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参考文献26

配电网节能问题浅析

摘要

配电网节能问题浅析主要内容包括：

配电网的基本概述，如配电网的结构与设备，配电网的建设与运行条件，配电网的自动化研究。

另外对配网损耗问题进行了分析，电网线损管理是供电企业管理的关键环节之一，加强线损管理，对降低电网线损具有重要意义，损耗问题主要从电能沿线路传输时产生电压损耗、功率损耗（有功和无功）和电能损耗几个方面陈述。

本文重点讲述了配网的节能手段，包括无功平衡与无功补偿手段，本文从无功功率平衡的角度，分析无功对电压和线损的影响，使得无功补偿打到优化配置，从而降低配电网的线损。

配电网的网络结构是影响供电可靠性的一个重要方面，只有具备合理的网络结构，才能最大限度的发挥配电网络的供电能力，满足客户的用电需求，实现供电企业的经济效益和社会效益。

除此之外，还分析了配网的经济运行手段，一方面通过配电网优化布置实现配电网经济运行；

另一方面通过调整变压器运行方式实现配电网经济运行，还给出了配电网经济运行的技术措施。

本文讲述了电力变压器的经济运行手段，给出了实现变压器经济运行的技术措施。

最后对配电网节能问题做出了结论与展望。

关键词：

配电网；

电网线损；

无功平衡；

无功补偿；

经济运行

1配电网概述

配电网是指在电力网中起重要分配电能作用的网络。

通常是指电力系统中二次降压变压器低压侧直接或降压后向用户供电的网络

1.1配网结构与设备

一、配电网的组成：

由高压配电网、中压配电网和低压配电网组成，覆盖我国广大城市和农村。

配电网是供电企业向用户提供电力的重要物质条件，也是电力用户维护正常生产和生活的重要能源保证。

所以，保证配电网安全经济运行、保证用户供电的可靠性与电能质量是供用电双方努力的共同目标和重要责任。

二、配电网的分界点：

与输变电设备的分界点是最后一级降压变电站的二次侧母线；

与电力用户的分界点是用户受电电压的进户线或第一个进线断开点；

对于采用专线供电的电力大用户，其投资的专用电力线路及其以下的电力设施，均属于用电设备。

三、配电网的技术特点：

配电网是将电源或输电网获得的电能组成多层次的网络，降至方便运行又适合用户需要的各种电压向用户供电，达到逐级分配或就地消费的目的。

（1）配电网结构错综复杂。

（2）设备台账日新月异。

（3）管理职能“三线”（调度、生产、用电）交汇。

（4）规划建设亟待加强。

1.2配网运行基本要求[4]

　电网的经济运行主要包括变压器及其电力线路的经济运行，电力设备中变压器是一种应用十分广泛的电气设备，变压器自身要产生有功功率损耗和无功功率损耗。

电力系统中变压器产生的电能损耗占电力系统总损耗比例也很大，因此在电力系统中变压器及其供电系统的经济运行，对降低电力系统、线损，有着重要的意义。

由于当前绝大部分的变压器及其供电系统都在自然状态下运行，加上传统观念及习惯性错误做法的影响，导致现有变压器不一定运行在经济区间，因此必须要通过各种技术措施[5]来降低。

（1）调整不合的网络结构。

（2）采用子母变压器，合理选用变压器容量。

（3）配变的安装地点应合理、经济。

（4）农网应积极应用节能装备。

（5）按经济电流密度优化合理选择电力线路导线截面。

（6）简化电网的电压等级，降低网络损耗。

（7）选用节能型变压器，淘汰高能耗变压器。

。

1.3配电网自动化研究

1.3.1配电网自动化的定义

配电系统自动化（DSA）或者是配电网自动化，目前学术界或电力管理机构尚没有明确的定义。

一是：

利用现代通信和计算机技术，对电网在线运行的设备进行远方监视、控制的网络系统。

用电它包括10KV馈线自动化、开闭所和小区配电所自动化、配电变压器和电容器组等的监测自动化等。

二是：

利用现代电子技术、通信技术、计算机及网络技术，将配电网在线数据和离线数据、配电网数据和用户数据、电网结构和地理图形进行信息集成，构成完整的自动化系统，实现配电系统正常运行及事故情况下的监测、保护、控制、用电和配电管理的现代化。

1.3.2配电网自动化的要求

我国发展配电系统自动化应结合国情，“统筹兼顾、系统规划；

循序渐进、分步实施；

优化设计、因地制宜；

信息共享、发挥效益；

专业协作、资源共用”。

实施配电网自动化必须先对10KV配电网络进行以下改造:

（1）10kv电源容量及分布点合理。

（2）10kv主干网已基本形成，主干线或支干线具备相互联络的条件。

其中，线路联络点的增加可以提高设备利用率，但同时也增加了系统的复杂性，并减少了负荷发展的裕度。

（3）主干线或支干线供电能力可满足一定时期负荷增长和负荷转带的需要。

（4）线路参数和负荷资料等基本齐全。

1.3.3配电网自动化系统的功能

（1）SCADA功能：

实时采集、监控配电网中各电气设备的运行情况。

（2）及时发现、判断、隔离配电网故障并迅速恢复非故障区段的供电。

（3）配电网有功负荷、无功潮流的及时监视和调度，达到降损节能、经济运行的目的。

（4）建设全局性的电力地理信息系统，与企业其他实时信息系统进行信心交换和资源共享。

（5）提高配电网运营管理水平、强化电力营销和优质服务理念、确立电力需求侧管理、提高配电事故处理的快速应变能力。

（6）随着用户需求和企业管理水平的不断提高开展电压/无功优化、电能质量监测等实用化软件的开发应用。

2配网损耗问题分析

在配电网中，电能沿线路传送时即产生电压损耗、功率损耗（有功和无功）和电能损耗。

电能损耗包括固定损耗、变动损耗和其他损耗、其中线损电量的百分数是供电企业一项主要的技术经济指标。

电压是电能的主要质量指标之一，电压质量对电网稳定剂电力设备安全运行、线路损失、工农业安全生产、产品质量、用电单耗和人民生活用电都有着直接的影响。

2.1配网损耗计算

配电网在进行功率传输时，电流将在线路等阻抗上产生电压损耗△

，假如始端电压为U1，末端电压为U2，则电压损耗计算公式为：

若保持有功功率恒定，而R和X为定值，无功功率Q越小，则电压损失越小，电压质量就越高。

当线路末端安装容量为QC的并联电容器补偿后，线路的电压损失为：

因此，采用无功补偿后，线路传输的无功功率变小，相应地减少了线路电压的损耗，提高了配电网的电压质量。

2.2降低配电网电能损耗的措施

电力网技术改造是技术降损的重要手段，它包括电网升压改造、简化电压等级、缩短供电半径、减少迂回供电、换粗导线截面、更换高能耗设备、合理配置无功补偿设备、推广新技术、选用新设备等。

3配网节能手段

3.1配网设备改造与更新手段

配电网更新改造和节电降耗

一、合理设计选择配电线路导线截面

配电线路设计和建设时，应按经济电流密度来选择导线截面。

经济电流密度是根据节省投资、年运行费用及有色金属消耗等因素综合考虑后制定的。

导线载流量是电力线路计算传输容量的重要参数，它表示在允许使用温度下，导线长期连续可以通过的电流。

导线载流量太高，导线发热就严重，导线的机械强度损失加大，导线使用寿命会降低；

导线载流量太小，导线资源得不到有效利用，造成资源的浪费和运营成本提高。

如何选择导线和电缆截面：

满足工作电压要求，还应根据长期允许载流量、短路时热稳定性、经济电流密度、机械强度和允许电压降几项条件进行计算，各项均能满足的即为所选截面。

经济电流密度

按年最大负荷利用时间/h电缆：

3000以内的铝1.92A/mm铜2.5A/mm,3000~5000铝1.73A/mm铜2.25A/mm,5000以上铝1.54A/mm铜2.00A/mm,架空线路：

3000以内的铝1.65A/mm铜3.00A/mm,3000~5000铝1.15A/mm铜2.50A/mm,5000以上铝0.90A/mm铜1.75A/mm,

高压线路：

按经济电流密度选择截面，再验算其发热条件和允许电压损耗及机械强度等要求。

对电压质量要求较高的低压照明等线路：

先按允许电压损耗条件选取截面，再验算其发热条件和机械强度。

对低压动力线路：

因其负荷电流大，一般先按发热条件来选择截面，再验算其电压损耗和机械强度等要求。

配电线路的优化节能改造

（一）采用架空绝缘配电线路

采用绝缘导线架设的配电线路成为架空绝缘配电线路。

其主要优点有：

（1）提高线路安全供电的可靠性。

采用绝缘导线的线路可以防止外部引起的相间短路，减少同杆架设线路作业时的停电次数，减少维修工作量，提高线路的配电利用率。

据国外报道，法国的绝缘导线线路的事故率为裸导线线路事故率的1/6，日本为1/2.

（2）有利于环境绿化，减少线路沿树木的检修量。

（3）可简化线路杆塔结构，减少维修工作量。

（4）节约了架空线路所占的空间，便于架空线路在狭小通道内穿越。

（5）节约线路电能损失，降低电压损失。

特别是架空成束绝缘导线，由于其线间距离极小，线路电抗仅为普通裸导线电抗的1/3.

（6）减少了线路腐蚀，延长了线路使用寿命。

（二）采用低压分裂导线

单芯导线经聚氯乙烯绝缘层相互连接在一起使之成为一体的绝缘电线，称为分裂导线。

他是一种单芯可分裂组合型防老化绝缘电线，是一种新型的低压分裂导线，其断面结构如图2-3所示。

与常规低压导线相比，分裂导线具有如下优点：

（1）电抗减小。

分裂导线电抗与常规导线相比单相电抗降低了79.3%，相当于一条分裂导线供三相负荷时，电抗降低了64.3%；

当三条分裂导线供三相负荷时，每相电抗降低了27.5%。

（2）电纳增大。

一条分裂导线供单相负荷时，其电纳是常规线的10.94倍；

供三相负荷时，电纳是常规线的3.08倍；

三条分裂导线供三相负荷时时常规线的1.36倍。

（3）载流量增大。

在相同截面下分裂导线的载流量比常规单根线载流量增大19%。

（4）完全绝缘、安全可靠。

由于是完全绝缘，即使在电杆折断时也能可靠地保障供电。

（5）抗张强度增大。

（6）通用性强。

根据负荷电流的大小可分裂组合使用，即单相或三相接线方式。

（7）施工简便。

（8）避免漏电损失和窃电。

（9）减少火灾危险。

（10）受环境影响小。

随着单芯可分裂组合型防老化绝缘电线在我国配电建设和改造中的实施，对低压电网电压合格率、供电电能质量和线路绝缘水平的提高都将产生积极的促进作用。

（三）推广应用耐热铝合金线

在高温情况下（最高150℃），能够传输电力的铝合金线成为耐热铝合金线，简称耐热线。

其最大特点是载流量大，且能在高于70℃时传输电力。

耐热线的载流量是同型号普通导线载流量的1.6倍左右。

所以在满足一定载流量的条件下，采用耐热线可以大大降低导线的截面和线号。

（四）推广节能金具

一般电力线路上使用铁磁材料制作的金具，如可锻铸铁件的悬垂线夹、耐张线夹、防振锤线夹、并沟线夹等。

目前生产和应用的金具，结构上由U形螺栓和线夹本体围绕导体构成了一闭合磁回路，磁阻很小。

当线夹内的导线流经交变电流时，在金具周围即产生交变磁场，铁磁性物质在交变磁场下会产生磁滞损耗；

同时，根据电磁感应定律，在金具内部会产生感应电动势，由于金具本身是导电材料，在感应电动势的作用下将产生感应电流，该电流围绕金具呈漩涡状流动，成为涡流。

因为金具材料有一定的电阻，涡流在金具中同样会产生有功功率损耗，即涡流损耗。

金具内的磁滞损耗和涡流损耗加起来便会构成可观地电能损失。

线路金具数以十亿计，因磁滞损耗和涡流损耗，每年造成巨大电能损失，白白地变成热量散发到空中。

同时因电能损失而产生的热量使金具内的导线温度升高，该温升直接影响到金具和导线的机械强度，增大了导线的电阻，致使导线发热量进一步增大。

3.2配网无功平衡与无功补偿手段

10kV配电网络普遍存在着供电质量差、功率因数低、线损大的弊病。

特别是农村10kV配电网，由于电网结构不合理、负荷季节性强、配电变压器负载率低，从而造成网络功率因数变化频繁，电网线损率居高不下。

配电网所需要的大量无功功率靠主网输送，加大了线路的电压损耗和网络损耗。

在受电端加装并联电容器补偿装置，并按电压、功率因数情况，自动投切电容器组，控制无功潮流就地平衡，是提高配电网功率因数，改善电压质量，降低线损的有效手段。

本文着重从无功功率平衡的角度，分析无功对电压和线损的影响，采取配电线路分散补偿和配电变压器随器补偿方式相结合，从而取得降损节能效果及综合经济效益。

1无功功率平衡

在电力系统中，无功功率同有功功率一样必须保持平衡，负载所需要的感性无功功率jQL由电网中无功电源（发电机、调相机、静止无功补偿器、并联电容器等）发出的容性无功功率-jQC来提供补偿。

无功功率平衡应根据就地平衡的原则进行就地补偿，避免大量的无功功率作远距离传输。

无功补偿与无功平衡，对于电网电压和线损尤为重要，关系到电网的经济、安全、可靠运行。

无功补偿应根据分级就地平衡和便于调整电压的原则进行配置。

集中补偿与分散补偿相结合，以分散补偿为主；

高压补偿与低压补偿相结合，以低压补偿为主；

调压与降损相结合，以降损为主；

并且与配电网建设改造工程同步规划、设计、施工、同步投运。

2无功对电压和线损的影响

2.1无功对电压的影响

（1）无功与电压损耗的关系

当电网传输功率时，电流将在线路、变压器阻抗上产生电压损耗⊿U。

其关系式如下：

⊿U=（PR+QX）/UN

（1）

当线路安装无功补偿容量为QC的并联电容器补偿装置后，线路电压损耗为

⊿U/=[PR+（Q-QC）X]/UN

（2）

并联电容器补偿装置投入运行所引起的静态电压升高，即

⊿U-⊿U/=QCX/UN（3）

式中⊿U---电压损耗，V

P---线路传输的有功功率，kW

Q---线路传输的无功功率，kvar

QC---补偿投入的电容器容量，kvar

UN---线路额定电压，kV

R、X为线路电阻、电抗，Ω

从上式中可见，无功功率的变化，将引起电压降的变动，由于安装并联电容器，就地平衡无功功率，限制无功功率在电网中传输，相应地减少了线路的电压损耗，提高了配电网的电压质量。

（2）电压调整

10kV配电线路存在电压过低或偏高问题，其原因除了电网结构不合理和导线过细外，主要是无功功率不足或过剩。

系统的无功功率对电压影响极大，无功功率不足，将引起电网电压下降，而无功过剩将引起电网电压偏高。

无功功率平衡是维持及保证电网电压质量的基础，必须采取有效的调压措施，以提高电压水平。

合理调整变压器分接头，是提高电网电压水平的一种调压手段。

但当电网无功电源不足或过剩时，不能靠调整变压器分接头来使电压符合要求，因为它既不能产生无功又不能吸收无功，只能改变系统中的无功潮流。

要维持整个系统的电压水平，就必需有足够的无功补偿容量，实行无功分区分压就地平衡，同时要求有足够的无功调节能力，在允许的电压偏差范围内，采用调压与补偿电容器相结合的措施，实现高峰负荷时较高电压运行和低谷负荷时较低电压运行的逆调压要求。

2.2无功对线损的影响

在电网运行中，因大量非线性负载的投运，它们除要消耗有功功率外，还要消耗一定的无功功率，负荷电流通过线路、变压器将会产生功率和电能损耗。

由电能损耗公式可知，当线路或变压器输送的有功功率和电压不变时，线损与负荷功率因数的平方成反比。

功率因数越低，电网所需无功就越多，线损就越大。

当cosφ=0.7时，无功功率和有功功率在电网中产生的电能损耗基本相当，即此时电网中线路和变压器的损耗有一半是由无功功率引起的。

提高功率因数，可使线损率降低。

因此，在受电端安装无功补偿装置，实行无功就地平衡，可减少负荷的无功功率损耗，使负荷电流减少，降低线路与变压器的可变有功功率损耗，从而取得降低网络线损的经济效益。

综上所述，无功功率分级补偿就地平衡，提高负荷的功率因数，可减少电网中无功功率的传输，从而降低电网的电压损耗和电能损耗。

一般说来，35kV及以上电网，因输电线路截面较大，等值串联电抗X要比电阻R大得多，电网线路和变压器的阻抗主要是感性电抗，X》R。

与系统中的有功损耗相比，无功损耗要大得多。

10kV及以下配电网，一般电阻要比等值串联电抗大得多，R》X。

所以，对35kV及以上电网的无功补偿调压效果显著，10kV配电网的无功补偿应以降损节能作为主要目的，并兼顾改善电压水平。

3无功补偿方式

配电网无功补偿的主要方式有五种：

变电站补偿、配电线路补偿、随机补偿、随器补偿、跟踪补偿。

（1）变电站补偿：

针对电网的无功平衡，在变电站进行集中补偿，补偿装置包括并联电容器、同步调相机、静止补偿器等，主要目的是平衡电网的无功功率，改善电网的功率因数，提高系统终端变电所的母线电压，补偿变电站主变压器和高压输电线路的无功损耗。

这些补偿装置一般集中接在变电站10kV母线上，因此具有管理容易、维护方便等优点，缺点是这种补偿方式对10kV配电网的降损不起作用。

（2）配电线路补偿：

线路无功补偿即通过在线路杆塔上安装电容器实现无功补偿。

线路补偿点不宜过多；

控制方式应从简，一般不采用分组投切控制；

补偿容量也不宜过大，避免出现过补偿现象；

保护也要从简，可采用熔断器和避雷器作为过流和过压保护。

线路补偿方式主要提供线路和公用变压器需要的无功，该种方式具有投资小、回收快、便于管理和维护等优点，适用于功率因数低、负荷重的长线路。

缺点是存在适应能力差，重载情况下补偿不足等问题。

（3）随机补偿：

随机补偿就是将低压电容器组与电动机并接，通过控制、保护装置与电动机同时投切的一种无功补偿方式。

县级配电网中有很大一部分的无功功率消耗在电动机上，因此，搞好电动机的无功补偿，使其无功就地平衡，既能减少配电线路的损耗，同时还可以提高电动机的出力。

随机补偿的优点是用电设备运行时，无功补偿装置投入；

用电设备停运时，补偿装置退出。

更具有投资少、占位小、安装容易、配置方便灵活、维护简单、事故率低的特点。

适用于补偿电动机的无功消耗，以补励磁无功为主，可较好的限制配电网无功峰荷。

年运行小时数在1000h以上的电动机采用随机补偿较其他补偿方式更经济。

（4）随器补偿：

随器补偿是指将低压电容器通过低压熔断器接在配电变压器二次侧，以补偿配电变压器空载无功的补偿方式。

配电变压器在轻载或空载时的无功负荷主要是变压器的空载励磁无功，配电变压器空载无功是农网无功负荷的主要部分.随器补偿的优点是接线简单，维护管理方便，能有效地补偿配电变压器空载无功，限制农网无功基荷，使该部分无功就地平衡，从而提高配电变压器利用率，降低无功网损，提高用户的功率因数，改善用户的电压质量，具有较高的经济性，是目前无功补偿最有效的手段之一。

缺点是由于配电变压器的数量多、安装地点分散，因此补偿工作的投资比较大，运行维护工作量大。

（5）跟踪补偿：

是指以无功补偿投切装置作为控制保护装置，将低压电容器组补偿在用户配电变压器低压侧的补偿方式。

这种补偿方式，部分相当于随器补偿的作用，主要适用与100kVA及以上的专用配电变压器用户。

跟踪补偿的优点是可较好地跟踪无功负荷的变化，运行方式灵活，补偿效果好，但是费用高，且自动投切装置较随机或随器补偿的控制保护装置复杂，如有任一元件损坏，则可导致电容器不能投切。

其主要适于大容量大负荷的配变。

4无功补偿控制设备综述

（一）同步发电机

同步发电机是电力系统唯一的有功电源，同时也是系统主要的无功电源，它的容量最大，调节也最方便。

电力系统中所需的无功功率大部分来自同步发电机。

当发电机端电压（即输出端）大于电网电压时，发电机发出无功；

当发电机端电压小于电网电压时，发电机吸收无功；

当机端电压等于电网电压时，发电机发出的无功为0.

在过励磁条件下，同步发电机提供无功功率的能力能有效防止电力系统出现电压失稳的现象。

在电网轻负荷时，利用发电机进相吸收系统无功功率是解决轻负荷情况下出现高电压的有效措施。

（二）同步调相机

同步调相机是没有原动机或机械负荷的同步发电机。

它通过控制它的励磁，可以用于发出或吸收无功功率。

通过电压调节器，它可以自动调节无功功率输出以保证恒定的端电压。

同步调相机从电力系统吸收少部分有功功率以补偿有功损耗。

其初始成本和运行费用较高，维护工作量大，运行环境较差（噪声大），因此它无法与静止无功补偿器相抗衡。

但同步调相机能够连续调节，同时在系统很弱的网络中有比静止无功补偿装置更为优越之处，即它能够提供更为稳定的电压特性。

同步调相机主要应用于下列情况：

（1）对于较弱的受端系统，在传送大容量电力的超高压长距离线路的中途，装设同步调相机做并联补偿，以提供动态无功支持，是提高送电容量和稳定水平的有效措施。

（2）装在弱受电端系统中，提供强大的短路电流以对受端电压提供支持，提高接受远方大容量电源输送电力的能力。

（3）高压直流输电出现后，为了保证较弱的受电侧能提供足够的短路电流，也需要在交流受电侧装设足够容量的同步调相机。

（三）有载调压变压器

带可调分接头的有载调压变压器时各电压等级电压的电力系统中控制电压的重要手段，运行于不同电压等级的自耦变压器或三绕组、两绕组电力变压器，通常装有有载调压分接头装置，它们可自动控制，也可手动控制。

调节主变压器高压侧的分接头，是为了调节低压侧的电压，支持低一级电压网络的电容器组和线路充电，并减小低一级电压网络的无功损耗。

输电系统中，电力变压器的分接头调节其延时要短些，以有利于负荷更快地恢复。

由于分接头改变，其高压侧电压将有一定程度的下降，这将导致高压电网的无功损耗增加。

为防止这种情况发生，分接头调节必须与投切输电网并联电容器或并联电抗器相配合，以保证整个电力系统的无功平衡和电压合格。

（四）并联电容器

并联电容器能够提供无功功率和提升局部供配电网的电压。

其最大特点是价格便宜而且易于安装维护。

在用电负荷附近进行并联补偿是广泛采用的手段。

其主要目的是调节电压和保持负荷稳定。

电容器通过提高负荷的功率因数可以有效地扩大其电压稳定极限。

并联电容器较多采用并联在变配电所的母线上，而不是装设在线路上。

依靠开关来投切的并联电容器组（MSC）常常安装在负荷区的变电站中，或大型自耦变压器的三次侧，用来调节输电线路的电压。

线路补偿主要提供线路和公用变压器需要的无功，工程问题关键是选择补偿地点和补偿容量。

线路补偿具有投资小、回收快、便于管理和维护等优点，适用于功率因数低、负荷重的长线路。

线路补偿一般采用固定补偿，因此存在适应能力差，重载情况下补偿度不足等问题。

自动投切线路补偿目前还是需要进一步研究和提高实用、可靠性课题。

电抗器

线路的分布电容所产生的无功功率，与电压的平方成正比，同时与线路的长度成正比。

因此，长距离、高电压等级的线路产生的充电功率不容忽视。

（五）用户终端分散补偿

用户终端分散补偿方式主要是对用电设备随机补偿。

在10kV以下电网的无功消耗总量中，变压器消耗占30%左右，低压用电设备消耗占65%以上。

由此可见，在低压用电设备上实施无功补偿十分必要。

从理论计算和实践中证明，低压设备无功补偿的经济效果最佳，综合性能最强，是值得推广的一种节能措施。

感应电动机是消耗无功最多的低压用电设备，故对油田抽油机、矿山提升机、港口卸船机等厂矿企业较大容量电动机，应该实施就地无功补偿，即随机补偿。

与前三种补偿方式相比，随机补偿更能体现以下优点：

线损