徐慶華，鞏保峰，穆永保，陳 寧，劉 航，王 攀

(國網(wǎng)河北省電力公司邯鄲供電分公司，河北 邯鄲 056035)

中壓配電電壓序列技術(shù)特性分析

徐慶華，鞏保峰，穆永保，陳 寧，劉 航，王 攀

(國網(wǎng)河北省電力公司邯鄲供電分公司，河北 邯鄲 056035)

從線路傳輸容量、供電電壓質(zhì)量、供電半徑及傳輸距離、線路功率損耗4個方面對中壓配電電壓序列10 kV，20 kV，35 kV進(jìn)行了技術(shù)特性分析，得出結(jié)論：中壓配電網(wǎng)采用較高的電壓等級，可以提高線路輸送功率、降低電壓損耗、增大供電半徑、減少線路走廊。

中壓配電網(wǎng)；電壓序列；供電半徑；線路走廊

0 引言

合理配置電壓序列、簡化電壓序列不僅可以提高城市電網(wǎng)的整體供電能力，擴(kuò)大電網(wǎng)對不同性質(zhì)及不同密度負(fù)荷的適應(yīng)性，同時還可以降低網(wǎng)絡(luò)損耗，節(jié)省有限的空間資源，減少電網(wǎng)建設(shè)和運(yùn)行成本。以下分析中壓配電電壓序列10?kV，20?kV，35?kV的技術(shù)特性，為中壓電壓序列優(yōu)化研究和應(yīng)用提供參考。

1 我國中壓電壓序列現(xiàn)狀

我國大部分地區(qū)現(xiàn)行中壓配電網(wǎng)以10?kV為主要電壓等級，少數(shù)地區(qū)以35?kV和20?kV進(jìn)行配電。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，用戶用電水平提高，負(fù)荷密度隨之上升，特別是城市電力負(fù)荷密度增加更快，供電范圍也不斷擴(kuò)大，一些地區(qū)10?kV配電網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不能適應(yīng)負(fù)荷增長需求，主要表現(xiàn)為：供電半徑不足，難以擴(kuò)建發(fā)展，難以滿足高負(fù)荷密度用戶用電需求，配電線損大，電能質(zhì)量差等。

近年來，隨著電網(wǎng)的發(fā)展，在北京、天津、上海、重慶、南京、武漢等大型城市中，220?kV終端變電站已深入負(fù)荷中心，逐漸承擔(dān)起高壓配電的功能，與110?kV變電站出現(xiàn)部分功能重疊。中壓配電網(wǎng)電壓序列的選擇直接影響到供電質(zhì)量、電網(wǎng)能量損耗、電網(wǎng)建設(shè)投資和電網(wǎng)年運(yùn)行費(fèi)用等一系列問題。此外，電網(wǎng)建設(shè)的外部制約因素也愈加突顯，如變電站占地、線路走廊問題等。

因此，能否增大配電網(wǎng)容量已成為目前電網(wǎng)面臨的突出問題。在電網(wǎng)建設(shè)方面，應(yīng)采取提高和簡化電網(wǎng)電壓等級，根據(jù)地區(qū)用電特點(diǎn)選擇合適的電壓序列等措施。傳統(tǒng)的10?kV供電方式的安全性、可靠性問題凸現(xiàn)，突出的問題是供電距離、供電能力和線路損耗難以適應(yīng)負(fù)荷發(fā)展的需要。20?kV電壓等級的出現(xiàn)，正是為了提高中壓配電電壓，適應(yīng)負(fù)荷密度增長和電網(wǎng)發(fā)展的需求。而目前有些地區(qū)，也已將35?kV電壓直接作為低壓配電電壓供電，以滿足日益增長的負(fù)荷需要。

2 中壓電壓序列技術(shù)特性分析

2.1 線路輸送容量分析

電力線路的經(jīng)濟(jì)輸送容量取決于線路的經(jīng)濟(jì)電流密度，其經(jīng)濟(jì)輸送容量為

式中：SJ為線路的經(jīng)濟(jì)輸送容量；Ue為線路額定電壓；IJ為電力線路的經(jīng)濟(jì)負(fù)載電流；J為線路經(jīng)濟(jì)電流密度；M為線路導(dǎo)線截面積；cosφ為線路功率因數(shù)。

我國公布的不同材質(zhì)導(dǎo)線的經(jīng)濟(jì)電流密度如表1所示。

表1 導(dǎo)線經(jīng)濟(jì)電流密度 A/mm2

在電壓等級不同、經(jīng)濟(jì)負(fù)載電流IJ相同的情況下，線路輸送功率關(guān)系為:

這說明線路的輸送功率與電壓成正比。

在導(dǎo)線材質(zhì)和截面相同(導(dǎo)線單位阻抗Z相同），輸電距離L、電壓損耗百分比ΔU%也相同的條件下，對不同電壓序列有:

由ΔU1=I1ZL，ΔU2=I2ZL得:

在上述條件下，不同電壓序列輸送功率有如下關(guān)系：

式(6)表明在導(dǎo)線材質(zhì)和截面、輸電距離、電壓損耗百分值相同條件下，電壓等級U1的輸送功率是電壓等級U2輸送功率的(U1/U2)2倍。

綜上可知，提高電壓等級可有效提高線路輸送功率，即輸送相同功率時，高電壓等級可減少出線回路數(shù)，有利于解決線路走廊緊張的問題。

2.2 供電電壓質(zhì)量分析

“電壓損耗”是指輸電線路首端和末端電壓的絕對值之差。對于某電壓等級的供電線路，由于線路阻抗的作用，當(dāng)有負(fù)荷電流通過時，在線路上會產(chǎn)生電壓損耗。電壓損耗計算公式如下：

式中：ΔU為電壓損耗，kV；P，Q為負(fù)荷有功、無功功率，kW，kvar；Rl，Xl為線路單位長度電阻、電抗，Ω；S為線路輸送容量，kW；L為供電距離，km；UN為線路(電網(wǎng))額定電壓，kV；cosφ為功率因數(shù)。

由式(7)，在負(fù)荷相同、導(dǎo)線參數(shù)相同時，電壓損耗率之比如下：

由此可知，對于10?kV，20?kV，35?kV電壓等級，在負(fù)荷、線路參數(shù)相同的情況下，10?kV電壓等級電壓損耗最高，20?kV，35?kV電壓等級電壓損耗分別比10?kV降低75?%，92?%。當(dāng)輸送相同功率時，采用高一級電壓等級更有利于保證電壓質(zhì)量。

2.3 供電半徑及輸送距離分析

供電半徑是從電源點(diǎn)開始到供電最遠(yuǎn)負(fù)荷點(diǎn)之間的線路距離。由于輸電線路在輸送功率時，沿線會產(chǎn)生電壓降，因此不同電壓等級的線路，按受電端電能質(zhì)量的要求，有最大供電距離(即供電半徑)的限制。經(jīng)濟(jì)供電半徑是基于規(guī)劃期限內(nèi)，單位供電面積所需總計算費(fèi)用最低的線路供電范圍，此供電半徑具有最佳的經(jīng)濟(jì)效益?？傆嬎阗M(fèi)用包括:送變電工程與線路工程建設(shè)投資，各項(xiàng)工程的折舊維護(hù)費(fèi)用和運(yùn)行壽命期的電能損耗費(fèi)用。經(jīng)濟(jì)供電半徑指標(biāo)與負(fù)荷密度密切相關(guān)。同時，供電距離的大小與運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性有很大的關(guān)系，在滿足一定負(fù)荷密度水平下進(jìn)行供電距離的計算是十分必要的。

2.3.1 ??約束條件

由前述分析，電壓損耗與輸送距離成正比，輸送距離越大，電壓降越大，這不僅會造成損耗的增加，嚴(yán)重時還會威脅到電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。依據(jù)《電能質(zhì)量?供電電壓偏差》(GB/T?12325—2008)中供電電壓偏差限值：35?kV及以上供電電壓正負(fù)偏差絕對值之和不超過標(biāo)稱電壓的10?%(注：如供電電壓上下偏差同號——均為正或負(fù)時，按較大的偏差絕對值作為衡量依據(jù))；20?kV及以下三相供電電壓偏差為標(biāo)稱電壓的±7?%。

因此，按照上述規(guī)定，選擇10?kV，20?kV等級的電壓降為7?%，35?kV等級的電壓降為5?%作為約束條件，分析在不同負(fù)荷密度情況下，各電壓等級的供電距離。

除滿足電壓降約束條件外，為保證線路經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，還需考慮線路的經(jīng)濟(jì)輸送距離約束。計算如下：

用經(jīng)濟(jì)輸送容量Sj替代式(7)中的S，即可得到電力線路的經(jīng)濟(jì)輸送距離Lj，即：

將式(8)中ΔU用電壓損耗百分?jǐn)?shù)ΔU%(ΔU% =ΔU/UN×100?%)替代，則電力線路的經(jīng)濟(jì)輸送距離Lj可表示如下：

我國各電壓等級線路輸電能力如表2所示。

表2 各電壓等級線路輸電能力統(tǒng)計

2.3.2 ??計算模型

假定某供電區(qū)域由圓形區(qū)域單元組成，其中：圓形區(qū)域半徑為r；圓形區(qū)域面積為S；負(fù)荷密度為σ；每條線路所供負(fù)荷為p。據(jù)此可得，圓形供電區(qū)域面積為S=πr2，該區(qū)域負(fù)荷為P=σS，則該區(qū)域需建設(shè)線路回路數(shù)為(取整)，每條線路所供負(fù)荷p=P/n。

根據(jù)公式計算電壓降，當(dāng)電壓降不滿足要求時，應(yīng)適當(dāng)減小供電距離，得出供電邊界距離。以此類推，改變區(qū)域內(nèi)的負(fù)荷密度，得到不同負(fù)荷密度下各配電電壓的供電距離。確定供電距離的流程如圖1所示。

依據(jù)上述分析，在不同負(fù)荷密度區(qū)間，采用相同材質(zhì)和截面的導(dǎo)線，在滿足電壓降、經(jīng)濟(jì)輸送容量和經(jīng)濟(jì)輸送距離的條件下，分別求取10?kV，20?kV，35?kV電壓等級的供電距離(見表3)。

通過以上分析，得到如下結(jié)論：

(1)?對于同一中壓電壓等級，采用同樣規(guī)格導(dǎo)線，在滿足電壓損耗、經(jīng)濟(jì)傳輸容量和經(jīng)濟(jì)傳輸距離的約束條件下，隨著負(fù)荷密度的增加，線路的供電距離逐漸縮短。

(2)?對于不同中壓電壓等級，采用同樣材質(zhì)和截面的導(dǎo)線，電壓等級越高，供電半徑越大。當(dāng)配電電壓由10?kV升至20?kV后，供電半徑增加約1倍，供電范圍增加約4倍；當(dāng)配電電壓由10?kV升至35?kV后，供電半徑增加約3倍，供電范圍增加約9倍。

圖1 供電距離確定流程示意

表3 不同電壓等級的供電距離

2.4 線路功率損耗分析

線路功率損耗是電力網(wǎng)損的重要組成部分。對于一般輸電線路的功率損耗，若已知線路的負(fù)荷電流時，則該段線路有功功率損耗和無功功率損耗分別為:

若已知該段線路的負(fù)荷功率，則其有功功率和

無功功率損耗分別為:

由此，在導(dǎo)線規(guī)格、負(fù)荷功率和功率因數(shù)均相同的情況下，可得：

線路無功功率損耗關(guān)系與有功功率相同。

由此可見，在滿足一定條件下，電壓由10?kV升至20?kV，線路功率損耗降低約75?%；電壓由10?kV升至35?kV，線路功率損耗降低約92?%。在條件允許范圍內(nèi)，適當(dāng)提高電壓等級，可有效降低線路損耗，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

2.5 線路走廊分析

提升中壓配電電壓，不僅可以提高供電能力，而且可以節(jié)省線路走廊，特別是對于城市土地緊張地段具有重要意義。不同容量主變中壓線路回數(shù)如表4所示。

表4 不同容量主變中壓線路回數(shù)

以110/10?kV電壓等級容量50?MVA的主變?yōu)槔?，由?可以看出：

(1)?升壓改造為63?MVA容量的110/20?kV變壓器，變電容量增加到原來的1.26倍，而線路回數(shù)由12回減少至8回，節(jié)約線路走廊近1/3。

(2)?升壓改造為80?MVA容量的110/20?kV主變壓器，變電容量增加1.6倍，而線路回數(shù)由12回減少至10回，節(jié)省線路走廊1/6。

(3)?升壓改造為100?MVA容量的110/20?kV主變壓器，出線回路數(shù)相同，但此時中壓網(wǎng)絡(luò)的輸送容量增加了1倍。

3 結(jié)束語

分析了中壓配電電壓序列研究內(nèi)容，中壓配電網(wǎng)采用較高的電壓等級，可以提高線路輸送功率；降低電壓損耗，提高供電質(zhì)量；增大供電半徑，增加輸送距離；降低配網(wǎng)功率損耗；減少線路走廊，節(jié)約土地資源。對于城市新區(qū)、工業(yè)園區(qū)等新建配電網(wǎng),提升中壓配電電壓等級在技術(shù)上是合理的。

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陳??寧(1983—)，男，工程師，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃管理工作。

劉??航(1986—)，男，工程師，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃管理工作。

王??攀(1983—)，男，工程師，主要從事電網(wǎng)管理工作。

2016-10-26。

徐慶華(1983—)，男，工程師，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃管理工作，email：13463007683@163.com。

鞏保峰(1979—)，男，高級工程師，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃管理工作。

穆永保(1982—)，男，高級工程師，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃管理工作。