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電力檢測技術

電網損耗分析以及降損措施

時間：2013-09-03

配電網中損耗原因有很多，其中線損和網損是最主要的兩種。本文首先介紹了線損和網損的理論計算方法，然后從多個角度提出了降低配電網的措施。
　　一、損耗分析
　　1.1理論線損計算法
　　線損理論計算方法主要有均方根電流法、平均電流法、最大電流法、最大負荷損失小時法等。平均電流法、最大電流法是由均方根電流法派生出的方法，而最大負荷損失小時法主要適用于電力網的規劃設計。比較有代表性的傳統方法是均方根電流法。
　　均方根電流法的物理概念是線路中流過的均方根電流所產生的電能損耗，相當于實際負荷在同一時期內所消耗的電能。其計算公式
　　應用均方根電流法計算10kV配電線路線損主要存在以下問題：
　　①由于配電變壓器的額定容量不能體現其實際用電量情況，因此對于沒有實測負荷記錄的配電變壓器，用均方根電流核與變壓器額定容量成正比的關系來計算一般不是完全符合實際負荷情況的。
　　②各分支線和各線段的均方根電流根據各負荷的均方根電流代數相加減而得到，而在一般情況下，實際系統各個負荷點的負荷曲線形狀和功率因數都不相同，因此用負荷的均方根電流直接代數相加減來得到各分支線和各線段的均方根電流不盡合理。這是產生誤差的主要原因。
　　1.2網損計算法
　　1.2.1均方根電流法
　　均方根電流法原理簡單，易于掌握，對局部電網和個別元件的電能損耗計算或當線路出日處僅裝設電流表時是相當有效的，尤其是在0.4-10kV配電網的電能損耗計算中，該法易于推廣和普及，但缺點是負荷測錄工作量龐大，需24h監測，準確率差，計算精度小，日由于當前我國電力系統運行管理缺乏自動反饋用戶用電信息的手段，給計算帶來困難，所以該法適用范圍具有局限性。
　　1.2.2節點等值功率法
　　節點等值功率法方法簡單，適用范圍廣，對運行電網進行網損的理論分析時，所依據的運行數據來自計費用電能表，即使不知道具體的負荷曲線形狀，也能對計算結果的最大可能誤差作出估計，并且電能表本身的準確級別比電流表要高，又有嚴格的定期校驗制度，因此發電及負荷24h的電量和其他運行參數等原始數據比較準確，且容易獲取。這種方法使收集和整理原始資料的工作大為簡化，在本質上，這種方法是將電能損耗的計算問題轉化為功率損耗的計算問題，或進一步轉化為潮流計算問題，這種方法相對比較準確而又容易實現，因而在負荷功率變化小大的場合下可用于任意網絡線損的計算，井得到較為滿意的結果。但缺點是該法實際計算過程費時費力，且計算結果精度低。因為該法只是通過將實際連續變化的節點功率曲線當作階梯性變化的功率曲線處理或查負荷曲線形狀系數的方式獲取節點等效功率近似地考核系統狀態。
　　二、降損措施
　　1.簡化電網的電壓等級.減少重復的變電容量城市電網改造工程要求做到：從500kV到380/220V之間只經過4次變壓。除東北部分電網采用500kV、220kV、63kV、10kV、380/220V5個等級外。其它電網采用500(330)kV、220kV、110(或35)kV、10kV、380/220V5個等級。即高壓配電電壓在110kV或35kV之間選擇其中之一作為發展方向。非發展方向的網絡采用逐步淘汰或升壓的措施。
　　2．提高輸電容量，優化利用發電資源
　　建設新的交流或直流輸電線路，升級現有線路和使現有線路的運行逼近它們的熱穩定極限，是提高輸電容量的三種主要方法。
　　當采用架空輸電線路，遠距離大容量傳輸電能時，高壓直流輸電線路(HVDC)的效率比高壓交流輸電線路更高一些。在同樣的電壓等級下，HVDC系統的輸電容量是交流線路的2到5倍；而當傳輸的功率相同時，由于直流線路不傳輸無功功率，換流器的損耗僅為傳輸功率的1.0%～1.5%，因此HVDC輸電系統的總損耗要小于交流系統。
　　提高現有線路的輸電容量，可以提高電壓等級，增加導線截面積及每相的分裂導線數，或采用耐高溫線材。最近耐高溫線材技術的進步，為減輕中短距離輸電線的熱穩定極限的限制提供了一條有效途徑。采用耐高溫線材的輸電線傳輸的電流是普通線材輸電線(例如鋁包鋼增強型導線)的2到3倍，而它的截面直徑與普通導線相同，不會增加桿塔等支撐結構的負擔。在許多情況下，由于電壓約束、穩定性約束和系統運行約束的限制，輸電線路的運行容量遠低于線路的熱穩定極限。許多技術即針對如何提高輸電容量的利用程度而被發明出來。例如，當發生“并聯支路潮流”或“環路潮流”問題時，調相器常被用來消除支路的熱穩定限制。串聯電容補償是另一種遠距離高壓交流輸電線路常用的提高輸電容量的方法。現在人們利用大功率電力電子技術開發了一系列設備，統稱為柔性交流輸電設備，它可以使人們更好地利用輸電線、電纜和變壓器等相關設備的容量。據估計，柔性交流輸電設備的推廣應用，可以將現在受電壓約束和穩定約束限制的線路的最大輸電容量提高20%~40%。
　　3.合理進行無功補償，提高電網的功率因素
　　無功補償按補償方式可分為集中補償和分散補償。
　　3.1集中補償：
　　在變電站低壓側，安裝無功補償裝置(電容器)，安裝配置容量按負荷高峰時的無功功率平衡計算，安裝電容補償裝置的目的是根據負荷的功率因數的高低而合理及時投切電容器，從而保證電網的功率因數接近0.9，減少高壓電網所輸送的無功功率，使輸電線路的電流減少，從而降低高壓電網的網損。
　　3.2分散補償：
　　由于電力用戶所使用的電器設備大多都是功率因數較低，例如工廠的電動機、電焊機的功率因數更低，為提高功率因數，要求大電力用戶的變壓器低壓側安裝電力電容器，其補償原理與變電站的無功補償大致相同，不同的是用戶就地補償采用隨機補償，利用無功補償自動投人裝置及時、合理地投切無功補償電容器，保證10kV電網的功率因數符合要求(接近0.9)，從而減少10kV配電線路的電能損耗。例如：10kV線路末端進行無功補償，如補償前0.7到補償后功率因數達到0.9，經過補償后，電能損失減少了39.5%，節能效果可見一斑。
　　4.抓緊電網建設，更換高耗能設備
　　導線的電阻和電抗與其截面積成反比.因此，截面積小的線路電阻和電抗大，在輸送相同容量負荷情況下，其有功和無功損耗大。目前，配電網，特別是農網中，部分線路線徑截面小，負荷重，導致線損率偏高。此外，配電網中還存在相當數量的高耗能配電變壓器，其空載損耗P、短路損耗P、空載電流百分值I%、短路電壓百分比U%等參數偏大.根據這些情況，應抓緊網架建設，強化電網結構，并按配電網發展規劃，有計劃、有步驟地分期分批進行配電設施的技術改造，更換配電網中殘舊線路、小截面線路以及高耗能變壓器。
　　降低輸送電流、合理配置變電器
　　5.1提高電網的電壓運行水平，降低電網的輸送電流。若變電站主變采用有載調壓方式調壓，調壓比較方便，根據負荷情況，隨時調節主變壓器的分接開關保證電網電壓處于規程規定的波動范圍之內，最好略為偏高，避免負荷高峰期電網的電壓水平過低而造成電能質量的下降，同時也可提高線路末端的電壓，使線路電流下降，從而達到降損目的，例如：電壓水平從額定值的95%升到105%時，線路所輸送的電流降低9.5%，電能損耗下降18.2%。同樣道理，對于用戶配電變壓器及10kV公用配變，可根據季節的變化，在規程規定電壓波動范圍內可合理調節配變的分接開關，盡量提高配網的電壓運行水平，同樣達到降損的目的。另外，可根據負荷的大小，利用變壓器并列經濟運行曲線分析負荷情況，合理切換，實行并列運行或是一單臺主變運行，減少變電站的主變變損。
　　5.2提高輸配電網效率的另一項關鍵技術，就是提高電氣設備的效率。其中，提高配網變壓器的效率尤其具有重大意義。從節能的觀點來看，因為配網變壓器數量多，大多數又長期處于運行狀態，因此這些變壓器的效率哪怕只提高千分之一，也會節省大量電能。基于現有的實用技術，高效節能變壓器的損耗至少可以節省15%。
　　通常在評價變壓器的損耗時，要考慮兩種類型的損耗:鐵芯損耗和線圈損耗。鐵芯損耗通常是指變壓器的空載損耗。因為需要在變壓器的鐵芯中建立磁場，所以不論負荷大小如何，它們都會發生。線圈損耗則發生在變壓器的繞組中，并隨負荷的大小而變化。因此它又被稱為負荷損耗。
　　變壓器的空載損耗可以通過采用鐵磁材料或優化幾何尺寸來減少。增加鐵芯截面積，或減小每一匝的電壓，都可以降低鐵芯的磁通密度，進而降低鐵芯損耗。減小導線的截面積，可以縮短磁通路徑，也可以減小空載損耗。降低負荷損耗有多種方法，比如采用高導通率的線材，擴大導線截面積，或用銅導線來替代鋁導線。采用低損耗的繞組相當于縮短了繞組導線的長度。更小的鐵芯截面積和更少的匝數，都可以減少線圈損耗。
　　從以上的分析可見，減少空載損耗可能導致負荷損耗的增加，反之亦然。因此，降低變壓器的損耗是一個優化的過程，它涉及物理、技術和經濟等各方面因素，還要對變壓器整個使用壽命周期進行經濟分析。在大多數情況下，變壓器的設計都要在考慮鐵芯及繞組的材料、設計，以及變壓器的業主總費用等各方面因素后，得到一個折中的方案。合理配置配電變壓器，對各個配電臺區要定期進行負荷測量，準確掌握各個臺區的負荷情況及發展趨勢，對于負荷分配不合理的臺區可通過適當調整配電變壓器的供電負荷，使各臺區的負荷率盡量接近75%，此時配變處于經濟運行狀態。在低壓配電網的規劃時，也要考慮該區的負荷增長趨勢，準確合理選用配電變壓器的容量，不宜過大也不宜過小，避免“大馬拉小車”的現象。另外嚴格按國家有關規定選用低耗變壓器，對于歷史遺留運行中的高損耗變壓器，在經濟條件許可的情況下，逐步更換為低損耗變壓器，減少配電網的變損，從而提高電網的經濟效益。
　　6.降低導線阻抗
　　隨著城區開發面積不斷擴張，低壓配電網也越來越大，10kV配電網也不斷延伸，如何規劃好各個供電臺區的供電范圍將至關重要，隨著居民生活水平的不斷提高，用電負荷與日俱增，為了解決0.4kV線路過長、負荷過重的問題，在安全規程允許的情況下，將10kV電源盡量引到負荷中心，并且根據負荷情況，合理選擇10kV配變的分布點，盡量縮小0.4kV的供電半徑(一般為250m左右為宜)，避免迂回供電或長距離低壓供電。目前，研究人員正在研究高溫超導體，用它制成的高溫超導輸電線所能傳輸的電能是普通銅質線材的3到5倍。即使算上用于超導材料冷卻的消耗，采用高溫超導線材的輸電網的損耗,也要遠小于普通的架空輸電線和電纜。與普通線材的5%到8%的電網損耗相比，采用高溫超導線材的電網損耗僅為0.5%。而且，如果用超導線材替代傳統變壓器繞組中的銅導線，還可以進一步降低網損。以一個100兆瓦變壓器為例，超導線圈變壓器的總損耗(包括線損，鐵耗和線圈冷卻消耗)一般是普通變壓器的65%到70%。
　　無論高低壓的線路截面選擇都對線損影響極大，在規劃時要有超前意識，準確預測好該處在未來幾年內的負荷發展，不得因負荷推測不準而造成導線在短期內過載。在準確推測負荷發展的前提下，按導線的經濟電流密度進行選型，并留有一定裕度，以保證配電網處于經濟運行狀態，實現節能的目的。
　　7.降損的管理措施
　　由管理因素和人的因素造成的線損稱為管理線損。降低管理線損的措施有多種，而定期展開線損分析對于確保取得最佳的降耗目標和經濟效益起著非常重要的作用。首先要比較統計線損率與理論線損率，若統計線損率過高，說明電力網漏電嚴重或管理方面存在較多問題.其次理論線損率與最佳線損率比較，如果理論線損率過高就說明了電力網結構或布局不合理，電力網運行不經濟，最后如果固定損耗和可變損耗對比，若固定損耗所占比例較大，就說明了線路處于輕負荷運行狀態，配電變壓器負荷率低或者電力網長期在高于額定電壓下運行。總之展開定期線損分析工作不僅可找出當前線損工作中的不足，指明降損方向，還可以找出電力網絡結構的薄弱環節，發現電力網運行中存在的問題，并可以查找出線損升、降的原因，確立今后降損的主攻方向。
　　降損節電是復雜而艱巨的工作，既要從微觀抓好各個環節具體的降損措施，又要從宏觀上加強管理：從上到下建立起有技術負責人參加的線損管理隊伍，定期進行線損分析，及時制定降損措施實施計劃；搞好線損理論計算工作，推廣理論線損在線測量，及時掌握網損分布和薄弱環節；制定切實可行的網損率計劃指標，實行逐級承包考核，并與經濟利益掛鉤；搞好電網規劃設計和電網改造工作，使網絡布局趨于合理，運行處于經濟狀態；加強計量管理，落實有關規程。
　　雖然降低損耗的方式多種多樣，但我們不應盲目模仿，而應按照具體要求來采取不同的降損措施。