500kV輸變電工程電能損耗分析評估

珠海電力設計院有限公司 萬 浩

能源問題一直是制約我國經濟社會可持續發展的重要因素，堅持開發與節約并舉，大力推進節能降耗，提高能源利用效率，是解決能源問題的重要手段。依據國家和地方節能法規和政策，開展固定資產投資項目節能評估工作，是深入貫徹落實節約資源基本國策、嚴控項目能耗準入門檻的重要舉措，對全面推進資源節約型、環境友好型社會建設具有重要的現實意義。2016年11月國家發展和改革委員會制定并發布《固定資產投資項目節能審查辦法》，明確提出固定資產投資項目節能審查意見是項目開工建設、竣工驗收和運營管理的重要依據。

經濟發展電力先行。隨著社會經濟的不斷發展，各地500kV 及以上高壓輸電網規模日益擴大。500kV 變電站承擔著地市級電力負荷的供電任務，具備供電功率和年供電量大、建設投資高等特點，因此節能評估工作是500kV 輸變電項目前期的重要工作之一。

1 輸變電工程電能損耗組成

在電力系統中，發電廠生產的電力通過電力網絡流向用電端，但由于各級電網元件存在一定阻抗，導致電力在流通過程中產生了電能損耗。對于輸變電工程而言，其電能損耗主要包括電力傳輸過程中的運行設備損耗以及變電站日常用電設備損耗，運行設備損耗分為站內設備損耗和站外設備損耗。

站內設備損耗。主要包括變電站內的主變壓器、電抗、電容等元件損耗。其中最主要的是變壓器損耗，變壓器損耗主要包括變壓器鐵芯中的鐵損（固定損耗）和變壓器繞組電阻上的銅損（可變損耗）。變壓器鐵損（固定損耗）是鐵芯的磁滯損耗和渦流損耗，變壓器只要通電即存在鐵損，與通過的功率無關，主要與變壓器的容量和電壓有關；變壓器銅損（可變損耗）與電阻和通過電流有關。

站外設備損耗。包括輸電線路電阻損耗與電暈損耗，其中架空線路主要包括電阻損耗及電暈損耗，電纜線路主要為電阻損耗；用電設備損耗。用電設備指為保障變電站正常可靠運行的設備，如控制、信號、保護、照明、消防等附屬生產設施，該部分設備負荷主要由站用變壓器供電。變電站站用電水平主要與變電站電壓等級、規模及自動化程度有關。

2 500kV 輸變電工程算例分析

2.1 500kV 輸變電工程概況

該500kV 變電站本期建設2×1000MVA 主變壓器，采用單相自耦變壓器，額定容量為1000/1000/240（334/334/80MVA）。本期每臺主變低壓側裝設2組60MVar 低壓電容器和2組60MVar低壓電抗器。站內設置3臺站用變壓器，包括2個工作電源和1個備用電源，站用變壓器容量選用800kVA。500kV 出線本期4回，解口近區500kV架空線路入本站，新建500kV 同塔雙回架空線路長約2×2×27km，導線截面采用2×630mm2。

2.2 變電設備電能損耗計算

變電站主要能耗包括設備損耗及站內生產設備用電量。設備損耗包括主變損耗、站用變損耗、電容器損耗、電抗器損耗等，即500kV 變電站站內部分主要能耗＝主變損耗＋站用變損耗＋電容器損耗＋電抗器損耗+生產設備用電量。

2.2.1 主變壓器損耗

根據《電力系統設計手冊》，主變壓器的能量損耗計算公式為：ΔAT=ΔP0T+3∫0TI2RT×10-3dt，式中第一項為鐵損，第二項為銅損。采用最大負荷損耗時間法進行計算，計算式為：ΔAT=ΔP0T+3ΔPsγ2τ，式中，ΔAT為變壓器年損耗電量；ΔP0為空載損耗；ΔPs為短路損耗；T 為年運行時間；γ為變壓器最大負載率；τ為最大負荷損耗時間。

該變電站1000M VA 主變型式采用三臺334 MVA 單相自耦變壓器，額定電壓下，單臺變壓器空載損耗不大于85kW，短路損耗不大于450kW。按主變合理負載率50%考慮，年運行時間T 取8000小時；按當地最大負荷利用小時數5100小時、功率因數0.95，查《電力系統設計手冊》表可得，最大負荷損耗時間τ 取3310小時。按以上公式計算，該500kV 變電站本期2臺1000MVA 主變壓器年電能損耗約為631.4萬kWh/年。

2.2.2 站用變損耗計算

該500kV 變電站內設置3臺站用變壓器，包括2個工作電源和1個備用電源，站用變壓器容量選用800kVA，額定電壓下空載損耗980W，短路損耗7500W。根據站用變負荷測算，站用變主變負載率約為50%，年運行時間T 取8000小時，查表得最大負荷損耗時間τ 取7350h。因此，按ΔAT=ΔP0T+3ΔPsγ2τ 計算，本工程2臺工作站用變年功率損耗約為4.3萬kWh/年。

2.2.3 并聯電容器損耗計算

根據《電力系統設計手冊》，變電站內電容器損耗相關計算公式為：ΔA=0.003QcT，其中：Qc為電容器容量；T 為電容器年運行時間。該變電站每臺主變壓器本期配置2×60MVar 低壓并聯電容器組，主要用于補償主變無功損耗。通過考察該變電站在不同負載率下的無功平衡及無功設備投入情況，測算得到該變電站每組電容器組的等效運行時間T 取1500小時。因此按上式計算，該站本期新建2×60MVar 低壓并聯電容器組年電能損耗約為108萬kWh/年。

為減少電容器組涌流倍數及抑制諧波電壓放大，減小系統電壓波形畸變，需在每個電容器裝置回路中增加串聯電抗器。該站采用12%干式空心單相串聯電抗器，在75℃、額定電流和額定頻率下，串聯電抗器額定損耗不超過26.4kW。根據《電力系統設計手冊》，變電站內電抗器損耗相關計算公式：ΔA=ΔPeT，其中：ΔPe為額定電壓下的功率損耗；T 為電抗器運行時間。根據設備參數及設運行時間，按上式計算，該站本期串聯電抗器損耗電能約為47.5萬kWh/年。

綜上，該站低壓并聯電容器年電能損耗合計約為155.5萬kWh/年。

2.2.4 并聯電抗器損耗計算

為實現無功就近平衡，提高電網運行靈活性，增加無功電壓調節手段，該變電站每臺主變壓器本期配置2×60MVar 低壓并聯電抗器組，采用單相干式空芯并聯電抗器組，在75℃、額定電流和額定頻率下，并聯電抗器額定損耗不超過65.5kW。通過考察該變電站在不同負載率下的無功平衡及無功設備投入情況，測算得到該變電站每組電抗器組的等效運行時間T 取1500小時。因此，按ΔAT=ΔPeT 計算，該站本期新建2×60MVar 低壓并聯電抗器年電能損耗約117.9萬kWh/年。

2.2.5 站用變壓器用電量計算、站內電能損耗合計

該500kV 變電站3臺站用變壓器，包括2個工作電源和1個備用電源，站用變壓器容量選用800kVA。工作站用變運行時間T 取8000小時，參考廣東電網公司輸變電工程電力消費量核算值，全站站用變年用電量約為169萬kWh/年。綜上，該500kV 輸變電工程站內設備電能損耗合計約762.4萬kWh/年，其中站內設備損耗593.4萬kWh/年，生產設備用電量169萬kWh/年。

2.3 輸電設備電能損耗計算

架空線路主要包括電阻損耗及電暈損耗。根據《電力系統設計手冊》，電阻損耗功率計算公式為：P=3×I2×R，其中：I 為線路達產時的輸送電流；R為線路電阻參數，參考《電力工程高壓送電設計手冊》中取值，該站4×JL/LB20A-630/45架空導線電阻參數取0.0118Ω/km。

電能損耗計算公式為：A=K×P×τ×L，其中：K 為線路損耗折算系數； τ 為年最大負荷損耗時間；L 為線路長度。該500kV 輸變電工程本期解口新建同塔雙回線路長約2×27.0+2×27.0km，根據電網潮流分析，該工程本期新建的兩個雙回路架空線路達產年輸送潮流分別約為212MA、497MW，核算輸送電流分別約為250A、585A。

按當地最大負荷利用小時數5100小時、功率因數0.95，查《電力系統設計手冊》表可得，最大負荷損耗時間τ 取3310小時。損耗綜合折算系數K取1。線路年電暈損耗按電阻損耗的10%近似計算。結合工程實際，計算該工程本期新建500kV 線路總損耗約為281.7萬kWh/年。

2.4 年電能損耗計算結果

綜上分析，該500kV 輸變電工程達產后年電能損耗合計約1044.1萬kWh/年，其中變電站損耗593.4萬kWh/年，線路損耗281.7萬kWh/年，生產用電169萬kWh/年。項目能源消耗以電力為主，當量值折標系數取0.1229kgce/kWh，等價值折標系數采用0.3055kgce/kWh，項目主要耗能一覽如表1。

表1 項目主要耗能一覽表

2.5 項目能效評估

500kV 輸變電工程主要通過主變電壓自動把500kV 電力降壓至220kV 電力以滿足當地對電能的需要，屬于《產業結構調整指導目錄（2019年本）》（國家發改委2019年第29號令）中允許類。該500kV 輸變電工程達產后年輸送電能約40.8億kWh，年耗能約1044.1萬kWh/年，項目綜合能源損耗率僅為0.26%，其中500kV 線路損耗率0.07%，主變壓器損耗率為0.08%，均低于當地平均值，符合國家產業政策，滿足清潔能源生產的需求。

該500kV 輸變電工程年達產年電能損耗預計占該地區用電量的比例僅為0.06%，對所在地區能源消費增量無明顯影響。項目電能損耗較少，綜合能源損耗率較低，同時項目的投產對降低主變負載率、縮短供電半徑、降低區域電網網絡損耗具有積極意義。項目能量平衡框圖如圖1所示.

系統節能措施評估：通過擬定合理的接入系統方案，在滿足正常、檢修及故障方式下，系統潮流均勻、電網結構安全可靠的前提下，優化電網潮流分布，降低電網網絡損耗；以無功分層、分區就地平衡的目標，變電站近區無功補償充足、合理，減少了500kV 電網下送無功，降低主變壓器損耗，實現電網經濟運行。

變電節能措施評估：在相同電氣參數的條件下，優先選擇低耗高效的節能設備。其中，優先選用低損耗變壓器以及電容器組，照明選用節能型燈具燈具，合理布置燈具和空調位置、減少使用數量、降低用電負荷；項目優化了建筑設計，改善站內建筑日照、通風、采光、隔熱等性能設計；積極采用節能新技術和新設備，不采用國家明令禁止和淘汰的落后工藝及設備。

輸電節能措施：按照經濟電流密度，合理選擇導線截面。線路導線采用高導電率鋁包鋼芯鋁絞線，降低線損。同鋁包鋼絞線和鋁合金絞線相比，鋁包鋼芯鋁絞線鋁線導電率最高，可以達到同等截面銅導線的61%～63%，線損小、能源利用率高；采用子導線分裂間距500mm，減少導線表面電位梯度和次檔距振蕩，提高導線的輸送能力；采用節能金具，防止電暈和渦流損失。導線懸垂線夾采用鋁合金材料制造的防暈線夾，絕緣子串加裝均壓屏蔽環；鐵塔主材采用Q420高強度鋼，減少塔材耗量，從而達到節能降耗的目的。

3 結語

電網電能損耗的評估方法眾多，本文應用的最大負荷損耗時間法主要應用于輸變電工程的節能評估分析，能耗測算過程中諸多計算參數應結合項目所在地區電網實際運行進行合理選擇和調整，以期盡量與實際運行情況相切合。

本文通過工程實際算例分析，探討了500kV 輸變電工程的主要能耗環節，測算結果顯示，500kV輸變電工程作為電網大型固定資產投資項目，其能耗水平超過500萬kWh/年，按《固定資產投資項目節能審查辦法》要求需編制節能評估報告書并通過節能部門審查。500kV 輸變電工程綜合能源損耗率極低，同時500kV 輸變電工程的建設對于滿足區域電力負荷發展、優化電網供電半徑、降低電網線損率等均具有明顯效果，對促進地區經濟發展、實現節能減排目標、助力雙碳目標實現具有積極意義。