第Ｚ７卷第２期 ２Ｏ１０年４月 供用 电 ９ 连续变化型电能质量的经济评估 林海雪 一～ｃ 兰 ．却Ｍ～一 ｄ一～㈣ ＿一ｄ蚕∞ 一｛～眦三 ．～一 ：一～蓦ｍ ～ （中国电力科学研究院，北京 １００１９２） 摘要：对电能质量指标偏离产生的危害进行经济评估，有助于合理采用相应的改善措施。对连续变化型电 能质量指标（电压偏差、电压波动、电压三相不平衡、谐波、闪变等）的经济评估方法做了扼要论述，介绍了一些 实用计算公式和经验参数，有助于专业人员分析改善电能质量的节能降耗增效等经济效益。 关键词：电能质量；经济评估；节能降耗；连续变化型指标 中图分类号：ＴＭ９２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００６—６３５７（２０１０）０２—５ Ｅｃｏｎｏｍｉｃ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ Ｐｏｗｅｒ Ｑｕａｌｉｔｙ ｉｎ ｔｈｅ Ｐｒｅｓｅｎｃｅ ｏｆ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｖａｒｉａｔｉｏｎ ＬＩＮ Ｈｎｉｘｕｅ （Ｃｈｉｎａ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１９２。Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｃｈｉｎａ） 一一ｌ兰 ｅ一 ～～一一２ｕ； ｍ ｍ一一一 一 ＿墨 不同电能质量指标偏离理想值的程度不同， 气设备上，即异步电动机、同步电机、电力变压器、 对各种设备有不同的影响。从实用角度，电能质 电力线路和电力电容器上，电能质量一些主要变 一 一～ 量指标可分为连续变化型（下称变化型）指标（即 化型指标的偏离对其影响可以计算出来；第５种 与连续性扰动相关的指标）和突发事件型指标（即 经济损失在不同设备、不同行业、不同生产线差别 与突发性扰动相关的指标）＿１］。变化型指标主要 很大，目前仅有一些经验数据，尚无定论。有的变 有电压偏差、三相电压不平衡、电压波动、频率偏 化型电能质量指标的影响还难以量化估计，例如 差、谐波、和闪变等；突发事件型指标主要有电压 电压波动引起闪变的影响；谐波和负序引起的干 暂降、暂升和短时（瞬时）中断等。对电能质量问 扰等。 题可以采取不同的解决措施，而改善电能质量的 本文不讨论这些电能质量指标严重恶化可能 经济效益评估涉及因素较多，且有时会对改善电 导致系统性事故的情况，也不对用户难以参与的 能质量措施的采用起到关键的作用，值得深人 频率偏差影响做经济评估。 研究。 １ 电压不平衡和电压波形畸变造成电气 评估变化型电能质量指标偏离造成的经济损 失主要包括：①增加有功功率损耗和电能消费；② 设备的损耗估算 ］ 缩短电气设备的使用寿命；③使无功功率消耗增 １）异步电动机和同步电机的有功功率附加 加，功率因数恶化；④加大供电系统设备容量，增 损耗△Ｐ 为 大系统的投资；⑤使产品的质量降低、数量减少， 降低劳动生产率以致破坏生产设备和工艺过程。 ＡＰ 一（ ）ＰＮ （１） 前４种经济损失发生在电力系统和用户的主要电 式中：￡ 为电压不平衡度（标么值）；Ｕ 为ｈ次谐 １Ｏ 林海雪：连续变化型电能质量的经济评估 波电压含有率（标么值）；Ｐ 为电机额定功率；ｋ 、 为系数（查表１）。对于异步电动机，ｋ 一２．４ ｋ ；ｋ 一２．０ ｋ 。功率５ ｋＷ及以下时：ｋ 一３＋ ０．３（５一ＰＮ）；功率５～１００ ｋＷ时：ｋ 一Ｉ．０＋ ０．０２１（１ ０００一ＰＮ）；功率大于１００ ｋＷ时：ｋ 一 ０．４＋０．０００ ６７（１ ０００一ＰＮ）。 ２）电力变压器的有功功率附加损耗△Ｐ 为 ＡＰ 一（ 乞＋ 一）ｓ （２） ｈ＝２ ｈ√ｌ、 式中：Ｓ 为变压器的额定容量；系数ｋ 、 查表１。 ３）电容器组的有功功率附加损耗△Ｐ。为 ＡＰ。一（尼，￡乞＋ｋ ∑ｈＵｉ）Ｑｃ （３） 式中：Ｑ 为电容器的容量；系数ｋ 、 查表１。 ４）电力线路的有功功率附加损耗△Ｐ 。由 不平衡、非正弦电流流过电力线路而造成的附加 有功功率损耗等于此工况下的有功损耗和平衡、 正弦电流下通过电力线路的有功功率损耗之差， 其计算公式为 ＡＰ 一（３砰＋３ ＋１．４１∑√ ：）Ｒ一△Ｐｓ（４） 式中： 。和 。为正序和负序电流有效值；Ｒ为线路 基波电阻值；△Ｐ 为电力线路通过对称正弦电流 时的有功功率损耗。 ２ 电压不平衡和电压波形畸变使电气设 备寿命缩短倍数 的估算 由于电气设备有功功率损耗增加，使设备绝 缘运行温度升高，从而使设备绝缘使用寿命缩短。 电气设备绝缘寿命ｔ 可以用下式表示： ｔｌ—ｃｅｘｐ（一 ） （５） 式中：Ｃ和ｂ为取决于绝缘材料的常数； 为电气 设备绝缘运行温度。 若绝缘设计寿命为ｔ ，相应的运行温度为 。在运行温度 时，绝缘寿命为ｔ ，则绝缘相对 寿命ｔ为 ｃｅｘ ｐ（－－ ｂ０）一 ＝ Ｎ ｃｅｘｐ（——Ｉ自 Ｎ） 一ｅｘｐ（－－ｂＡｒ）（６） 一般用ｔ的倒数ｙ（寿命缩短倍数）来反映电 气设备绝缘寿命变化： ），一１／ｔ—ｅｘｐｂＡｒ （７） 因电压不平衡和电压波形畸变影响的电气设 备ｙ值计算如下。 １）异步电动机和同步电机的寿命缩短倍数 ｙ 为 ｙ 一ｘｐ ） ㈣ 式中：系数ｄ 和ｄ 查表１（下同）。 ２）电力变压器的寿命缩短倍数ｙ 为 唧ｄ ｕ ｈ＝ ２ １㈣ ’ ３）电容器组的寿命缩短倍数ｙ。为 ｙ３一ｅｘｐ（ｄ＇ｅ己－４－ ∑＾ １ （１０） 对于不同电气设备，系数ｋ 、 、 、 的值如 表１系数ｋ 、 、ｄ 、 值 电气设备名称 异步电动机 ２．４１ｋ ２．０矗 ４３４．０ ３８９．Ｏ 同步电机 汽轮发电机 １．８６０ １．７７０ １ ４４８．０ １ ２２３．０ 凸极发电机和电动机 带阻尼绕组 ０．６８０ １．１２Ｏ ５３１．Ｏ ６７７．０ 无阻尼绕组 ０．２７０ ０．４００ ２１３．Ｏ ２７０．０ 调相机 １．３１０ １．９５０ １ ０２２．０ １ ３２１．Ｏ 电力变压器 系统联络用（３５￣２２０ ｋＶ） ０．５００ ０．３００ ３３８．０ １１３．０ 普通车问用（６～１０ ｋＶ） ２．６７０ １．６２０ ６１Ｏ．Ｏ ２０７．０ 专用车间用（６～１０ ｋＶ） ０．６７０ ０．４１０ １５３．０ ５２．Ｏ 静止电容器组 ０．００３ ０．００３ ２．６ ２．６ ３ 电压波动造成的损失 ］ 在工业企业电网中，电弧炉、电焊机和轧机等 冲击性负荷会引起电压有效值的波动。电压波动 引起的有功功率损耗的增加应根据电压有效值的 包络线形状来评估。 １）在轧机电网中，电压波动的包络线可视为 周期性的，可以确定调制指数 ， 一（Ｕ— Ｕ…）／２ｕ，其中Ｕ和Ｕ…分别为没有电压波动时 电网电压值和调制时电压最低值，则电压波动引 起的附加损耗△Ｐ 为 ＡＰ ≈２ｍＡＰｏ （１１） 式中：△Ｐ。为没有电压波动时电网中有功功率总 损耗，一般△Ｐ ／△Ｐ。≈Ｏ．０５～Ｏ．０９。 ２）对于不规则冲击负荷（电弧炉、电焊机）引 林海雪：连续变化型电能质量的经济评估 起的电压波动，其包络线是非周期性的，则其附加 损耗ＡＰ 和波动电流标准偏差标么值Ｄ，成正比 （以额定电流为基值）： △Ｐ．一Ｄ ＪＡＰ０ （１２） 一般在电弧炉电网中，Ｄｆ≈０．０２～０．１（２０ ｔ 以下小容量电弧炉Ｄ 取较大值，容量越大Ｄ 越 小）。 电弧炉是电网中主要冲击负荷，如３０ ｔ及以 上电弧炉接入１１０ ｋＶ及以下电网时，一般需要 考虑动态无功补偿装置，（常用ＴＣＲ型静止无功 补偿器ＳＶＣ）。ＳＶＣ可以解决电弧炉造成的电压 波动、谐波、三相不平衡以及闪变等电能质量问 题，同时可以改善功率因数、提高电弧炉的生产 率，即增加产量、提高质量、降低吨钢电耗、延长炉 衬使用寿命，对企业有明显的经济效益。在这种 情况下，降低电压波动的效益当然不能仅仅估算 有功功率损耗的减少。 国外试验表明，若使母线电压波动减小 １０ ９／６，则电弧炉输入功率可以提高２０ ，并可以 缩短冶炼时间△ｆ ，计算公式为 Ａｔ ｄ—６ ０ＧＷ ｘ （ｍｉｎ）…） 式中：Ｇ为电弧炉吨数，ｔ；Ｆ为利用系数，约为 ０．８；Ｗ为耗电量，ｋＷ・ｈ／ｔ；Ｐ 为无补偿时电弧炉 功率，ＭＷ；Ｐ 为有补偿时电弧炉功率，ＭＷ。 例如：已知电弧炉耗电量Ｗ一６００ ｋＷ・ｈ／ｔ，电 弧炉吨数Ｇ一１５０ ｔ，电弧炉的平均功率Ｐ 一５７ ＭＷ。由计算结果可知，投入ＳＶＣ后使电弧炉变 压器３３ ｋＶ母线电压减小５．５ ，则约使电弧炉输 入功率增加１１ ，电弧炉的平均功率 达到６３．３ ＭＷ，可减少每炉钢冶炼时间△ 为１１．８ ｍｉｎ。 ４ 电压偏差造成的损耗 电压偏差引起功率损耗的增加，以及对企业 生产率的影响是一个十分复杂的问题。 １）作为对电网某节点粗略计算，仅从电流增 量引起的附加有功功率损耗来估计，如果电网中 线路和变压器等设备的等效电阻为Ｒ，则有功功 率损耗Ｐａ一３Ｉ Ｒ，由于电压负偏差，引起电流增 Ｊ Ｄ 大△Ｊ，则＿Ｕ３Ｕ ｄ一６ＩＲ，得有功功率附加损耗△Ｐ ≈６ＩＲＡＩ，相对损耗为 一２ ≈２Ａ“ …） 式中：△“为电压偏差标么值（电压降低△“应取 “＋”号）。 ２）电压偏差大小对有些产品的电能损耗或 生产率有明显的影响，电压降低对电解铝生产影 响的统计结果如表２所示＿４］。 表２ 电压降低对电解铝影响的统计表 电压偏差／ ０ ～１．７ —４．０ —５．７ ６．７ ８．６ 电耗／（ｋＷ．ｈ）・ｔ １７ ２００ １７ ３００ １７ ６００ １８ １００ １８ ２５０ １８ ６００ 电解生产率／％ １０Ｏ ９９．０ ９６．０ ９１．９ ９０．０ ８７．０ 电阻炉热能消耗与外施电压平方成正比（此 种关系只有在整个运行期间电阻保持常数，才是 正确的），当电压降低时，熔化和加热时间显著延 长，严重降低生产率。某厂这方面的统计数据如 表３所示。 表３某厂电阻炉生产率随电压偏差变化统计表 电压偏差／ ０ —０．９ ～２．９ —４．８ —６．６ —８．６ —１１．４ 生产率／ ≠２ｏｏ工件 １００ ９９．４ ９７．８ ９４．６ ９１．２ ８７．１ ８２．５ ５５５工件 １Ｏ０ ９９．７ ９９．０ ９７．６ ９５．８ ９３．８ ９１．０ ３）电动机的有功功率和无功功率损耗随电 压偏差而变化的关系和电动机的负载率有关。当 电动机满载恒阻力矩运行时，由于电压降低，从电 网吸收电流增加而使有功功率损耗加大；当电动 机轻载时若电压降低，由于电流减小（这时铁芯励 磁电流起主要作用），使有功功率损耗减小。而电 动机的无功功率消耗和电压偏差变化虽然也受负 载率影响，但趋势不变。异步电动机有功功率和 无功功率损耗在不同负载率 下和电压偏差△Ｕ 的关系如图１所示ｌ＿３］。图１中， 为电压偏差发 生后与发生前功率损耗的比值。一般认为，异步 电动机在（５ ～１０ ）Ｕ 的电压偏差范围内，有 功功率损耗变化不超过０．０３ＡＰ ；对于容量为２Ｏ ～１００ ｋｗ的电动机，运行电压变化１ ，导致所 需无功功率变化约３ 。 ４）在电压处于正偏差时，电动机的绝缘寿命 ｔ 和额定电压时寿命ｔ 有以下关系［３３： ｔｃ 一ｔ ／Ｙ （１５） 显然，当负载率 ＜１，ｔ ＞￡ 。 当电压负偏差时，电动机的绝缘寿命 由下 式确定： １２ 林海雪：连续变化型电能质量的经济评估 ｜ ．滤波器进行谐波治理的技术经济效益，文献Ｅ５２提 供了相当多的实例，可供参考。 ｝ ．１ ｜ ｜ ＝０．５＼ ｜． Ｉ ＼ ｝ ，‘ ｝／ ｝， ：．／ ２）在６～１０ ｋＶ电网中如存在较大的谐波电 压，则发生单相接地的概率增加，同时由单相接地 过渡到多相短路接地的概率也增加。国外的经验 数据：当电网谐波电压总畸变率为５ ～７ 时， 电缆网单相接地每年增加６ ～２０％；而由单相 ｜０．＂／５ ／ ‘ ／ ／。 ， Ｌ～ ／ ＼． ／ ＼ ， ＿△Ｌ∥％ （ｂ）无功功率消耗 图１ 异步电动机在不同负载系数Ｆ功翠损耗和电压偏差的关系 ｔＮ１ …、 ｃ 一 ¨ 式中：Ａｕ为电压偏差标么值。 由式（１６）可知，负载率口＝１，当电动机△“一 一（０．０５ｔ０．１０）时，ｔｃ２一ｔＮ１／（１．５～２．２）。 电压偏差对同步电动机的影响和异步电动机 相似，这里不做进一步论述。 文献［３］认为，总体上，冶金和制造企业，由电 压偏差造成的损失最大，而由非正弦和电压不平 衡造成的损失平均为电压偏差损失的０．４～０．５。 当然不同行业差别也比较大，例如化工企业，总损 失的５Ｏ 由高次谐波产生等。 ５ 电网投资费用的增加［２］ 在不平衡运行方式和考虑高次谐波影响时， 电网中相应元件的设计容量将加大，从而增加设 备投资费用，其费用之差为 ∑／ｘＣｉ＝∑（ｃ：一 ） （１７） Ｊ １ Ｊ＝１ 式中： 和 分别为电网中第 个供电元件按不平 衡畸变方式和对称正弦方式条件下选取的费用。 ６经济评估的其他一些考虑因素 １）若电网中存在谐波而使功率因数补偿电 容器不能正常投入运行时，存在两种情况： （１）电容器组切除。这种情况应计及低功率 造成的电费罚款以及无功功率的电网损耗问题， 限于篇幅在此不予论述。 （２）电容器组改造（串联电抗器或改为滤波 器）。这种情况应计及改造费用。关于利用无源 接地过渡到多相接地的概率增加１５ 。 ３）实际上，电能质量的影响，除了以上所述 内容以外，许多情况下需要结合电网、负荷和工艺 流程特点做更全面的量化分析。例如在电力系统 中某一枢纽点上采用ＳＶＣ，则应分析对提高输电 能力、降低电网损耗、改善系统的静态和暂态稳定 性、抑制振荡等的作用。文献［６，７］提供了在电力 系统中采用国产ＳＶＣ装置的技术经济效益情况。 文献［５］例举了纤维纸生产企业，指出其生产流程 的不同区段对电压偏差的敏感度是不同的，其中 泵群集中的区段受影响最大，其电压偏差引起的 经济损失Ｃ 为 ｃ 一 二 （１８） 式中：Ｂ为和生产工艺有关的系数；ｋ 一Ｕ ／Ｕ， 为泵电动机端电压倍数； 为同步转速，ｒ／ｒａｉｎ；Ｓ 为电机滑差；口为负载系数；Ｃ 为纤维成本；ｔ为流 程工作时间； 为泵的减速器传送比。 ７经济评估的基本内容 原则上，经济效益的比较应进行以下几个步 骤的工作。 １）进行电能质量状况的测试、调研，统计相 关危害的影响。 ２）确定供电点扰动特性（变化型和突发事件 型指标）。 ３）计算采用不同措施电能质量指标改善情 况及效益。 ４）计算采用不同措施的费用，并计及运行损 耗、维护、折旧费等。 ５）综合比较各种方案的技术经济效益，选取 最佳方案。 方案间比较的方法很多，如最小费用法、净现 值法、内部收益率法、折返年限法等。 （下转第４５页） 叶建峰：１１０ ｋＶ全预制装配式变电站建设实践 ４５ 安全运行。 ４）施工工期短，有明显的直接经济效益和社 ５ 结语 会经济效益。 ５）由于今后电网建设将呈现任务重、要求 浙江省丽水市１１０ ｋＶ杨柳全预制装配式变 高、工期紧、征地和政策处理困难等特点，全预制 电站的建设、运行实践说明了以下几点。 装配式变电站尤其适合于解决城市变电站建设普 １）全面推行全寿命周期设计建设理念，采用 遍面临用地紧张、施工场地狭小等问题。因此，若 典型设计推荐的一次、二次主接线，具有运行简 对尚存在的不足之处予以改进，则全预制装配式 单、安全可靠的特点，使项目在全寿命周期内的功 变电站将更呈现显著的优势和强大的生命力。 能最优、费用最省。 ２）在全预制装配式变电站建设中，全方位、 参考文献 全过程地节约资源，大幅度降低了变电站占地面 积和建筑面积，减少了对资源（土地资源和建材 Ｅｌｉ 国家电网公司基建部．国家电网公司输变电工程施 等）的有效占用，降低了工程投资。 工工艺示范手册［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２００６． ３）建筑物采用现场装配式施工，实现工业化 收稿日期：２００９年１２月 生产和配送式施工，占用施工临时用地少，减少了 叶建峰（１９７０一），国家一级注册结构工程师，主要从事变 湿作业，节约了水资源并保护了生态环境。 电站设计工作 （上接第１２页） 细致工作，才能得出科学结论。 目前，在工程上用得较多也最为简单的是折 返年限法。某个方案的折返（或抵偿）年限Ｎ的 参考文献 计算式如下： ｒ１ 厂１ Ｅｌｉ 肖湘宁．电能质量分析与控制［Ｍ］．北京：中国电力 Ｎ一 （１９） ｒ ２——ｒ １ 出版社，２００４． 式中：Ｃ 、Ｃ 分别为两个方案的投资费用；Ｆ 、Ｆ Ｌ２ ＩｌｌＨ￣ＯＢＣＫＨｆｉ Ａ．Ｋ．，Ｋｙ３Ｈｅ￣ＯＢ Ｂ．Ｆ．ｎＯＢＭＬＬＩｅＨＨｅ 分别为两个方案的年运行费用（包括损耗、维护、 ＫａｑｅｃＴｌ￣ｔ ａＨｅｐｒｎｎ Ｂ ３ＪｌｅＫＴｐｑｅＣＫＨＸ ＣｅＴｆｌＸ［Ｍ］．ＫＨｅＢ： ＨａｙＫ．ⅡｙＭＫａ，１９８５． 折旧费等）。 Ｅ３］）Ｋｅｘ【ｅＪＩｅＨＫ０ Ｈ．１３．ＨＯＹ－￣３ａＴｅＪＩＨ ＫＢｑｅＣＴＩ￣ａ０ａｅＫＴｐＯ３ＨｅｐｒＨＨ Ｈ 目前，电能质量方案比较的基准折返（或抵 ＨＸ ＫＯＨＴｐＯＹＩｂ Ｈａ ＨｐＯＭｂＩＩｉｌＪＩｅＨＨｂＩＸ ｎｐｅ且ⅡｐＨ兄ＴＨ［Ｍ］． 偿）年限Ｎ。，一般取５ ａ。在Ｎ＜Ｎ。时，认为投资 ＭＯＣＫＢａ ３ＨｅｐｒｏａＴＯＭＨａ￣ａＴ，１９８６． 大而运行费用低的方案在经济上较可取；在Ｎ＞ Ｅ４３《钢铁企业电力设计手册》编委会．钢铁企业电力设 Ｎ。时，则认为投资小而运行费用高的方案在经济 计手册（上册）ＥＭ］．北京：冶金工业出版社，１９９６． 上更有利。 Ｅ５３龙绍清．广东省谐波治理的技术经济效益统计分析 ＥＪ］．广东电力，１９９６（３）：３０—３１． ８ 结语 ［６］林海雪．静止无功补偿装置在输电系统中的应用 本文介绍了连续变化型电能质量主要指标偏 ［Ｊ］．电力设备，２００６，６（１Ｏ）：１７—２０． 离造成经济损失的评估方法。对于变化型指标的 Ｉ－７］葛维春．动态无功补偿装置应用于电网节能效益分 偏离，应计算出相关设备上的功率损耗增加、使用 析［ｃ］．第一届电力行业电能质量及柔性输电标准 化技术委员会论文集，２００６． 寿命的缩短、容量利用率以及功率因数变化的经 济损失，并计及对产品产量和质量的影响。任何 收稿日期：２００９年１１月 指标的改善，应计及技术措施的成本和运行费用 林海雪（１９４０一），教授级高级工程师，长期从事电能质量 及其改善相应指标的效益。由于电能质量的经济 标准及补偿措施的研究、开发和工程应用工作，全 国电压电流等级和频率标准化技委会及中国电源 评估涉及因素多，需要根据具体情况做大量深入 学会电能质量专委会顾问