第9卷第11期 电潦教 石阕 Vo1.9 No.11 2006年11月 POWER SUPPLY TECHNOLOGIES AND APPLICATIONS Novenlber 2006 基于节能降耗的变电所供配电系统 改造设计 冯见君 (金堆城钼业集团有限公司百花岭选矿厂, 陕西 华县714102) 摘要:对金堆城钼业集团有限公司百花岭选矿厂磨浮车间变电所供配电系统存在的问题进行了 深入的分析和研究,提出了基于节能降耗的变电所供配电系统改造设计方案,利用大量的实测数 据对改造后的供配电系统所取得的经济效益进行了系统的分析,并验证了改造方案的正确性。 关键词:供配电系统;变压器;无功补偿;效益分析 A Rec0nstructi0n Design Based on Saving Energy and Reducing Energy Loss for the Power Supply Distribution System FENG Jian-jun (Jinduieheng Molybenum Group Co.LTD.,Huaxian Shaanxi 7 14102,China) Abstract:A detail analysis and investigation for the problem caused by the power supply distribution system of the transformer substation is presented.A reconstruction design scheme based on saving energy and reducing energy loss is developed,Meanwhile,a systemic analysis for the economic benefit is described for the proposed power supply distribution system with substantive nleasurenlent data,and the validity of the reconstruction design scheme has also been proved. Keywords:power supply distribution system;transformer;reactive power compensation;benefit analysis 中图分类号:TM46 文献标识码:B 文章编号:0219—2713(2006)1 1-0047—07 O 引言 电系统,经过生产工艺流程改造后,变压器的利用 率就显得更低了:因此.磨浮车间变电所供配电系 金堆城钼业集团有限公司百花岭选矿厂磨 统原有的供电方式从电耗方面来讲已经不能满足 浮车问变电所现在共有4台电力变压器,其中 现有用电设备的供电要求。其主要原因如下。 1 、2 、3 变压器容量为1 350 kVA,10#变压器容 (1)现运行中的4台变压器负荷率分别为:1 量为800kVA.该系统承担着同步机励磁装置、磨 变压器42%、2 变压器45%、3 变压器42%、l0 矿给料设备、浮选设备及再磨设备的供电任务。 变压器30%,变压器利用率较低: 随着生产工艺流程的改造,磨浮车间浮选设 (2)原有供配电系统未设计无功补偿装置,系 备的装机容量较改造前降低了1 100 kW.对整个 统功率因数较低: 系统而言.相当于减少了一台1 350kVA变压器的 (3)变压器自身损耗大,每月基本电费高; 容量。这样一来.原本变压器利用率就不高的供配 (4)原设计的4台变压器1 与l0 、2 与3 低 压配电屏内有母联开关.但容量较小,并且各变压 收稿日期:2006—09—04 器负荷分配不均匀.当一台变压器有故障时,会导 47 维普资讯 http://www.cqvip.com
第9卷第11期 电潦艘 石阌 Vo1.9 No.11 2006年11月 P0WER SUPPLY TECHNOLOGIES AND APPLICATIONS November 2006 致系统停产; 从以往系统运行情况来看,由于个别开关的 (5)变压器二次侧无进线开关,无论是在用电 质量不过关或日常检修维护不当,当用电设备发 负荷处发生短路事故,还是在电气工作人员的日 生短路事故时,反映到变压器一次侧仍为过电流 常操作时,都难以确保人身和设备安全; 保护动作,由于保护继电器均采用GL型反时限 (6)由于变电所需要给4台1 250kW同步机 感应式过流继电器,其动作时间长,往往在变压器 提供励磁电源,而励磁装置属于整流设备,产生高 一次侧断路器跳闸时,低压配电屏内部因短路事 次谐波,影响电能质量,同时,高次谐波进入电动 故已发生大面积弧光损坏开关现象。 机使其发热,降低了电动机的使用寿命。 在本文中,针对以上问题,首先对现有的供配 2 基于节能降耗的供配电系统设计 电方案进行了详细的用电负荷计算及测量,提出 了一种基于节能降耗的新的供配电系统方案,并 通过测试计算,变电所的平均运行负荷为 在实际的系统中进行了改造应用.取得了很好的 1 969.868 kW,占两台1 350kVA变压器容量的 效果 73%;因此,两台1 350kVA变压器作为主变运行, 完全可以满足系统所有用电负荷的供电需求。因 1 原供配电系统用电负荷的计算分析 此所提出的方案为:由原来4台变压器供电方式 及实际测量 (参见图1)变为两台变压器运行,一台变压器备 用的供电方式(参见图2)。 原供配电系统的供电方案如图1所示。 由 l‘ 《; ‘ 《 ;) l l厂 10 4kV , 一 /l / 0 4k、 [=] 二=] 图1 改造前变电所的供电方案 图2 改造后变电所的(最终)供配电方案 为了对该系统进行重新设计,确定供电方案, 为了解决系统改造后依然存在的问题,需要 首先需要对现有用电负荷进行测试。经过对每台 在变压器二次侧增加保护元件,考虑到一次性投 变压器主要用电负荷进行3次以上测试,并进行 资要少,又在正常情况下仅有两台主变投入运行, 综合计算得到数据,如表l~表4所列。 备用变压器仅在主变检修或故障情况下才投入使 表1 1 变压器负荷测试计算表 注:1 变压器合计功率562.397kW,一次电压6000V,一次电流80A,功率因数0.676,无功功率613.064 kvar 视在功率831.948 kVA。 48 维普资讯 http://www.cqvip.com
★技术与应用 基于节能降耗的变电所供配电系统改造设计一一 表2 2 变压器负荷测试计算表 注:2 变压器合计功率609.076kW,一次电压6000V,一次电流85 A,功率因数0.690,无功功率638.920kvar, 视在功率882.719kVA。 表3 3 变压器负荷测试计算表 注:3 变压器合计功率563.075 kW,一次电压6000V,一次电流65A,功率因数0.834,无功功率372.52kvar, 视在功率675.15kVA。 表4 10 变压器负荷测试计算表 注:10"变压器合计功率235.32kW,一次电压6000V,一次电流38A,功率因数0.596,无功功率317.044kvar, 视在功率394.832 kVA。 用.所以最终确定在主变的二次侧加装进线柜,备 用变压器二次侧经高压隔离开关分别与两台主变 进线柜负荷侧母线直接相连接。同时,为了对系统 进行无功补偿及消除高次谐波,并确保两台主变 电,总测算负荷为1 033 kW,因为浮选设备全部属 电动机负载,可以对其进行单纯的并联电容器无 功补偿:由2 主变给同步机励磁设备、分级机、再 磨机等供电,总测算负荷为937kW,因有整流设 备,可以对其进行消谐补偿;1 变压器作为2 与 49 所带负荷分配合理,由3 主变给所有浮选设备供 维普资讯 http://www.cqvip.com
第9卷第11期 2006年l1月 奄潦挝 石阙 POWER SUPPLY TECHNOLOGIES AND APPLICATIONS Vo1.9 No.1l November 2006 3 主变的备用变压器。 2.1 短路电流计算 为了准确、合理地选择电气元件,使得在用电 设备发生短路故障时保护装置能可靠动作,切除 故障回路,有必要计算系统在最大运行方式下的 三相短路电流。 改造后的变电所低压供电线路最大运行方式 下的计算电路如图3所示。 厂 ] l kv厂 一 缆vI_v29 m U T’1 U 一3 ̄95/1l5m一\x/ , 隔离开咒 l 断路器 变乐器 G N2-1.20 由J土 “ SN1 0 -il/ t01)0 斛 //7 厂 ] 1  ̄tVLV29 .…一 断路措 离丌关315m器 图3 计算电路 由于所要计算的是低压母线上的三相短路电 流,一般来说,当低压配电系统中的变压器容量不 超过供电电源容量的5%时,可认为在短路时降压 变压器的高压侧电压不变和低压侧短路电流不衰 减,也就是可以按照无限容量系统来计算。在忽略 隔离开关、低压断路器触头的接触电阻情况下.计 算如下。 2.1.1 计算短路电路中各元件的电阻、电抗值 为了计算方便,电压单位用V,阻抗单位用 mn,电流单位用kA,容量单位用kVA。 (1)系统阻抗的计算磨浮进线的ZN28—10/ 3150—40真空断路器的有关技术参数为额定电压 =10kV,额定电流L=3 150A,额定短路电流 = 40 kA,由此计算出该断路器的短路容量为5山= 3 U =693M 短路点的电压Ur=400V。 系统阻抗X i=Uj2/S ̄=4002/69 300=0.230 9 mn (2)电力变压器阻抗的计算 SJL一1350/10 型电力变压器有关技术参数为额定容量S = 1 350kVA,二次额定电压U2e=400V,阻抗电压 Ud%=4.91,短路损耗Pd=16.4 kW。 变压器相电阻为 尺4=尺5=PaxU SZ=16.4x400 /1 350 =1.439 8 m 。 变压器阻抗标么值为 =x/lUd%/100 1 2(pJs ) =0.0476。 50 变压器相电抗为 X4=Xs=Xj,*xU ̄2/S  ̄=0.047 6 ̄4002/1 350=5.64 1 5 mQ (3)电力电缆阻抗的计算(折算到变压器二次 侧) 查阅有关手册知:6kV~10kV每相的电力电 缆单位长度其电阻平均值ro=0.42 ml ̄/m,单位长 度电抗平均值Xo=0.08mQ/m。折算到变压器二次 侧电力电缆的电抗及电阻为 R2=尺3=roxLxU U1 =0.42x1 15x400V6 0002=0.214 7 mn XFX xLxU fU =0.08x 1l 5x400V6 000 =0.040 9 mn 式中:£为6 kV高压电缆长度(In); 、 。 为变压器一、二次电压(V)。 2.1.2 绘制等效电路 绘制的等效电路如图4所示。 2 R4 02l4'7 l 4399 广—_亡==)——— ===卜—_1 0 2309 l l 争_[= lLR347 l 4389 卜__o I ——[==]————-o 2I[二==卜—__J 图4 等效电路 2.1.3 短路点的总阻抗 短路点的总阻抗Z为 =、/【(尺 )//(k )] [ ( 2)//(x ̄+x )] =3.18l 5mQ 2.1.4 短路点的三相短路电流周期分量有效值 I'=Ud Z=400/ x3 1815=72 59 kA 在正常情况下变压器实际上是单独运行的, 此时短路点的总阻抗为 zl_、/【(R4+尺2)J +【X +【X 十 2)J =、/i 1.4398+0.2147) 1 0.2309+5.6415+0.0409 =6.140 4mn 所以,短路点的三相短路电流周期分量有效 值为 r'=G/ Z=400/ x6 140 4=37 61 kA 由于在计算短路电流时忽略了各主要元件的 接触电阻,所以实际短路电流值要比计算值小。 2.2 电气元件选择 为了更好地保护用电设备,使其能可靠运行, 依据系统短路电流、用电设备的负荷和SJL一1350/ 10(I。 =130 A、, 1 947 A)变压器的参数选择低压 维普资讯 http://www.cqvip.com
一一★技术与应用 基于节能降耗的变电所供配电系统改造设计—— 配电设备及柜内电气元件。 (1)低压配电设备选择GGD型交流低压配电 柜,该配电柜有较好的散热性能,柜门安装、拆卸 方便,柜体顶盖可拆除,便于现场主母线的装配和 调整,柜体防护等级为IP30,整套设备价格低廉。 (2)进线开关选择DW17—2500,其分断能力 80kA/cos ̄=0.2,为抽屉式断路器。该断路器具有欠 电压保护、过流保护及短路保护;采用立体式布 置,结构紧凑,体积小,重量轻,系列性强,零部件 互换性好,保护系统齐全,经济技术指标高,维修、 维护、使用方便。 (3)配电与电动机用断路器均选用CM1一L或 M型塑料外壳式断路器。该断路器具有体积小,分 断能力强,飞弧距离小,耐震动等特点。不同的负 载选用不同类型的断路器及断路器脱扣器存在误 差,所以热脱扣与瞬时脱扣整定电流值按照不同 用电设备进行整定,且满足式(1) ,I1≥K lI×,I, (1) 式中:,l1为线路的计算电流; K础为低压断路器的长延时脱扣器的可靠系 数,一般取 。=1.1—1.3。 为使低压断路器可靠地切断接地故障,应按 照式(2)校验断路器脱扣器动作的灵敏性 K。≤,k J/, (2) 式中:,k 为被保护线路末端最小短路电流,一般 取为单相接地短路电流: K。为断路器脱扣器的动作可靠系数,一般取 1.3。 2.3 无功补偿装置与并联电容器的选择 从表1 表4对浮选设备的用电负荷测试中 可以看出,交流异步电动机单台功率因数偏低,导 致系统无功消耗增大,从而使变压器的负荷接近 满载状态,线路电流过大不但使线路损耗增大,而 且使变压器温升过高,不利于变压器的安全运行, 所以对系统进行无功补偿,提高设备出力,降低电 能损耗是必要的。 2.3.1 补偿容量的确定 补偿前3 变压器实测功率 =l 033 kW、CO. s 0.735。考虑到系统无功功率过高会使补偿电 容器容量增大,保护元件增多,保护线路复杂,所 以仅就系统功率因数提高到cos =0.91做计算。 补偿容量Q = (tg ~tg ) =l 033(tgarccos0.735一tgarccos0.91) =482.33 kvar 2.3.2 补偿电容器型号、容量与回路数的选择 根据计算结果补偿容量确定为480 kvar,分两 部分进行无功补偿,每部分设置一个GG.12—0l低 压无功功率补偿柜,每个补偿柜柜内设置8个回 路。选择并联电容器的原则,尽量做到单台电容器 体积小,而容量相对大一些,这样可以减少电容器 的数量,缩小补偿装置的体积,保护与控制元件数 量也可以减少,设计线路可相应简单一些。经查阅 有关资料与市场调研,最终选择电容器型号为 BSMJ一0.4—30—3,每个补偿柜总容量为30 kvarxS= 240 kvar。 2.3.3 控制与保护元件的选择 (1)保护元件 单台电容器的额定电流 为 =p√、/3 U.=30/1.732x0.4=43.3 A 式中:Q 为电容器额定容量(kvar); 为电容器额定电压(V)。 熔断器的选择应遵循以下3个原则:电容器 在最大长期允许电流运行时不熔断;当电容器内 部元件击穿1/2—2/3时能够熔断,而在电容器内部 元件全部击穿短路时则应迅速熔断;在合闸涌流 下不应熔断。所以并联电容器采用熔断器保护时, 一般按照式(3)选择容丝和容管的额定电流。 In=(1.5 ̄2.5) . =(1.5 ̄2.5)x43-3 A=64.95 ̄108.25 A (3) 式中:,}1 为熔断器容体的额定电流; ,( =为电容器的额定电流。 选择熔断器型号为RT0—200/100。 热元件的选择按照式(4)的计算。 /jo=(1.1—1-3) =(1.1—1_3)43.3 A=47.63 ̄56.29 A (4) 式中:,II1为热元件的整定电流; 为电容器的额定电流。 最后,选择热元件型号为WPJ1—75/G 65A。 (2)控制元件 接触器选择型号为CJ16/19—63。该接触器带 有抑制涌流装置,不用加装电抗器就能将合闸涌 流峰值限制在额定电流的20倍以下,能有效地抑 51 维普资讯 http://www.cqvip.com
第9卷第11期 2006年11月 奄涤艇 石阕 P0WER SUPPLY TECHN0L0GIES AND APPLICAT10NS Vo1.9 No.11 November 2006 制合闸涌流对电容器的冲击和开断时的过电压。 为保证补偿装置的自动投切,安装了无功功 率自动补偿控制器来控制电流信号。无功功率补 偿控制器选择型号为JKW5C。其他电器元件的选 择这里不再一一赘述。 2.4 消谐补偿装置的设计 在实际的供电系统中,由于有非线性负荷的 存在,电流与所加电压不呈线性关系.因而形成非 正弦电流。任何周期性波形均可分解为一个基频 正弦波和许多谐波频率的正弦波。高次谐波电流 将引起系统运行电压波形的畸变.对电网造成污 染。为了抑制系统中的高次谐波.在总体设计方案 中,将能产生高次谐波的同步机励磁设备全部置 于2 主变下,这样有利于对系统进行消谐补偿。 首先对2 变压器系统的谐波情况进行测试 (数据列于表5一表6),根据测试值、系统测算功率 =937 kW、cos ̄pi =0.689及系统最大运行方式下 的短路容量5 =51 MVA等参数计算出三相基波 无功补偿容量、每相滤波电容值及每相滤波电抗 器电感值(参见表7)。然后进行一次方案设计及 控制、保护元件选型。 表5 未安装滤波设备前磨浮2#变压器谐波电流情况 谐波次数/次 谐波电流/A 2 49.6 3 17-3 5 26.5 7 50.1 l1 12-3 13 10.5 表6 未安装滤波设备前磨浮2#变压器谐波电压情况 谐波次数/次 谐波电压/% 2 1.1 3 1.03 5 0.52 7 1.06 l1 0.51 13 0-35 (1)2 变压器系统的谐波测试 从以上实际测量的数据来看,同步机励磁设 备在2#变压器系统所产生的谐波是很严重的。因 此,须设计滤波装置,对系统中的谐波加以滤除。 52 表7 2#变压器系统的滤波方案主参数 (2)2 变压器系统的滤波方案 按照上面滤波方案参数制造滤波装置。并对 滤波装置投入运行的效果进行了实际测量.具体 数据如表8一表9所列。 表8 安装滤波装置后2#变压器谐波电流情况 谐波次数/次 谐波电流/A 2 24.8 3 3.6 5 3.2 7 5.1 l1 8.5 13 5-3 表9 安装滤波装置后2#变压器谐波电压情况 谐波次数/次 谐波电压/% 2 0.362 3 0.42 5 0.26 7 0-38 l1 0.21 13 0-21 从以上谐波含量实际测量结果来看.2#变压 器系统谐波含量大部分被滤波装置吸收。且系统 功率因数从0.76左右提高到0.95左右。 3 经济效益分析 百花选厂磨浮车间变电所供配电系统设计与 改造工作于2005年9月29日完成并投入运行。 经过对系统运行后的测试、计算及统计分析,得到 了如下结果。 (1)由于系统一次方案由原来4台变压器供 电方式变为两台变压器运行,一台变压器备用的 供电方式,提高了变压器的利用率,降低了变压器 内部损耗,增加了系统设备供电的可靠性;现运行 的变压器负荷如表l0所列。 维普资讯 http://www.cqvip.com
——★技术与应用 基于节能降耗的变电所供配电系统改造设计—— =表l0 现运行变压器的负荷 33.39_力兀/年 通过对2 、3 变压器进行无功及消谐补偿装 置投运后的节电计算可以看出。节电效果非常明 显。确实,无功补偿及滤波装置的投运。抑制了由 谐波引起的电压畸变、变压器过热、电动机损耗增 加、断路器的误动作等问题。提高了电网功率因 数,提高了设备出力,降低了功率损耗和电能损 (2)相对改造前,再按照当地的供电系统的现 行优惠政策,则减少基本电费支出20.00元/kVAx (1 350+800)kVA×12=51.6万元/年。 失,改善了电压质量。 4 结语 金堆城钼业集团有限公司百花岭选矿厂磨浮 (3)将BSL一10型低压配电屏更新为技术性能 良好、结构合理的GGD型低压配电柜,消除了安 全隐患,达到了现行电气安全技术规范要求 (4)按照3 变压器实测功率 =1 033 kW.系 统功率因数由0.735提高到0.92计算,在改善电 能质量,提高电网功率因数的同时,每年减少电费 支出约为 车间变电所供配电系统设计与改造工作的完成。 增加了系统运行的可靠性,提高了系统的防护等 级,消除了安全隐患。达到了现行电气安全技术规 范要求。抑制了系统的谐波成分,改善了系统电能 质量。节电节支效果明显,给企业带来了较大的经 济效益。尽管如此。系统中的单台设备还存在着大 马拉小车现象。现运行中的变压器还属于高耗能 淘汰产品,这些问题还需要投入一定的资金,以便 将不必要的电能损耗降到最低限度。 参考文献 x24h(天)x365天(年)x90%x0.40(元/kWh) ×【(0.90—0.735)x0.5+(0.92—0.90)x0.15] =27.85万元/年 (附注:按照供电部门对企业《功率因数调整 电费办法》中的规定,企业以0.90为电网功率因 数标准,用户电网功率因数低于1%时,全月电费 增加0.5%,用户电网功率因数高于1%时,全月电 费核减0.15%)。 【1]丁昱.工业企业供电【M].北京: 台金工业出版社,1982. 【2] 方大千.实用继电保护技术【M].北京:人民邮电出版 社.2004. (5)按照2 变压器实测功率 =937 kW,系统 功率因数由0.689提高到0.95计算,在抑制系统 高次谐波,改善电能质量,提高电网功率因数的同 时,每年减少电费支出约为 x24h(天) ̄365天(年)x90%x0.40(元/kwh) ×『(0.90—0.689)xO.5+(0.95—0.90)xO.15] 作者简介 冯见君(1962一),男,电气工程师。1984年毕业于吉林 台金电气化学校.同年分配至金堆城钼业集团有限公司百 花岭选矿厂,从事电气设备的技术管理工作22年,先后多 次独立完成和主导完成了本公司高、低压供配电系统的设 计改造工作.并多次负责电气设备的技术改造工作。 (上接P31) 参考文献 子工业出版社.2002. 【4] 王鸿麟,景占荣.通信基础电源【M].西安:电子科技大学 出版社.2002. 【1]刘胜利.高频开关电源实用新技术【M].北京:机械工业 出版社.2005. 作者简介 【2] Maksimovie Dragan,Erickson Robot,Griesbach Car1. Modeling of Cross-regulation in Converters Containing 杨 宁.本科。2002年毕业于西安电子科技大学,现 从事机载和弹载电源的研发及应用工作。 Coupled Inductors[A].IEEE APEC[C].1 998. 【3]张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计【M].北京:电 作。 蔡洁华,工程师。长期从事机载电源的研发及应用工 53
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