基于節能降耗的配電設備改造分析與應用

劉惠姣，王亞青，張國興，郭亞寧

（1.鼎陽智電慧服科技股份有限公司，河北 保定 071051；2.保定電力職業技術學院，河北 保定 071051）

節能降耗是我國經濟和社會發展的一項長期戰略方針，也是當前一項極為緊迫的任務。在大力發展低碳經濟的宏觀背景下，企事業單位作為用電大戶，節能任務相當艱巨。大力節約資源、降低能耗對提高企事業經濟效益，加快建設資源節約型城市、推動企事業單位發展有著重要意義[1]。電氣設備是企業用電過程中的重要設備，但是，隨著用電負荷的不斷升高，有些電氣設備由于運行年代久遠、功率較低、能耗高，在使用過程中不僅難以滿足用電需求，而且會對環境造成嚴重的污染[2-4]。在此背景下，如何對電氣設備進行節能降耗受到人們的重視，其不僅可以優化電氣設備的運行性能，還可以起到良好的節能、降耗效果。

基于以上問題，筆者以某煙廠配電室為例，提出了基于節能降耗分析的配電設備改造方案，并進行經濟效益分析，為配電設備節能降耗改造提供參考依據。

1 現場概況

某煙廠配電室設備安裝于1993年4月，至今已運行使用23年。現場配電設備主要包括5臺10 kV高壓開關柜、2臺1 600 kVA變壓器和12臺低壓開關柜，配電室平面布置如圖1所示。

圖1 改造前配電室平面布置

高壓柜柜型為20世紀80年代末的固定式傳統柜型GG-1A柜，內部采用的控制電器為少油斷路器，保護回路采用反時限過流保護，一次系統如圖2所示。低壓配電柜采用老式的低壓配電柜BSL，主斷路器采用的是DW10空氣開關，一次系統如圖3所示。低壓配電屏為BSL型固定面板式配電屏，后面無防護保護措施，相鄰柜子間無隔板，無防護等級。

圖2 GG-1A高壓柜一次系統

圖3 BSL低壓柜一次系統

2 配電設備能耗問題

設備運行時間較長，配電設備本身陳舊老化，設備自身的電能損耗較大，并且設備性能偏差。設備內部器件接近或超過使用年限，在運行中容易出現拒動或誤動現象引起故障。設備間的連接電纜已經老化，運行中有可能出現漏電或放電現象。長時間運行使設備內部灰塵積累，在設備運行時影響設備散熱或造成設備短路故障，對設備安全運行和正常生產造成安全隱患，甚至發生火災，嚴重威脅和影響正常生產運行，同時也增加了人工設備維護工作量，造成維護成本增加[5-6]。另外，配電設備使用時間較長，設備故障率大幅增加，對正常生產和設備安全運行也造成了極大的隱患。可見，配電設備老化不但造成線損率過高，增大企業的運維成本，而且嚴重威脅配電網安全穩定。

原來的配電設備老化嚴重，從能耗角度來講已經不能滿足實際供電要求，其主要原因有以下幾點：一是原配電設備防護等級低，操作安全系數低，保護不完善，維護成本高，無論對于操作人員的人身安全，還是配電設備的安全可靠運行，都存在極大的安全隱患；二是開關柜主母排全部采用鋁母線，鋁制母線的電阻值偏大，大電流線路上的功率損失較大，造成能量損耗；三是10/0.4 kV變壓器采用S9型油浸式變壓器，屬于能效3級產品，與能效1級產品相比，存在運行損耗較高的問題；四是現場無功補償設備中的大部分器件損壞，造成無功功率無法補償，致使電費長期存在罰款現象；五是配電系統中諧波含量較高，電網諧波的超標增加了線路的用電損耗。諧波電流在變壓器中，產生附加高頻渦流鐵損，使變壓器過熱，降低了變壓器的輸出容量，使變壓器的噪聲增大，嚴重影響變壓器的壽命；六是諧波電流的趨膚效應使導線等效截面變小，增加線路的損耗[7-8]。

3 基于節能降耗的改造方案

3.1 柜體改造

3.1.1 高壓開關柜改造

GG-1A型高壓開關柜為老型號高壓開關柜，開啟式結構，頂部的主母線裸露，柜前有防護，柜后和柜頂無防護，防護等級低；五防連鎖閉鎖程序復雜，操作不便，出現操作失誤概率大。高壓控制和保護系統的操作電源直接引自PT設備，由PT設備經10 kV/220 V轉換而來，最大的缺點在于保護存在死區，不能全方位保護設備的安全運行。總之，設備維護成本高，且運行安全可靠性低。

改造后，高壓開關柜采用KYN28A-12型高壓開關柜，開關柜按《3.6 kV-40.5 kV交流金屬封閉開關設備和控制設備》（GB3906-2006）中的鎧裝式金屬封閉開關設備而設計。一次系統如圖4所示。整體由柜體和中置式可移開部件（即手車）兩大部分組成。柜體分四個單獨的隔室，外殼防護等級為IP4X，各小室間和斷路器室門打開時防護等級為IP2X。開關柜的聯鎖功能以機械聯鎖為主，輔之以電氣聯鎖，功能上能實現開關柜“五防”閉鎖的要求。聯鎖功能的投入與解除，大部分是正常操作過程中同時實現的，不需要增加額外的操作步驟，操作簡便。增加一面直流屏，為高壓控制和保護系統提供穩定的直流電源，從而實現無死區保護。

圖4 KYN28A-12高壓柜一次系統

3.1.2 低壓開關柜改造

BSL為老型號低壓配電屏，開啟式結構，頂部的主母線裸露，屏前有防護，屏后和屏頂無防護，防護等級低，運維檢修容易出現安全事故；相鄰的低壓配電屏之間無隔板，在運行中的某一臺配電屏出現故障后，會影響其他配電屏，波及范圍大。改造后，低壓開關柜選用GGD型交流低壓配電柜，柜體防護等級為IP40，該配電柜具有較好的散熱性能，柜門安裝、拆卸方便，柜體的頂蓋在需要時可拆除，便于現場主母線的裝配和調整，整套設備價格低廉。一次系統如圖5所示。整套柜體改造的完成，不僅消除了安全隱患，達到了現行電氣安全技術規范要求，而且減少了人工設備維護工作量，降低了維護成本，增加了企業經濟收益。

圖5 GGD低壓柜一次系統

3.2 母線材質改造

配電線路的損耗，是低壓配電系統重要的能量損耗，配電線路導體材質的選擇顯得至關重要。根據《電工用銅、鋁及其合金母線》（GB/T5585.2-2005），人們可以獲得環境溫度為20℃時的直流電阻率，鋁導體為0.029 00 Ω·mm2/m，而銅導體為0.017 77 Ω·mm2/m，也就是截面積為1 mm2、長度為1 m的鋁導線電阻是0.029 00 Ω，而銅導線電阻是0.017 77 Ω。可見，在同等導體長度及導體截面積的情況下，鋁導體的電阻值要大于銅導體的電阻值。因此，在三相線路中，大電流狀態下，鋁母線的有功功率損耗要遠遠大于銅母線的有功功率損耗。

某煙廠配電室中的開關柜主母排及分支母排全部采用鋁母線，且低壓母線從變壓器到低壓進線柜距離5 m左右，線路損耗較大，經過改造，將主母排及分支母排全部更換為銅母線，并將變壓器緊挨進線柜放置，進線為低壓側進線，更好地減少了材料的使用和線路的損耗。

3.3 節能變壓器的使用

某煙廠配電室內變壓器原為S9系列油浸式變壓器，容量1 600 kVA 2臺。S9系列油浸式變壓器采用冷軋硅鋼片作為鐵芯，變壓器空載損耗較大。現場變壓器運行23年來，從未進行過變壓器油的油譜分析，變壓器絕緣性能不確定。且變壓器沒有防護網，不能有效防止誤入帶電間隔，容易造成電擊傷亡事故。所以，必須對變壓器進行更換。

更換變壓器要從自身損耗上考慮，變壓器的損耗主要包括空載損耗和負載損耗，空載損耗主要由渦流損耗和磁滯損耗組成，渦流損耗與鐵芯材料的厚度成正比，與電阻率成反比，磁滯損耗與磁滯回線所包絡的面積成正比[9]。非晶合金帶材的厚度僅為27 μm，是冷軋硅鋼片的1/11左右，電阻率是冷軋硅鋼片的3倍左右，因此由非晶合金制成的鐵芯的渦流損耗比冷軋硅鋼片制成的鐵芯要小很多。另外，非晶合金的矯頑力小于4 A/m，是冷軋硅鋼片的1/7左右，非晶合金的磁滯回線所包絡的面積遠遠小于冷軋硅鋼片，因此非晶合金的磁滯損耗比冷軋硅鋼片的也小很多。此次改造采取SCBH15型非晶合金干式變壓器代替原有的S9型油浸式變壓器，變壓器容量不變，并對變壓器外加防護罩進行防護隔離，能夠克服防護等級低的缺陷。根據《低壓配電室設計規范》GB50054-2011要求，固定式配電屏成排布置通道的最小寬度屏前應不小于1.8 m，屏后應不小于0.8 m，現場變壓器及開關柜布置與原地基不同，改造后高壓柜安放在原變壓器室，并將原高壓室作為運維人員值班室，改善運維人員的工作環境。改造后，配電室平面布置如圖6所示。

圖6 改造后的配電室平面布置

3.4 無功補償裝置的代換

煙廠原有配電設備只從考慮變壓器損耗角度出發進行無功功率補償，且現場無功補償裝置的大部分器件已經損壞，造成無法補償。另外，煙廠生產設備中使用了大量變頻器，這些設備工作時，由于電力電子器件的非線性特征，會產生大量特征次諧波，因此系統中的諧波含量較高。同時，變壓器控制中可能會出現直流分量電流，致使變壓器磁路因直流偏磁而增加其飽和程度，導致交流激磁電流中諧波分量增大，使系統中的諧波影響更加嚴重[10]。電網諧波的超標增加了線路的用電損耗，并對用電設備造成無形破壞，嚴重制約著生產力的發展。

綜合考慮上述問題，在改造過程中，根據測試數據制定濾波方案，采用具無功補償裝置加有源濾波的補償方式，進行無功補償，并濾除諧波。主要目的是使設備在提升配電系統運行的安全性和可靠性的基礎上，最大限度降低線路損耗和諧波危害，切實保證生產正常運營，降低系統運行和維護成本，為節能降耗，增加企業效益提供堅實的保障。

4 節能效果分析

4.1 變壓器節能效果分析

某煙廠變壓器容量單臺為1 600 kVA，SCBH15型非晶合金干式變壓器和S9系列普通油浸式變壓器的性能比較情況如表1所示。

表1 SCBH15型非晶合金干式變壓器和S9系列普通油浸式變壓器的性能比較

電力行業標準DL/T 985-2005《配電變壓器能效技術經濟評價導則》提供了配電變壓器能效的技術經濟分析計算方法，其中提出的總擁有費用法（TOC），能夠全面、充分表達所購變壓器的綜合費用，它綜合了變壓器的初始費用和等價現值的損耗費用。運用TOC法，單位月容量費用為20元/（kW·h），電量電費為0.65元/（kW·h），變壓器的年帶電小時數按8 760 h計算，負載率為0.72。由式（1）可知，非晶合金干式變壓器運行一年，更較S9型油浸式變壓器節省電費。

一般干式變壓器的運行壽命為30年，這樣可計算出非晶合金干式變壓器較S9型油浸式變壓器節省電費489 330元。而非晶合金干式變壓器與S9型油浸式變壓器單價差為40 000元，節省電費足以彌補投資費用價格差額，還可為國家節約天然煤，減少二氧化碳及二氧化硫排放量，具有良好的社會效益[11]。

4.2 無功功率補償節能效果分析

補償無功功率計算可采取以下方法進行，設無功補償前有功功率為：

由式（3）、式（5）得出補償容量為：

由式（3）、式（5）可以推導得出：

設無功補償容量計劃為變壓器容量1 600 kVA的30%，即480 kVA，將補償功率帶入以上公式，得出再投入視在功率的30%的無功補償即可將cosφ1=0.749提升至cosφ2=0.90，滿足供電部門無功補償要求。根據《功率因數調整電費辦法》，大工業用戶未劃由電業直接管理的躉售用戶，功率因數標準為0.85。以0.90為標準值的功率因數調整電費表如表2所示。

功率因數計算公式為：

表2 以0.90為標準值的功率因數調整電費表

某煙廠變壓器容量為1600 kVA，2016年7月份所消耗有功電量為156 900 kW·h，無功電量為105 400 kVA，將以上數據代入式（8），求得當月的平均功率因數為：

由功率因數調整電費表得出月電費增加3.5%，設當月的平均電價為0.8元/kW·h，即當月的功率因數調整電費=156 900×0.8×3.5%=4 393元。

由以上計算數據得出，如該用戶有功用電不變的情況下，在沒有電容補償投入時原功率因數為cosΦ=0.83，無功補償投入后可以保證功率因數為cosΦ≥0.93，避免了每月3.5%的功率因數調整費，并接受供電部門-0.45%的功率因數調整費，此時該用戶的功率因數調整費用應為：功率因數調整電費=156 900×0.8×（-0.45%）=-565元。在實際的電費結算中，負值為減少值，正值為增加值。經過電容補償后的設備每月用電實際節約應為：156 900×0.8×（-3.5%-0.45%）=-4 958元。補償投入以后，每年節省電費59 496元。

通過無功補償裝置投運后的節電計算可以看出，節電效果非常明顯。濾波補償設備的投入運行，不僅提高了配電系統的功率因數，降低了線路的有功損耗，提高了設備的生產效率，避免了因無功功率偏高，無功表計功率偏大造成的大量的無功調節費用，而且有效地濾除了電子電氣產生的高次諧波，凈化了電網的諧波污染，提高了用電的電能質量，更好地保護了用電設備的安全運行，為企業的安全生產提供更進一步的保障[12]。

4.3 線路損耗分析

三相線路中有功功率損耗為：

式中，ΔPL為有功功率損耗（kW）；R為每相線路電阻（Ω）；IC為計算相電流（A）。

改造前后，每臺高壓開關柜柜體功率損耗分別如表3、表4所示。由表3、表4計算得出，改造后每臺柜體的有功損耗變化不大，約為20 W，可以忽略。改造前后每臺低壓開關柜柜體功率損耗對比如表5所示。

表3 改造前高壓柜（柜型：GG1A-12）柜體功率損耗

表4 改造后高壓柜（柜型：KYN28A-12）柜體功率損耗

表5 改造前后每臺低壓開關柜柜體功率損耗對比

由表5得知，以每天工作12 h，5臺柜子以0.6的工作系數按3臺計算，改造后每年節省的電量為：3 443-1 737=1 706 kW·h，每臺變壓器帶3臺低壓柜節省的電量為：1 706×3=5 118 kW·h，按照設備的平均壽命為20年，按平均電價為1元/kW·h計算，每臺變壓器共可節省電費為：5 118×20=102 360元，相當于整套5臺低壓設備的采購價格，等于低壓設備在使用過程中沒有折舊費。

4.4 維護成本分析

由于對全部柜體進行了升級改造，全部采用新設備，幾乎沒有設備運行維護費，預計每月節約90%以上，設備采用完善的保護裝置能夠滿足配電房無人值守或少量人員值守的要求，人力成本節約保守為2 000元/月，每年可節約維護成本費24 000元。

綜上分析，對老化設備進行升級改造，既降低了電能損耗，也降低了企業的生產成本，是管理思維的創新，是管理水平和技能提升的體現。從長遠來說，設備的改造升級有效地保證了企業的財產安全和員工的人身安全。

5 結語

某煙廠配電設備改造工作的完成，增加了系統運行的可靠性，提高了系統的防護等級，消除了安全隱患，達到了現行電氣安全技術規范要求。濾波補償設備的投入，抑制了系統的諧波成分，改善了系統電能質量。節能效果明顯，給企業帶來了較大的經濟效益。穩定的供電系統和良好的電能質量為安全生產奠定了良好的基礎，保障了企業設備運行的穩定，降低了用電設備故障概率，并有效延長了設備的使用壽命，為企業長期受益提供了根本保障，也為其他單位的配電設備改造提供了有益借鑒。

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