1 引言
近十年來,我國電力裝機(jī)容量每年以10GW的速度遞增,大大緩解了供電緊張的局面。從1997年的表面現(xiàn)象來看,全國大部分地區(qū)開始出現(xiàn)電力飽和現(xiàn)象。例如山東省的裝機(jī)容量已達(dá)16GW,但全年的高峰負(fù)荷尚不足11GW。伴隨著供電量增加的同時,電網(wǎng)建設(shè)的速度明顯滯后,網(wǎng)絡(luò)損耗問題日益突出。近幾年來,國家電力公司和省市電業(yè)局都開始重視這一問題。大家已普遍認(rèn)識到降低網(wǎng)損是供電部門減小供電成本的重要突破口,也是今后增加供電量的重要手段。有專家估算,通過降損來提高供電量,成本僅為興建電廠成本的1/4~1/5,是非?尚械。國家電力公司電力科學(xué)研究院曾就系統(tǒng)網(wǎng)損做過較全面的調(diào)查,分析報告表明了降損的潛力和意義[1]。
當(dāng)前我國的電力網(wǎng)損耗可分為3個等級:220kV及以上電壓等級網(wǎng)損;110kV及35kV網(wǎng)損;10kV網(wǎng)損。這三部分網(wǎng)損量的比例大致為1.5∶1.1∶2.5,其中10kV配網(wǎng)的降損潛力最大。
10kV及以下配電網(wǎng)網(wǎng)損大的突出原因在于,配電網(wǎng)建設(shè)嚴(yán)重滯后,網(wǎng)架薄弱,設(shè)施老化,線路長,線徑小,有的10kV線路長50~70km,甚至有100km以上者,另外配電變壓器也大部分為高能耗變壓器。農(nóng)網(wǎng)的這一問題尤為突出,“八五”末期全國農(nóng)網(wǎng)網(wǎng)損平均為28%。
從降低網(wǎng)損和提高供電可靠性的角度出發(fā),10kV配電線路的長度應(yīng)控制在10km以內(nèi)。目前全國城網(wǎng)10kV配電線平均長度約6km左右,一些大城市市區(qū)內(nèi)已縮短在1~2km以內(nèi),因而損耗并不大(城區(qū)配電網(wǎng)的損耗主要集中在400V側(cè))。但在廣闊的農(nóng)網(wǎng)領(lǐng)域,由于變電站數(shù)量少,長距離供電是一種普遍現(xiàn)象,并且由于負(fù)荷量小,不可能選擇過粗的線徑,這就造成線路的阻抗大,損耗也大。線路的阻抗大,使得線路的首末端電壓降特別大,嚴(yán)重超出國家和地方有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求,造成部分地段電壓質(zhì)量不合格。10kV配電線路的損耗高,給電力部門帶來了不應(yīng)有的損失,并且間接地提高了供電電價,加之電能質(zhì)量的不合格,嚴(yán)重影響了特別是農(nóng)村用戶的用電積極性。
此次城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造中,電網(wǎng)降損問題已引起廣泛重視[2,3],被列為電網(wǎng)改造要重點解決的問題之一。城鄉(xiāng)電網(wǎng)特別是低壓電網(wǎng)的降損問題如能得到很好解決,將會極大地挖掘農(nóng)村的用電潛力,對解決電力飽和問題意義重大。
[b]2 無功補(bǔ)償是10kV配電網(wǎng)降損升壓的有效手段
[/b] 圖1為一條導(dǎo)線的簡化等值電路(10kV線路的對地導(dǎo)納可忽略)。有功功率損耗ΔPi為
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由式(1)中不難看出,要想減小損耗,有以下幾種辦法:①減少流經(jīng)導(dǎo)線的有功電流;②減少流經(jīng)導(dǎo)線的無功電流;③減小導(dǎo)線的等值電阻,即加大導(dǎo)線截面,縮短供電半徑。導(dǎo)線的電壓一般在額定值附近,可作為定值處理。
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圖1 一條線路的等值電路
圖2為變壓器的等值電路圖。其有功功率損耗ΔPT為
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圖2 變壓器等值電路
變壓器降損的方法有3種,方法①、②同上述線路降損的辦法,第3種方法是減小GT與RT,即采用低損耗變壓器。
另外,以圖1為例,線路的壓降為
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減小壓降的方法也同樣在于減少流經(jīng)導(dǎo)線的有功、無功電流以及減小導(dǎo)線的等值阻抗。
在工程實踐中,以下措施得到了重視:
(1)改造配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu),甚至提高電壓等級和增加變電站所,合理分配有功和無功;
。2)更換高能耗變壓器;
。3)加大導(dǎo)線截面,縮短供電半徑;
。4)無功功率補(bǔ)償。
這4種措施相互關(guān)聯(lián),但并不沖突,主要應(yīng)根據(jù)所在地的實際損耗情況和資金情況予以考慮。
第一種改造措施是基于對配電網(wǎng)長遠(yuǎn)發(fā)展考慮的好辦法,它合理地改造不盡完善的配電網(wǎng),可以為配電網(wǎng)提供10年以上高效、穩(wěn)定的運行環(huán)境。但是由于工程投資巨大,投資回收期長,大多數(shù)的市鎮(zhèn)在目前都難以開展這項工作,局部和小范圍的改造比較現(xiàn)實。
第二、三種措施投資已大為減小,但仍可觀。資金充裕的地區(qū)可以考慮。
第四種措施投資最少,同時由于我國配電網(wǎng)長期以來無功匱乏,由其造成的網(wǎng)損蔚為可觀,通過無功補(bǔ)償來降低網(wǎng)損和提高電壓是一種投資少回報高的方案。在配電變壓器低壓側(cè)的補(bǔ)償不但可以降低線路損耗,而且能夠降低配變的損耗,一些高能耗變壓器因損耗降低而還可以延遲退役,電壓質(zhì)量也將因此而有很大改善。據(jù)估算,網(wǎng)損在10%以上的10kV配電線路,大致可降損5%~10%,投資可在1~2年內(nèi)回收。而前幾種措施要達(dá)到同樣降損效果,投資需在3~4倍以上。
所以總的來看,通過無功補(bǔ)償來降損升壓是配電網(wǎng)改造的有效辦法,在無功補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上再因地制宜、卓有成效地實施其他改造,應(yīng)是大多數(shù)地區(qū)配電網(wǎng)特別是農(nóng)網(wǎng)的首選方案。
[b]3 配電網(wǎng)無功補(bǔ)償現(xiàn)存的幾個問題
[/b] 隨著人們對配網(wǎng)建設(shè)的重視和無功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展,低壓側(cè)無功補(bǔ)償技術(shù)在配電系統(tǒng)中也開始普及。從靜態(tài)補(bǔ)償?shù)絼討B(tài)補(bǔ)償,從有觸點補(bǔ)償?shù)綗o觸點補(bǔ)償,都取得了豐富的運行經(jīng)驗。但是,在實踐過程中也暴露出一些問題,必須引起重視。
。1)補(bǔ)償方式問題。
目前很多部門無功補(bǔ)償?shù)某霭l(fā)點還放在用戶側(cè),即只注意補(bǔ)償用戶的功率因數(shù),而不是立足于降低電力網(wǎng)的損耗。如為提高某電力負(fù)荷的功率因數(shù),增設(shè)1臺補(bǔ)償箱,這固然會對降損有所幫助。但是如果要實現(xiàn)有效的降損,必須通過計算無功潮流,確定各點的最優(yōu)補(bǔ)償量、補(bǔ)償方式,才能使有限的資金發(fā)揮最大的效益。這是從電力系統(tǒng)角度考慮問題的方法。
如北京某地線路的補(bǔ)償方案由于缺乏通盤考慮,投資三、四十萬元,而線路降損只有1%。而經(jīng)計算,該線路的降損潛力至少有5%~6%,如果能合理補(bǔ)償,完全可以達(dá)到這一降損目標(biāo)。
。2)諧波問題。
電容器具備一定的抗諧波能力,但諧波含量過大時會對電容器的壽命產(chǎn)生影響,甚至造成電容器的過早損壞;并且由于電容器對諧波有放大作用,因而使系統(tǒng)的諧波干擾更嚴(yán)重。另外,動態(tài)無功補(bǔ)償柜的控制環(huán)節(jié),容易受諧波干擾影響,造成控制失靈。
因而在有較大諧波干擾,又需補(bǔ)償無功的地點,應(yīng)考慮添加濾波裝置。這一問題普遍被忽視,致使一些補(bǔ)償設(shè)備莫名其妙地?fù)p壞。因而做無功補(bǔ)償設(shè)計時必須考慮諧波治理。
。3)無功倒送問題。
無功倒送是電力系統(tǒng)所不允許的,因為它會增加線路和變壓器損耗,加重線路負(fù)擔(dān)。無功補(bǔ)償設(shè)備的生產(chǎn)廠家,雖然都強(qiáng)調(diào)自己的設(shè)備不會造成無功倒送,但是實際情況并非如此。對于接觸器控制的補(bǔ)償柜,補(bǔ)償量是三相同調(diào)的;對于晶閘管控制的補(bǔ)償柜,雖然三相的補(bǔ)償量可以分調(diào),但是很多廠家為了節(jié)約資金,只選擇一相做采樣和無功分析。于是在三相負(fù)荷不對稱的情況下,就可能造成無功倒送。至于采用固定電容器補(bǔ)償方式的用戶,在負(fù)荷低谷時,也可能造成無功倒送。選擇補(bǔ)償方式時,應(yīng)充分考慮這一點。
。4)電壓調(diào)節(jié)方式的補(bǔ)償設(shè)備帶來的問題。
有些無功補(bǔ)償設(shè)備是依據(jù)電壓來確定無功投切量的,這有助于保證用戶的電能質(zhì)量,但對電力系統(tǒng)而言卻并不可取。因為雖然線路電壓的波動主要由無功量變化引起,但線路的電壓水平是由系統(tǒng)情況決定的。當(dāng)線路電壓基準(zhǔn)偏高或偏低時,無功的投切量可能與實際需求相去甚遠(yuǎn),出現(xiàn)無功過補(bǔ)或欠補(bǔ)。
綜上所述,10kV配電網(wǎng)低壓側(cè)的無功補(bǔ)償工作應(yīng)更多地考慮系統(tǒng)的特點,不應(yīng)因電壓等級低、補(bǔ)償容量小而忽視補(bǔ)償設(shè)備對系統(tǒng)側(cè)的影響(包括網(wǎng)損)。如果需降損的線路能基于一個完善的補(bǔ)償方案進(jìn)行改造,則電力系統(tǒng)側(cè)的收益將比分散的純用戶行為的補(bǔ)償方式要大得多。
[b]4 無功補(bǔ)償?shù)挠嘘P(guān)技術(shù)分析
[/b] 圖3為10kV配電線路無功補(bǔ)償?shù)氖疽鈭D。CVC是指混合式的無功補(bǔ)償設(shè)備(Composite Var Compensator),放置在配電變壓器出線端,連同變壓器一起進(jìn)行無功補(bǔ)償。
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圖3 10 kV配電線路無功補(bǔ)償示意圖
在無功補(bǔ)償工程中,本文使用等網(wǎng)損微增率來優(yōu)化補(bǔ)償容量。
設(shè)QC為線路總補(bǔ)償容量,kvar;K1為單位補(bǔ)償容量的一次性成本,元/kvar;K2為單位時間內(nèi)單位補(bǔ)償容量的運行維護(hù)費用,元/kvar*a),T為時間,a;F1為時間段內(nèi)的總費用:
F1=K1QC+K2QC T (4)
設(shè)β為單位電價,元/kWh;Q1,Q2,…,Qn為線路上各點的補(bǔ)償容量,QC=Q1+Q2…+Qn;τmax為全網(wǎng)每年最大損耗小時數(shù),kW;ΔP為線路補(bǔ)償后降低的網(wǎng)損,kW;F2為時間段T內(nèi)網(wǎng)絡(luò)降損后節(jié)省的電能費用,元。所以有
ΔP=f(Q1,Q2,…,Qn) (5)
F2=βΔPTτmax 。6)
所以時間段T內(nèi)的投資收益F為
F=F2-F1=βΔPTτmax-K1QC-K2QCT 。7)
要想使經(jīng)濟(jì)效益最好,必須使[img=48,39]http://zszl.cepee.com/cepee_kjlw_pic/files/wx/dwjs/dwjs9906/image1/gs0404.gif[/img],所以有
[img=231,42]http://zszl.cepee.com/cepee_kjlw_pic/files/wx/dwjs/dwjs9906/image1/gs0405.gif[/img](8)
由式(8)可以組成N個方程。假定時間已知,方程組共有N個變量(Q1,Q2,…Qn),由此可以求得Q1,Q2,…Qn。
令式(7)=0,可以求得投資回收時間T0:
[img=144,41]http://zszl.cepee.com/cepee_kjlw_pic/files/wx/dwjs/dwjs9906/image1/gs0406.gif[/img](9)
如果先確定總補(bǔ)償容量QC,以ΔP最大為目標(biāo),則可得
[img=195,36]http://zszl.cepee.com/cepee_kjlw_pic/files/wx/dwjs/dwjs9906/image1/gs0407.gif[/img](10)
由式(10)可以組成N-1個方程,方程組共有N-1個變量,也可以求得Q1,Q2,…,Qn。同樣用式(9)可以求得投資回收時間T0。
投資補(bǔ)償效果可用示意圖說明,如圖4。由圖可見,當(dāng)cosφ=1時線路是完全補(bǔ)償?shù),由零補(bǔ)償?shù)酵耆a(bǔ)償?shù)倪^程中,曲線斜率越來越小,說明網(wǎng)損的減小越來越不顯著。所以在實際工程
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圖4 投資補(bǔ)償效果示意圖
中,線路的補(bǔ)償度一般控制在功率因數(shù)為0.9~0.95之間。
圖5示意了投資收益與時間的關(guān)系。cosφ1>cosφ2>cosφ3,分別對應(yīng)于3條曲線。cosφ3所對應(yīng)的補(bǔ)償度較低,投資回收期較短;cosφ1所對應(yīng)的補(bǔ)償度較高,投資回收期較長,但在一個較長時間段內(nèi)收益較大。
[img=232,175]http://zszl.cepee.com/cepee_kjlw_pic/files/wx/dwjs/dwjs9906/image1/0405.gif[/img]
圖5 投資收益與時間的關(guān)系
綜上所述,10kV及380V線路是資源側(cè)和需求側(cè)的交匯點,由于電壓等級低,一直被電力系統(tǒng)所忽視,因而存在的問題也較多,損耗大、電能質(zhì)量差是比較突出的,所以此次電網(wǎng)改造的著力點應(yīng)在配電。但是如何搞好配電網(wǎng),大家并無足夠的經(jīng)驗。筆者根據(jù)自己的調(diào)查和研究,認(rèn)為配電線路的綜合無功補(bǔ)償工作在降損節(jié)能中有重要意義,是目前配電網(wǎng)改造工作中值得重視的技術(shù)方向。
[b]參考文獻(xiàn)
[/b] 1 能源部電力科學(xué)研究院.電力系統(tǒng)網(wǎng)損調(diào)查分析報告.1989
2 魏光耀. 我國城市電網(wǎng)的現(xiàn)狀與發(fā)展.供用電,1998(1)
3 包敘定. 加快農(nóng)網(wǎng)改造開拓農(nóng)村市場.1998,6