顧定軍
(浙江者舟山電力局,浙江 舟山 316000)
舟山地域狹小,電網(wǎng)建設(shè)長期受土地資源短缺因素的制約,隨著用電負荷的高速增長,10kV作為惟一的中壓配電電壓等級的局限性開始顯現(xiàn),亟需引入新的中壓配電電壓等級。20kV配電電壓等級在歐洲及日本、韓國已經(jīng)有成熟的使用經(jīng)驗,在我國的蘇州工業(yè)園區(qū)也有成功的應(yīng)用實踐,從舟山電網(wǎng)負荷發(fā)展的情況看也應(yīng)開始規(guī)劃建設(shè)20kV配電網(wǎng)。
隨著以臨港工業(yè)為代表的舟山經(jīng)濟的快速發(fā)展,舟山的用電負荷每年以15%以上的增速遞增,因舟山的地域面積狹小,所以負荷密度也在顯著增高。以定海城區(qū)為例,2009年平均用電負荷密度已達7.8MW/km2,而10kV線路在負荷密度為40kW/km2時,供電半徑不足8km,且低壓側(cè)為10kV的上級電源點變電站單臺主變的供電容量相對較小,為滿足城區(qū)不斷增長的用電需求,110kV變電站及35kV變電站布點密度需進一步增大,并相應(yīng)增加10kV出線回路數(shù)。以上措施不僅導(dǎo)致電網(wǎng)建設(shè)投資加大,網(wǎng)損及運行維護費用增加,且需占用較多的土地資源及線路走廊資源,而在城市中心地區(qū),寸土寸金,變電站土地資源及線路走廊資源的獲取越來越困難。目前,定海10kV配網(wǎng)已經(jīng)存在供電半徑短、通道擁擠、線路全部重載運行、線損較大、末端電能質(zhì)量差等問題。
城市中心地區(qū)大型賓館,商務(wù)樓迅速增加,在本島周邊的工業(yè)園區(qū),涌現(xiàn)較多報裝容量在10000~25000kVA之間的船舶修造企業(yè)。此類客戶本應(yīng)由35kV電壓等級供電,但浙江省電力公司已經(jīng)限制35kV電網(wǎng)建設(shè),直至最終取消35kV電壓等級,所以新建的上級電源點往往無35kV出線間隔;因110kV是舟山電網(wǎng)的主網(wǎng)架,110kV間隔資源有限,且考慮系統(tǒng)安全,一般限制用戶變接入,如能采用110kV供電,也存在客戶輸變電設(shè)備投資過大等不利因素,所以只能采用10kV供電。對這些大客戶若繼續(xù)用10kV供電,必須從上級電源點引出兩回以上專線,這將占用大量的10kV通道資源。采用多回路供電的客戶存在環(huán)網(wǎng)運行,倒送電等安全隱患,供電企業(yè)安全管理壓力較大,對于有大功率高壓電動機的客戶,其電機啟動時引起的線路壓降可能導(dǎo)致電壓質(zhì)量不合格,因此,以上客戶急需接入更高電壓等級的配網(wǎng)。在農(nóng)村地區(qū),特別是邊緣小島,因35kV變電站布點不足及跨海線路通道的唯一性,往往導(dǎo)致10kV線路供電半徑過大,線損超標,末端供電電壓質(zhì)量不合格。
(1)提高線路的輸送容量
其中,Un為中壓配電網(wǎng)額定電壓;In為導(dǎo)線允許輸送的電流。
不同電壓等級的線路,在導(dǎo)線型號相同的情況下,In基本相同,線路的輸送容量與電壓成正比,所以提高中壓配電電壓等級能有效提高線路的輸送容量,減少上級變電站的出線間隔數(shù)量,降低對線路走廊的需求,同時也為報裝容量較大的客戶提供更合理經(jīng)濟的接入系統(tǒng)方案,根據(jù)江蘇省電力公司的經(jīng)驗,20kV供電的單個客戶最大報裝容量達30000kVA(采用雙回路供電),覆蓋了當前絕大部分10kV及35kV供電客戶的報裝容量。
(2)提高供電電壓質(zhì)量或擴大供電半徑
線路的輸送距離主要受電壓降的限制,《供電營業(yè)規(guī)則》及《電力系統(tǒng)電壓和無功電力技術(shù)導(dǎo)則》分別對用戶端電壓標準和線路首末端允許壓降作了規(guī)定。由《電力系統(tǒng)分析》知:
其中,R、X為線路的電阻和電抗;r、x為單位長度線路的電阻和電抗;P、Q為線路輸送的有功功率及無功功率;L為線路的長度。
相同參數(shù)和長度的線路在輸送相同容量的負荷時,電壓損失百分比與電壓的平方成反比,提高配網(wǎng)電壓等級能大大降低負荷輸送過程中的電壓損失。在線路參數(shù)及負荷水平相同的情況下 ,20kV線路壓降是10kV的25%,如考慮到20kV輸送容量增加到10kV的2倍,則電壓降為10kV的50%。若滿足相同的電壓損失限值,相同參數(shù)的線路輸送相同負荷時,20kV的輸送距離可達10kV的4倍,若考慮輸送容量相應(yīng)翻倍,20kV的送電距離仍可為10kV的2倍。所以提高中壓配電電壓等級能有效擴大線路的供電半徑,解決線路末端電壓偏低問題。
(3)降低配網(wǎng)的損耗
其中,△P為線路損耗的有功功率;P為線路輸送的有功功率;cosφ為功率因數(shù);R為線路電阻。
相同線路輸送相同功率時,線損率與電壓平方成反比,在輸送負荷相同,電壓由10kV提高到20kV線損率降至原來的1/4,若考慮線路輸送容量翻番,線損率降為原來的50%。采用20kV中壓配網(wǎng),取消了10kV及35kV電壓等級,優(yōu)化了電壓序列,簡化了變電層次,20kV中壓配網(wǎng)直接由110/20kV的變電站供電,大大降低了變電站的變損。
(4)增加變電容量,減少變電站布點密度
設(shè)變壓器110kV側(cè)為無窮大系統(tǒng)(短路阻抗標么值=0),變壓器低壓側(cè)發(fā)生短路時,短路電流為
其中,Sn為變壓器額定容量;Un為變壓器低壓側(cè)額定電壓;Uk%為變壓器阻抗電壓;IK為受到限制的一定值,10kV或20kV電網(wǎng)不得超過20kA,若要增大主變?nèi)萘客瑫r控制低壓側(cè)短路電流,可以提高阻抗電壓或提高二次側(cè)電壓等級,但增大主變的阻抗電壓會增加主變的負載損耗。在阻抗電壓不變的前提下,Sn與Un成正比,即主變二次側(cè)電壓從10kV提高到20kV主變?nèi)萘靠梢蕴岣咭槐?,增加了供電容量,可相?yīng)減少變電站布點密度,節(jié)省變電站土地及線路走廊資源。
(5)更好的控制中壓配電網(wǎng)的短路電流
根據(jù)以上分析,在主變?nèi)萘考白杩闺妷翰蛔兊臈l件下,主變二次側(cè)電壓由10kV提高至20kV,可使二次側(cè)短路電流減少至10kV的一半,實際情況是主變?nèi)萘坎⒎遣蛔円卜浅杀对龃?,?0kV與20kV的短路電流限值是相同的,因此20kV配網(wǎng)更易滿足短路電流限制要求。
根據(jù)以上理論分析,配電網(wǎng)升壓確實極具經(jīng)濟、技術(shù)誘惑力,似乎效益與升壓幅度成正比,但工程實踐證明事實并非如此。根據(jù)我國電力系統(tǒng)的現(xiàn)狀,升壓后的配電網(wǎng)絡(luò)電壓等級可以選擇20kV或35kV,與35kV配電網(wǎng)相比,在建設(shè)工作量少,節(jié)約投資及土地資源等方面20kV配電網(wǎng)更具明顯的經(jīng)濟技術(shù)優(yōu)勢,而35kV配電網(wǎng)的建設(shè)在舟山城區(qū)甚至不具可行性。
(1)20kV設(shè)備占用的土地和所需的設(shè)備建設(shè)投資與10kV基本相當,而35kV設(shè)備的占地面積和設(shè)備投資是10kV設(shè)備的2倍以上。20kV架空線路的建設(shè)費用與10kV基本相同,而35kV線路的建設(shè)費用達10kV線路的3倍以上,10kV架空線路及電纜可以略加改造即可升壓至20kV運行,而35kV架空線路的對地安全距離增大,線路絕緣要求更高,廊道寬度是10kV線路的4倍,35kV電纜絕緣要求高,根本無法由現(xiàn)有的10kV線纜升壓來實現(xiàn),新建35kV線路在土地資源稀缺的舟山城市地區(qū)更行不通。
(2)以35kV作為中壓配電電壓,不僅增加電力系統(tǒng)自身的建設(shè)運營成本,還要求所有的高壓供電客戶接入35kV電網(wǎng),大幅增加客戶配電設(shè)施的建設(shè)投資,無謂地增加了客戶負擔。
(3)35kV線路對安全距離的要求更高,在人口稠密的城市地區(qū)更易加劇公眾對電磁輻射的擔憂。
目前,我國已試點采用20kV中壓配電的地區(qū)有蘇州工業(yè)園區(qū)、和遼寧本溪供電公司的南芬二次變電所,前者是負荷密度高的發(fā)達工業(yè)區(qū),采用全電纜線路;后者是負荷密度小,供電半徑大的農(nóng)村地區(qū),采用全架空線路。截至2008年9月,蘇州工業(yè)園區(qū)內(nèi)共有8座110kV變電站,變電容量1008MVA,20kV出線152回,937座20kV變配電站,20kV客戶761個,裝接容量2270MVA。十幾年的運行實踐表明20kV配電網(wǎng)在負荷密度較大的地區(qū)在增加供電容量、減少變電站布點,減少出線走廊需求,降低線損、方便客戶接入等方面優(yōu)勢明顯,蘇州工業(yè)園區(qū)目標網(wǎng)架采用20kV方案需建設(shè)110kV變電站17座,如采用10kV方案需建設(shè)110kV變電站32座,節(jié)約了大量建設(shè)用地,降低了電網(wǎng)建設(shè)造價,線損率降低了0.723個百分點。在負荷密度小的農(nóng)村地區(qū)20kV配電網(wǎng)在降低電壓損失,擴大供電半徑,降低線損方面成效顯著。
舟山配電網(wǎng)經(jīng)過20世紀末開始的大規(guī)模城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造,現(xiàn)有10kV設(shè)備資產(chǎn)龐大,設(shè)備運行時間一般都在5~10年間,如果采用“推倒重來”的方式建設(shè)20kV配網(wǎng),將造成巨大的浪費,在大量的10kV設(shè)備中有些(如某些電纜)可以被直接升壓運行,有些(如10kV架空線路)需經(jīng)過改造才能升壓運行,還有些(如開關(guān)設(shè)備)須淘汰,為節(jié)約建設(shè)投資,應(yīng)盡量利用現(xiàn)有的10kV設(shè)備實施升壓。
現(xiàn)有的某些110kV或35kV主變壓器可以通過改變接線組別或重新繞制低壓繞組的方式改造成低壓側(cè)為20kV的變壓器繼續(xù)使用,改接工藝簡單,費用僅為變壓器價格的5%左右,如將接線組別為Y/y/d的110/38.5/10.5主變改接為Y/d/d,即變成110/22.2/10.5的主變,改造后的主變同時提供20kV及10kV兩種電壓等級,向10kV及20kV的配網(wǎng)供電,將Y/d接線的35/10.5kV降壓變的接線組別改為D/d型,其變比就調(diào)整為22.2/10.5kV。U0=12kV的電纜可直接升壓為20kV運行,U0=8.7kV的電纜須經(jīng)升壓試驗成功后才能升壓至20kV運行,升壓后是否影響使用壽命需作進一步試驗和論證。20kV線路對地安全距離與10kV相同,僅相線間距離及導(dǎo)線對橫擔距離略大,所以12M及以上的水泥桿及導(dǎo)線可在20kV電壓下直接應(yīng)用,絕緣子及安全距離不滿足要求的橫擔需全部更換才能升壓至20kV運行[2]。
對于負荷增長較快的10kV供電區(qū)域宜先開展20kV供電的試點工作,在試點成功的基礎(chǔ)上,逐步分區(qū)域、分階段開展升壓改造,不宜大面積同時實施。在現(xiàn)有供電能力充足、配電設(shè)備較新的10kV供電區(qū)域,原則上維持10kV供電模式,直到供電能力不足或設(shè)備運行年限到期時,再逐步實施升壓改造。在規(guī)劃的20kV供電區(qū)域,若現(xiàn)有10kV配網(wǎng)的供電能力已經(jīng)不足,則可首先安排升壓改造,所有新建的線路及配電設(shè)備均按20kV電壓等級進行建設(shè),先降壓為10kV運行,待具備20kV接入條件時再升壓為20kV運行。
首先在潛在負荷密度高,電力負荷增長迅速的工業(yè)園區(qū)推廣應(yīng)用20kV電壓供電,在10kV電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱、設(shè)備陳舊的地區(qū)可采用“推倒重來”的方式新建20kV配電網(wǎng),已建成的20kV供電區(qū)域一律采用20kV供電,不再擴展10kV供電區(qū)域。
電網(wǎng)建設(shè)作為城市建設(shè)的一部分必須納入城市總體規(guī)劃,并得到政府的支持。
在10kV與20kV混合供電區(qū),20kV配網(wǎng)在建設(shè)初期較薄弱,為提高20kV的供電可靠率,可經(jīng)20kV/10kV聯(lián)絡(luò)變壓器與10kV配網(wǎng)進行聯(lián)絡(luò),并采用蠶食方式逐步擴大20kV供電區(qū)域。
(1)在規(guī)劃的20kV供電區(qū)域附近新建110/20kV變電站或改造原110/35/10kV主變?yōu)?10/20/10kV,或在原110/10kV、35/10kV變電站內(nèi)裝設(shè)10/20kV升壓變的方式,為20kV配網(wǎng)提供接入電源點。
(2)在上級電源點暫未建設(shè)完成,而新增20kV客戶又急需用電時,可在原上級10kV電源點裝設(shè)10/20kV聯(lián)絡(luò)變的方式為20kV供電區(qū)域的客戶供電。
(3)將原35/10kV變電站改造為20kV開關(guān)站,直接接入上級變電站的20kV出線間隔,大量增加20kV間隔資源,也可將原35/10kV主變改造為20/10kV主變,接入上級變電站的20kV電源點,繼續(xù)為未列入升壓改造范圍的10kV配網(wǎng)提供電源。
(1)按前述建設(shè)原則進行配網(wǎng)建設(shè),選擇10kV電網(wǎng)較薄弱,負荷增長較快的某海島(如蝦峙島),進行新建20kV配網(wǎng)試點,同時選擇定海城區(qū)某負荷增長較快,現(xiàn)有10kV配網(wǎng)供電能力不足的區(qū)域,進行原10kV配網(wǎng)改造升壓試點,在試點成功的基礎(chǔ)上再行推廣。
(2)將目前10kV配網(wǎng)建設(shè)較完善、供電能力較強,用電負荷增長緩慢的臨城區(qū)域、農(nóng)網(wǎng)改造剛完成,配電設(shè)備較新,負荷基本無增長的農(nóng)村電網(wǎng)定義為10kV供電區(qū)域,維持原10kV供電模式,新增客戶以10kV接入系統(tǒng),直至設(shè)備運行時間達規(guī)定期限或用電負荷有劇增時再考慮是否進行升壓改造。
(3)新興的工業(yè)園區(qū),如新港工業(yè)區(qū)、定海工業(yè)園區(qū)等預(yù)測負荷密度大、客戶報裝容量大、10kV配網(wǎng)較薄弱的地區(qū)定義為20kV供電區(qū),進行新建20kV配網(wǎng),新增客戶以20kV接入系統(tǒng),逐步取消10kV配網(wǎng)。
(4)上述區(qū)域以外的區(qū)域如定海城區(qū)、沈家門城區(qū),10kV配網(wǎng)建設(shè)較成熟穩(wěn)定,但局部配網(wǎng)已經(jīng)不能滿足日益增長的用電需求,該類區(qū)域定義為10kV與20kV混合供電區(qū),視負荷及設(shè)備情況分區(qū)、分階段逐步推進升壓改造,不取消原10kV配網(wǎng),在規(guī)劃的改造區(qū)新增客戶以20kV接入系統(tǒng),在非改造區(qū),新增客戶以10kV接入系統(tǒng)。
(1)爭取政府的支持,客戶的理解
客戶配電設(shè)備的升壓改造工作對20kV配網(wǎng)建設(shè)至關(guān)重要,因客戶需自行承擔其配電設(shè)備的升壓改造費用,直接影響客戶的經(jīng)濟利益,因此推動客戶設(shè)備的升壓改造工作肯定會遇極大的阻力,必須得到政府部門的支持,通過政府的行政干預(yù)為升壓改造創(chuàng)造良好的條件。政府應(yīng)在經(jīng)濟上給予扶持,同時加強宣傳,讓客戶了解改造投資能通過節(jié)省電費的方式在設(shè)備使用周期內(nèi)回收及升壓改造對客戶的好處,對于不愿升壓改造的客戶,可由供電企業(yè)對其實施升壓后,繼續(xù)執(zhí)行10kV電價。
(2)客戶變配電設(shè)備的升壓改造
1)非專線供電的原10kV客戶,視其設(shè)備使用時間來決定是否進行升壓改造,對于運行時間超過15年的陳舊設(shè)備應(yīng)立即實施升壓改造,對運行時間在5年以內(nèi)的新設(shè)備暫緩升壓改造,采用臨時聯(lián)絡(luò)變壓器繼續(xù)為其供電,待設(shè)備接近規(guī)定的使用年限后,再進行升壓改造。
2)原10kV專線供電客戶必須與系統(tǒng)側(cè)變電站同步實施升壓改造。
3)原10kV客戶一旦向供電企業(yè)提出增容、減容、過戶等用電申請,立即要求其升壓改造。
(3)新客戶及升壓老客戶接入20kV配網(wǎng)系統(tǒng)的方式
對于周邊20kV電網(wǎng)未建設(shè)到位的新增客戶及升壓老客戶,客戶側(cè)設(shè)備按20kV等級進行建設(shè),由供電企業(yè)安裝10/20kV升壓變?yōu)槠涔╇?,?0kV網(wǎng)絡(luò)建設(shè)到位后,接入20kV配網(wǎng)。或直接由客戶采用20kV、10kV雙抽頭配電變壓器,在外部20kV網(wǎng)絡(luò)未建設(shè)到位時,用10kV檔接入10kV配網(wǎng),待外部20kV網(wǎng)絡(luò)建設(shè)到位后,用20kV檔接入20kV配網(wǎng)。
(1)因電纜單相接地故障概率較小,為限制弧光接地過電壓水平,以降低對設(shè)備絕緣的要求,20kV純電纜網(wǎng)應(yīng)采用中性點經(jīng)小電阻接地方式運行,為降低單相接地時的跨步電壓及接觸電壓,接地電流應(yīng)限制在600A以下,通常采用20?電阻接地。
(2)為提高供電可靠性,線路單相接地不致跳閘,對于架空、電纜混合網(wǎng),當系統(tǒng)對地電容電流小于10A時,中性點采用不接地方式運行,當系統(tǒng)對地電容電流大等于10A時,采用中性點經(jīng)消弧線圈接地方式。
(3)中性點經(jīng)小電阻接地的供電區(qū)域不能與中性點不接地或經(jīng)消弧線圈接地的供電區(qū)域直接互聯(lián)。
保護裝置及定值整定原則和10kV基本相同,小電阻接地系統(tǒng)線路保護及主變后備保護除配置兩段或三段相間電流保護外,還應(yīng)增加零序電流保護。
根據(jù)電能計量規(guī)程,對于中性點非絕緣的20kV系統(tǒng)(包括小電阻接地系統(tǒng)和消弧線圈接地系統(tǒng))電能計量方式必須采用三相四線方式,需3臺計量電流互感器和3臺計量電壓互感器,與原10kV計量方式完全不同。
10kV配網(wǎng)升壓為20kV配網(wǎng)將是一個漫長的過程,在此過程中,肯定會存在10kV配網(wǎng)與20kV配網(wǎng)共存的過渡期,由于在初始階段仍以10kV配網(wǎng)為主,很多區(qū)域不具升壓條件,為保證兩個系統(tǒng)的供電可靠性,兩個配網(wǎng)系統(tǒng)必須實現(xiàn)互聯(lián)。
(1)對于20kV電源點已建設(shè)完成,但原有10kV供電區(qū)域尚不具備升壓改造條件時,可以在電源點變電站裝設(shè)20kV/10kV降壓變,為10kV供電區(qū)域供電,聯(lián)絡(luò)變的容量按10kV供電區(qū)域?qū)嶋H負荷來確定,對于單個用戶可在客戶配電站內(nèi)設(shè)降壓變?yōu)槠涔╇姟?/p>
(2)在10kV與20kV混合供電區(qū),可將某條10kV線路與某條20kV線路通過20kV/10kV聯(lián)絡(luò)變壓器聯(lián)絡(luò),聯(lián)絡(luò)變處于常備狀態(tài)。
(3)因兩個系統(tǒng)的中性點接地方式不同,聯(lián)絡(luò)變必須具備隔離功能,不能采用自耦變。
電網(wǎng)輸配電壓等級的選擇受歷史條件的限制,任何地區(qū)都很難有機會提前定制一個經(jīng)過充分論證的最優(yōu)化的電網(wǎng),電網(wǎng)建設(shè)只能是一個漸進的優(yōu)化過程。《我國配電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略相關(guān)問題研究》表明,現(xiàn)有的配電網(wǎng)絡(luò)只占未來新增網(wǎng)絡(luò)的1/3,舟山的電力系統(tǒng)也正處于發(fā)展階段,應(yīng)有更好的機會將電網(wǎng)朝優(yōu)化的方向建設(shè)。根據(jù)前文分析20kV配網(wǎng)供電的經(jīng)濟技術(shù)優(yōu)勢是肯定的,20kV配電網(wǎng)的建設(shè)必將得到推廣,但20kV配電電壓的普及是一個漫長的過程,歐洲20kV配電的普及經(jīng)歷了30年時間,在目前的歐洲,還有其他中壓配電電壓等級與20kV電壓等級長期并存。根據(jù)國內(nèi)外20kV配網(wǎng)建設(shè)經(jīng)驗,對舟山20kV配網(wǎng)的建設(shè)提出以下建議:
(1)20kV電壓等級的應(yīng)用,宜首先選擇新設(shè)的工業(yè)園區(qū)及10kV配網(wǎng)比較薄弱,但潛在負荷密度高的區(qū)域開展試點,大規(guī)模推廣前需作進一步的技術(shù)經(jīng)濟論證。
(2)對于已建成的供電能力很強、設(shè)備較新,且在未來20年內(nèi)可以滿足用電需求的10kV配網(wǎng),無需升壓改造成20kV配網(wǎng);對于10kV供電系統(tǒng)相對成熟穩(wěn)定,但用電需求增長較快,供電能力有待進一步提高的地區(qū),特別是地域空間狹小、土地資源緊張的地區(qū),可根據(jù)負荷密度的增長趨勢適時引入20kV配電電壓等級。
(3)如果在未來20年內(nèi)原10kV供電區(qū)域用電負荷能成倍增長,但變電站選址及出線很困難,現(xiàn)模式已無建設(shè)發(fā)展空間,則須經(jīng)科學的技術(shù)經(jīng)濟論證來確定是否將完善堅強的現(xiàn)有10kV配網(wǎng)升壓改造為20kV配網(wǎng),并確定升壓改造的最佳時機。
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