城網(wǎng)10kV電壓等級改造為20kV的可行性分析

1 概 述

1.1 20 kV電壓等級的提出

20 kV作為 3～6kV中壓配電電壓之上的高壓配電電壓,曾在我國存在過相當(dāng)長的時間,它的存在有一段特殊歷史和發(fā)展前景,在中國電力發(fā)展史上起過一定作用。但隨著中壓配電電壓統(tǒng)一到10 kV,高壓配電電壓統(tǒng)一到 110 kV,66kV和35 kV,我國便逐步取消了 20 kV電壓等級。隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,負(fù)荷密度和用電量增加迅速,某些城市地區(qū)的 10 kV配電網(wǎng)開始顯現(xiàn)不足,在基建占地、出線間隔、線路走廊和降損節(jié)能方面開始出現(xiàn)困難;部分 10 kV供電的偏遠(yuǎn)農(nóng)村地區(qū)也存在損耗和電壓降過大的問題。20k V作為一個電壓等級又重新被提及。

早在 1984年,中國電機(jī)工程學(xué)會農(nóng)電分學(xué)會就討論了 20 kV的使用問題。鄭州工學(xué)院等單位在理論上做了大量論證工作,經(jīng)過數(shù)年努力,基本上得出了 “110kV/20 kV電壓制為農(nóng)網(wǎng)電壓等級的優(yōu)先組合方案,提出了必須減少變電層次、簡化電壓等級、確定 20 kV為配電電壓并列為國家標(biāo)準(zhǔn)等級”的結(jié)論,但事后沒有正式實(shí)施。

1991年武漢高壓研究所在科學(xué)技術(shù)報(bào)告 “國標(biāo) 《電壓標(biāo)準(zhǔn)》內(nèi)增加 20 kV電壓等級可行性論證”中提出了 “根據(jù)我國電網(wǎng)的實(shí)際情況,采用20 kV作為中壓配電網(wǎng)具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益,建議將 20 kV列入國家標(biāo)準(zhǔn)”等結(jié)論。

在國外,20 kV電壓等級在世界范圍內(nèi)已得到日益廣泛的應(yīng)用,該電壓等級已列入 IEC標(biāo)準(zhǔn)。世界上俄羅斯 1902年首先使用 20 kV電壓等級。將20 kV電壓等級列為國家標(biāo)準(zhǔn)的有:美國、俄羅斯、日本、法國、意大利、加拿大、德國、保加利亞、匈牙利和中國等。在亞洲和拉丁美洲的 19個國家中有 12個采用 20 kV電壓等級,如新加坡、馬來西亞、泰國、印度尼西亞、韓國、巴西、阿根廷等。

一個城市配電網(wǎng)統(tǒng)一采用哪一級電壓等級是一個必須進(jìn)行綜合研究、充分經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較論證的復(fù)雜問題,必須慎重決策。必須就升壓改造的利弊進(jìn)行分析,以做出正確可行的方案。

1.2 改造的必要性

跨進(jìn) 21世紀(jì),中國電網(wǎng)持續(xù)快速發(fā)展。同時,隨著經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長,農(nóng)村富余勞動力流向城市,城鎮(zhèn)化建設(shè)加快,居民生活水平提高,用電增長較快〔1〕。未來 10年,城鄉(xiāng)生活用電量比例將從現(xiàn)在的 12.6%增長到 20%～25%。未來 25年,我國一些負(fù)荷密度高的大城市,繼續(xù)沿著 10 kV外延將難以為繼。根據(jù)這種發(fā)展需求,城市電網(wǎng)必須持續(xù)加快建設(shè)改造。要從總量上增加輸、配電網(wǎng)供電能力,必須依靠技術(shù)進(jìn)步,采用現(xiàn)代化新技術(shù),提高供電質(zhì)量和服務(wù)水平,提高效率。

我國城市電網(wǎng)除東北地區(qū)為 330 kV/66 kV/10 kV/0.4kV四級電壓外,其余城市均采用220kV/110 kV/35kV/10 kV/0.4 kV五級電壓。而城市電網(wǎng)的發(fā)展正朝著 “標(biāo)準(zhǔn)化、小型化、無油化、自動化”方向發(fā)展,其中簡化電壓等級更是當(dāng)前城網(wǎng)改造面臨的重大問題之一。簡化電網(wǎng)結(jié)構(gòu),采用高壓深入供電,有利于提高供電能力和降低配電網(wǎng)損耗。具體做法就是進(jìn)行升壓改造,形成220kV/110 kV/20kV/0.4 kV四級電壓的局面〔2,4〕。

2 發(fā)展 20 kV電壓等級可行性分析

2.1 中壓配電電壓從 10 k V升到 20 kV效益分析

2.1.1 增強(qiáng)傳輸能力按照城網(wǎng)規(guī)劃的原則,依經(jīng)濟(jì)電流密度選擇導(dǎo)線截面 A(mm2),輸送功率 (kW)

在不改變原有線路導(dǎo)線規(guī)格的情況下,則

即 20kV的輸送容量可比 10 kV提高 1倍。

2.1.2 提升電壓質(zhì)量電壓降百分?jǐn)?shù) ΔU%為

在負(fù)荷不變的條件下,

在負(fù)荷升高 1倍后,

由上可知,電壓由 10 kV升至 20 kV后,在負(fù)荷不變的條件下,壓降可比 10 kV減少 75%;負(fù)荷增加 1倍后,壓降可比 10 kV減少 50%。

2.1.3 擴(kuò)展供電范圍

代入式 (4),整理可得在一定負(fù)荷條件下的經(jīng)濟(jì)供電半徑 (km)

在電壓損失要求一致,負(fù)荷不變的條件下

即電壓由 10 kV升至 20 kV后,供電半徑增加了 1倍。

2.1.4 降低線路損耗

假設(shè) 1年內(nèi)線路上流過的電流或線路某一端電壓和有功、無功功率的變化規(guī)律已知,原則上就可以計(jì)算線路的電能損耗,因?yàn)樗皇侨舾筛虝r間內(nèi)電能損耗的總和,則

上式是將 1年分為 n個時間段,而在這 n個時間段內(nèi),線路電流或線路某一端電壓和功率可以認(rèn)為不變,這樣可以較精確地計(jì)算其損耗。

則式 (10)可寫成

式中 ΔWz為全年電能損耗 (kWh);ΔWzk為每個時間段內(nèi)電能損耗 (k Wh);Ik為每個時間段內(nèi)線路電流 (A);Pk,Qk,Uk為每個時間段內(nèi)線路某一端有功 (kW)、無功功率 (kvar)和電壓(kV)。

求得電能損耗后,可計(jì)算標(biāo)志經(jīng)濟(jì)性能的指標(biāo):線損率或網(wǎng)損率。線損率或網(wǎng)損率指的是線路上損耗的電能與線路始端輸入的電能的比值。不計(jì)對地電導(dǎo)或不計(jì)電暈損耗時,它指線路電阻中損耗的電能 ΔWz與線路始端輸入電能 W1的比值。

線損率也常以百分值表示,即

式中 W2為線路末端輸出的電能。

2.2 分析結(jié)論

從以上分析可以看出,如果提高供電電壓 U,則線路中損耗的電能 ΔWz必將減少,也就是說,線損率也將大大減少。由式 (11)可知:將配電電壓從 10 kV提高到 20k V,ΔWz降至原來的 1/4。在降低網(wǎng)損方面,20 kV電壓等級的效果顯著。

3 當(dāng)前配網(wǎng)結(jié)構(gòu)模式的不足

3.1 配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)相對薄弱,制約供電能力提升

10 kV線路供電半徑,在負(fù)荷密度為 20～30 kW/km2時為 10～12 km;40～70kW/km2時不足 8 km。湖南農(nóng)村地區(qū)用電負(fù)荷密度平均約 60～70 kW/km2,1個縣約幾百平方公里,用 10kV線路供電時,由于受供電半徑的限制,將需要建設(shè)35 kV變電所 10余座,除花費(fèi)大量投資及占地外,每年僅主變壓器損耗就有百萬千瓦時之多。

我國大城市中心負(fù)荷密度在 11～30MW/km2,每 2.3 km2就得建 1個降壓變電站,從投資、管理、占地、節(jié)能、環(huán)境等方面來看,都存在不少問題。

3.2 配電網(wǎng)網(wǎng)損大,電能質(zhì)量差

我國線損率偏高的原因主要是輸、配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)適應(yīng)不了供電量的快速增長,特別是城鄉(xiāng)居民生活用電的迅速增長使原已接近飽和狀態(tài)的低壓配電網(wǎng)絡(luò)的壓力更大。

全國城網(wǎng) 110 kV及以下高、中、低壓配網(wǎng)線損電量約占總線損電量的 60%,而 10kV及以下中、低壓網(wǎng)絡(luò)線損占城網(wǎng)線損的比重在不斷上升,有些城市由 45%左右上升到 50%～56%。

以蘇州供電局提供的線損率為例,蘇州供電局線損率 (110kV及以下)為 6%左右,其中 10 kV線損率為2.72%,0.4kV為 1%左右,其余2.38%左右為 35kV和 110kV的線損率。

表 1為蘇州工業(yè)園 20 kV配電網(wǎng)和蘇州城區(qū) 10 kV配電網(wǎng)總線損率比較。

表 1 蘇州工業(yè)園配電網(wǎng)線損率統(tǒng)計(jì) %

從表 1及前述計(jì)算中可以看出,與 10 kV配電網(wǎng)相比,20 kV電壓等級配電網(wǎng)的線損率得到較大幅度的降低。其供電半徑與容量幾乎比后者增加 1倍,而配電網(wǎng)電壓升高 1倍,網(wǎng)損可降低 3/4,并且也可減少單位容量的建設(shè)資金及維修費(fèi)用,因而具有明顯的經(jīng)濟(jì)性和有效性。

因此降損重點(diǎn)在配網(wǎng),特別是在用電負(fù)荷不斷增加、各行業(yè)對用電質(zhì)量要求越來越高的形勢下,采用 20 kV電壓等級,并結(jié)合城市電網(wǎng)和農(nóng)村電網(wǎng)的建設(shè)和改造,應(yīng)列入工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)之中。

4 具體實(shí)施

根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較,20 kV中壓配電電壓等級在技術(shù)上的合理性和經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)越性都被國內(nèi)外認(rèn)可。但是,10 kV電壓等級的長期存在和發(fā)展,如果全部升壓到 20kV,困難非常大。參考國外經(jīng)驗(yàn),通常是在負(fù)荷密度高的地區(qū),采用 20 kV電壓等級。其他地區(qū)可以根據(jù)情況和規(guī)劃因地制宜,10 kV和 20 kV配電電壓等級同時存在,其間配置20 kV,10kV聯(lián)絡(luò)變。

從供電可靠性角度考慮,20 kV中壓配電電壓等級完全滿足供電安全 (N-1)準(zhǔn)則的要求。

從中性點(diǎn)接地方式角度考慮設(shè)備絕緣水平以及造價(jià),通過調(diào)研發(fā)現(xiàn):20 kV配電網(wǎng)在中性點(diǎn)低電阻接地方式下,對于開關(guān)柜設(shè)備可選擇工頻耐壓通用值 50kV,斷口值 60 kV的低絕緣水平標(biāo)準(zhǔn),其價(jià)格在 20萬元左右。在中性點(diǎn)消弧線圈接地和不接地方式下,對于開關(guān)柜設(shè)備應(yīng)選擇工頻耐壓通用值 65 kV、斷口值 79 kV的高絕緣水平標(biāo)準(zhǔn),其價(jià)格略高于同等條件下的低絕緣水平標(biāo)準(zhǔn),約為 22萬元,開關(guān)柜的價(jià)格比低電阻接地方式下開關(guān)柜價(jià)格提高約 10%。因而在 20 kV配電網(wǎng)具體實(shí)施過程中,由于減少了配電單元、電纜長度、變電站數(shù)量及征地費(fèi)用等,最終采用 110k V/20 kV電壓供電能減少總投資和運(yùn)行費(fèi)用。

5 結(jié) 論

我國配電網(wǎng)的現(xiàn)狀不能滿足我國城市電力負(fù)荷的增長趨勢,而升壓改造不僅可緩解供電的日趨緊張,減少配電網(wǎng)的損耗和壓力,更能帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。城網(wǎng)改造中將 10 kV電壓等級升壓成 20 kV不僅可行,也是一種必然趨勢。

〔1〕中國電力科學(xué)研究院系統(tǒng)所.20 kV中壓配電理論研究 〔M〕.北京:中國電力出版社,2009.

〔2〕董振亞.城市配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式的發(fā)展和改進(jìn) 〔J〕.中國電力,1998.

〔3〕姜祥生,汪洪業(yè),姚國平.蘇州工業(yè)園區(qū) 20kV電壓等級的實(shí)踐 〔J〕.供用電,2002,19(6):9-11.

〔4〕徐博文.關(guān)于 20kV電壓等級的應(yīng)用問題 〔J〕.電網(wǎng)技術(shù),1995,19(14):1.