10%）=27.5～55万元，年节约效益约330～660万元。

技术改造后，企业无需再通过增容方式解决现有供配电问题，可节省增容部分对应的基本电费约180万元/年（5 000 kVA*30元/kVA·月*12个月）。

3.2 间接效益

技术改造后，企业无需通过增容或者关停其他设备避峰的方式保证新增设备稳定运行，其供配电系统可满足各种生产需求，保证了生产的连续性和饱满度。

新的专用节能变压器为S11系列变压器，变压器自身损耗较低，设备寿命、性能及运行状况较原有变压器有较大提升，将为企业带来以下间接效益：

安全：供配电系统简化，安全性能提高，运维费用降低。

简单：运行方式简化，容易实现负荷平衡，运维简单。

高效：负荷特性优化、电网冲击减少、配电设备简化、设备利用效率提高。

4 结语

大力研究和推广企业供配电节能技术，对提升企业能效、节约能源资源具有非常重要的意义。本文在对某铸造企业供配电系统特点深入分析的基础上，提出了该系统的节能改造技术方案，符合铸造类企业的用能管理要求，节能目标明确，节能效果良好，对同类企业具有很好的参考和借鉴价值。

[1] 余运俊,康利平,万晓凤,聂晓华.配电网安装新型节能变压器的CDM项目效益研究[J].中国电力，2013,46(10):129-132

[2] 苏文博,林焱,邵振国.非线性负荷仿真模型及其对谐波计算的影响[J].供用电,2014,(12):42-46

[3] 熊虎岗,程浩忠,章文俊,高超.电力市场环境下的无功潮流优化[J].高电压技术,2007,33(11):169-174

[4] 何利平,于良中. 无功补偿兼滤波装置在铸造企业中的应用[J].铸造,2008, 57(12)：1301-1303

[5] 齐勇,江亚群,黄纯,吴乐鹏. 谐波源和闪变源的识别算法[J].电力自动化设备,2011,31(11):60 -68

[6] 王艳松,刘军,李中树. 配电网无缘滤波器的优化配置[J].高电压技术,2010,36(9):2324-2328

[7] 杨荣辉. 配电室自动化设备的谐波解决方案[J].江西建材,2014,(7):206-206

[8] 孙晓波. 10kV静止无功补偿装置的研究[D].哈尔滨工业大学,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