城市电网是城市重要的基础设施之一, 电压等级序列的合理配置可以更好地满足未来城市经济发展的需求[1]。对于中压配电网电压等级的选择, 国内与国外存在一定的差异。亚洲60%和欧洲近80%的国家采用20kV作为中压配电电压等级。绝大多数发达国家的大中型城市都采用了20kV作为中压配电电压等级, 而采用10kV作为中压配电电压等级的不多。目前我国城市的中压配电网仍以10kV为主, 仅有苏州工业园区[2]、上海轨道交通、辽宁本溪南芬变电站等局部区域采用了20kV电压等级。随着经济快速发展, 特别是在经济发达地区, 现有10kV配电系统容量小、损耗大等问题日显突出, 已经难以满足日益增长的用电需求。与传统的l0kV配电网相比, 采用20kV配电网可以显著提高供电能力, 降低电力损耗[3]。本文就保定城市中压配电网采用20kV电压等级的可行性进行分析。
1 l0kV与20kV效益分析
(1) 传输容量:输电线路的传输容量可以表示为:
式中:UN为额定电压, IN为额定电流。
在相同的线路规格和传输电流情况下, 有如下结论:
即20kv的输送容量可比l0kV提高1倍。
(2) 电压降落:电压降百分数∆U%为:
在负荷不变的条件下,
负荷升高一倍后,
由上可知, 电压由10kV升至20kV后, 在负荷不变的条件下, 压降可比10kV减少75%;负荷增加一倍后, 压降可比10kV减少50%。
(3) 线路有功损耗:线路的有功损耗可以表示为:
式中:∆P为有功损耗;α为功率因数。
在相同的有功功率、线路参数与功率因素情况下, 有如下结论:
即:电压由10kV升至20kV后, 在负荷不变的条件下, 功率损耗降低了75%。
(4) 供电范围:将
代入式 (3) , 整理可得经济供电半径L:
在电压损失要求一致, 负荷不变的条件下,
电压由10kV升至20kV后, 供电半径增加了一倍。
(5) 节约材料:导线截面积与导线输送容量、额定电压及导线经济电流密度之间有如下的关系:
经济电流密度为常量.在输送容量S不变的情况下.导线截面积只随电压变化。因此.在相同的负荷下.有如下结论:
电压由10kV升至20kV后, 在输送容量不变的情况下, 有色金属消耗量可减少50%。
(6) 设备造价:由于20kV和10kV电压等级都处于中低压等级, 技术上并无多大区别。因此设备造价区别并不大。
2 保定配电网现状及存在的问题
目前保定城市电网采用220/110/10/0.4kV电压序列供电方式, 中压配电网以10kV为标称电压, 决大多数用户的配电系统采用10/0.4kV。当前存在的主要问题有: (1) 城市建设用地紧张, 没有足够的线路走廊。如市区鲁岗110kV变电站共有10kV出线间隔29个, 已出线间隔19个。由于站址周围遍布居民建筑物, 已经无法新出线路, 使得变电站剩余主变容量无法供出。若采用20kV电压等级, 在不增加出线走廊的情况下, 供电容量增加1倍, 可以使变电站主变容量得到充分利用。 (2) 网损大, 电能质量差。目前保定10kV及以下配网线损率在7%左右, 个别线路线损率超过30%。线路过长, 末端电压过低。 (3) 负荷发展不均衡, 负荷密度差异较大。
如果采用20kV电压等级, 在增大线路输送容量的情况的同时, 增大变电站主变容量, 将50MVA容量主变更换为63MVA或更大容量主变, 甚至可以考虑将220kV电压直接变压为20kV, 将220kV变电站作为负荷站, 实现负荷密集区变电站的大容量、少布点、控制出线数量。
3 进行20kV升压改造的可行性分析
引入新的电压等级是城市电网发展的重大决策, 因此需要认真调查研究。结合保定城市电网实际, 宜采用分步、分线路、分区域升压改造的策略。根据保定城市分区性质及发展定位, 将市区分为城市新建供电区、城市混合供电区、城市平稳过渡区。
(1) 城市新建供电区:将城市规划重点发展区域列为城市新建供电区, 如图1区域是以计划2013年建成的高速铁路客运中心为依托, 建设成为集金融、商贸、会展为主要功能的城市分区, 未来建筑以高层建筑为主, 负荷密度较大。而现有配电设备极少, 因此该区域可以直接采用20kV电压等级作为中压配电网标称电压, 采用220/110/20/0.4kV电压序列供电方式。与其他城市区域采用220kV、110kV线路联络。
(2) 城市混合供电区:将负荷增长较快, 且已具有一定规模配电网络的区域作为城市混合供电区。该区域位于保定市区北部, 是国家级高新技术开发区, 以工业、商贸、金融、酒店服务为主要功能的城市分区, 负荷发展迅速。在城市10kV与20kV混合供电区域, 原则上10kV供电线路与20kV供电线路应各自独立运行, 如对供电可靠性有特殊要求, 宜经联络变压器进行联络, 如图1所示。
(3) 城市平稳过渡区:将负荷增长缓慢的10kV供电区域 (负荷不再有大的发展, 或限制负荷发展的区域) 作为城市平稳过渡区。该区域属于古城保护区范围, 限制建筑物高度, 不发展工业, 因此负荷增长空间不大, 且区域内10kV供电能力充足, 应暂时保留10kV供电方式, 但应积极创造升压改造条件。在城市平稳过渡区外部, 应不断加强20kV的供电能力 (新建10kV电源等) , 以便为原有10kV供电区域逐步改为20kV供电创造外围电源条件, 使20kV供电区域有能力不断对原有10kV供电区域进行逐步蚕食。
4 配电网升压改造中应注意的问题
(1) 原有设备的保留与改造问题:目前城市配电网中有大量的10kV存量设备, 如果重新建设由20kV供电的配电网, 其资金消耗是非常巨大的。10/0.4kV的配变将更换为20/0.4kV的配变, 仅此一项将消耗大量的资金。并且近几年新增和更换的配电设备也将面临淘汰, 成为一种浪费。同时用户的设备主要采用10/0.4kV的电压等级, 对于用户的设备改造资金的来源也是要重点考虑的问题。 (2) 建设改造时间期限的问题:20kV供电网络的建设与改造时间也是很长的, 而且在建设过程中, 需要多次长时问的停电, 这对用户的正常用电影响很大, 甚至会带来严重的社会影响。 (3) 供电可靠性的问题:在升压改造初期, 20kV电网还不能形成网状结构, 1条20kV线路可能只能与1~2条的20kV线路进行联络, 导致20kV线路互供的灵活性比较差。无论是负荷转移或是故障处理, 运行方式的调整都不是很方便.对供电可靠性将会有一定的影响。 (4) 相关电价政策方面的问题:目前尚未制定针对20kV电压等级的电价, 因此采用20kV作为中压配电网电压等级, 还需要促成政府出台新的电价政策。
除上述问题外, 其他方面比如中性点运行方式, 与保护装置的配合及配电管理体制等方面的问题[4]也需要进行认真仔细的论证。
5 结语
采用20kV电压等级具有明显的经济效益和社会效益, 提高配电网的容量, 降低线路上的电压损失, 增大配电网的供电半径, 降低线损, 同时能够简化电压等级, 优化电网结构。保定中压配电采用20kV电压等级, 在理论上是可行的, 但仍存在诸多因素需要考虑, 只有通过实践才能验证采用20kV电压的价值和有效性。对采用20kV电压等级应根据具体情况, 因地制宜制订实施规划, 逐步过渡。
摘要：论述了20kV电压等级在技术和经济方面的优越性。文中分析了目前保定城市中压配电网的现状及存在的问题, 对保定城市中压配电网采用20kV电压等级的可行性进行了分析。
关键词：配电网,20kV电压等级,可行性分析
参考文献
[1] 范明天, 张祖平.中国配电网发展战略相关问题研究[M].北京:中国电力出版社, 2008.
[2] 马晓东, 姜祥生.苏州电网20kV配电电压的应用与发展[J].电力设备, 2008 (9) .
[3] 孙西骅, 樊祥荣.城市中压配电网改造应首选20kV电压等级[J].浙江电力, 1996 (6) .
[4] 孙西骅, 许颖.关于城市电网改造与推广20kV中压配电的问题[J].电网技术, 1996, 22 (3) .