單相配電系統應用于城市居民小區的探討

李天然，盛四清，王曉蔚

( 1． 華北電力大學，河北保定071003; 2． 河北省電力公司電力科學研究院，石家莊050021)

目前，我國低壓配電主要采取較為單一的三相四線制配電方式，但隨著電網的發展，這種單一低壓配電方式的諸多弊端日益突顯：供電半徑長、線路損耗大、電壓損失嚴重、供電可靠性低；單臺變壓器容量過大，同時由于三相動力負荷與單相居民用電共用1臺三相變壓器，且用電具有不同時性，導致變壓器處于不對稱運行狀態和季節性嚴重輕載，無法達到經濟運行[1]。因此，提出采用具有“小容量、密布點、短半徑”配電特征的單相供電系統，使10 kV線路直接饋線至負荷中心，可顯著降低線路損耗，提高供電可靠性和電壓質量，對于城市居民小區等單相負荷相對集中的地區具有重要意義[2]。以下通過對某城市居民小區單相配電系統改造進行技術經濟分析，為單相配電系統應用于城市居民小區的可行性提供參考。

1 單相配電系統接入方式

1.1 中壓側接線方式

單相配電變壓器中壓側連接于10 kV配電網的線電壓UUV(或UVW、UUW)。在單相配電變壓器容量配置設計時，應充分利用其容量小，易于調整的特點，使負荷均勻地分布在U、V、W三相，并盡量做到3臺相同容量的單相配電變壓器為一組，以保證10 kV側負荷平衡[3]。單相供電系統中壓側接線方式如圖1所示。

圖1 單相供電系統中壓側接線示意

1.2 低壓側接線方式

單相配電系統有2種供電方式，單相二線制和單相三線制。單相二線制即變壓器的高、低壓側各有一個繞組，電壓比為10 kV/0.22 kV，低壓側接地，接線如圖2所示。單相三線制供電即變壓器的高壓側有2個繞組，低壓側有1個繞組線圈，電壓比為10 kV/0.44 kV/0.22 kV，接線如圖3所示。

A與X間電壓為10 kV，經無勵磁分接開關可預調±5%電壓。對單相三線制，若低壓需要輸出220 V時，兩組繞組a1x、a2x單獨供電，x直接接地，容量均為50%，形成a1、a2、x單相三線制；也可采用并聯接法，即a1與a2接在一起作為a，x直接接地，a與x間電壓為220 V，容量為100%；若低壓需要輸出440 V時，則采用串聯接法，a1與a2間電壓為440

V，容量為100%[4]。

圖2 單相二線制變壓器接線

圖3 單相三線制變壓器接線

2 單相配電系統的技術優勢

單相配電系統與三相配電系統相比主要具有以下優點[3，5-6]。

a. 顯著降低低壓線路損耗。單相供電系統將10 kV中壓線路深入到負荷中心，最大限度地縮短了低壓供電半徑，顯著降低了低壓線損。若低壓接線方式采用單相三線制，且低壓側負荷分配均勻，則流過零線上的電流幾乎為零，低壓線路損耗降低效果更加明顯。

b. 改善供電質量。由于單相供電系統低壓供電半徑顯著縮短，線路電壓壓降減小，末端用戶用電設備由于電壓低而不能正常啟動的情況減少。

c. 提高供電可靠性。采用小容量、密布點的選取原則，單相變壓器的容量小，供電戶數遠小于三相變壓器。因此單相變壓器故障時的停電范圍要小于三相變壓器，同時單相變壓器安裝調換方便，縮短了事故處理時間，提高了供電可靠性。

d. 降低配電變壓器損耗。單相變壓器制造過程采用了先進的卷鐵心技術，使用優質冷軋硅鋼片并進行退火處理，使其空載損耗、負載損耗比S9系列三相變壓器下降了37%，空載電流下降了70%～80%，配電變壓器損耗較大。

e. 運行安全。原三相四線制發生零線斷線或接觸不良時，中性點電位嚴重漂移，造成個別相線電壓驟升，對居民用電造成危害。采用單相配電系統時此類事件基本消除。

3 2種配電方式的技術經濟比較

3.1 電力損耗計算

以某居民小區為例，該小區屬于老舊住宅小區，無電梯等三相用電要求，居民住宅小區戶均計算負荷取4 kW。

3.1.1 三相供電方案損耗計算

該小區采取傳統三相變壓器供電，變壓器距離負荷較遠，供電半徑較長，其供電方案的示意見圖4。小區住宅樓基本情況見表1。需用系數取0.33。

圖4 小區三相變供電方案示意

表1 小區住宅樓三相配電基本情況

節點樓號戶數計算負荷/kW負荷占總容量百分比/%172026.4010-20.0010287295.0493647.5228354863.3663647.5222414559.4126079.2028533647.5241215.8412

變壓器型號為S9-500/10，容量SN=500 kVA，空載損耗Ps0=1 000 W，短路損耗Psk=5 000 W，假設變壓器的均方根負載率為80%，居民樓內供電半徑l1=30 m。

線路功率損耗

式中：Psi為節點i的功率損耗；ki為節點i處負荷占總容量百分比；SN為小區變壓器總容量；rs0為進線電纜單位長度阻抗；lsi為節點i處線路長度。

3.1.1.1 低壓分支線路功率損耗

3.1.1.2 低壓主干線功率損耗

低壓主干線各線路型號為：

節點1，VV22-6/10-3×95+1×50型電纜360 m，每相單位長度阻抗rs1=0.193 Ω/km；

節點2，VV22-6/10-3×185+1×95型電纜320 m，每相單位長度阻抗rs2=0.099 Ω/km；

節點3，VV22-6/10-3×120+1×70型電纜150 m，每相單位長度阻抗rs3=0.153 Ω/km；

節點4，VV22-6/10-3×120+1×70型電纜160 m，每相單位長度阻抗rs4=0.153 Ω/km；

節點5，VV22-6/10-3×150+1×95型電纜250 m，每相單位長度阻抗rs5=0.124 Ω/km。

3.1.1.3 三相供電方案系統總損耗

實際考慮三相運行負荷不平衡，損失系數取1.2倍，考慮低壓三相供電不平衡因素，計算三相供電方案線路總損耗Ps=1.2(Psl+Psh)=17 940.13 W；變壓器實際銅損PsCu=0.82×Psk=3 200 W；系統總損耗Pss=Ps+PsCu+Ps0=22.14 kW；三相供電方案的損耗率ρss=Pss/0.8SN=5.535%。

電價按照石家莊市平均電價0.64元/kWh計算，則全年損耗電量費用為0.64×8 760Pss=12.41萬元。

3.1.2 單相供電方案損耗計算

若采用單相供電方案進行改造，取消原有三相變壓器，在1-5節點處分別放置小容量單相變壓器，原低壓電纜改為10 kV電纜輸電，如圖5所示。

在近負荷處配置5臺D12-100單相變壓器(T3、T6、T7、T8、T10)，其容量Sn1=100 kVA，空載

圖5 小區單相變供電方案示意

損耗Pd01=195 W，短路損耗Pdk1=1 480 W。3臺D12-80單相變壓器(T1、T4、T5)，其容量Sn2=80 kVA，空載損耗Pd02=180 W，短路損耗Pdk2=930 W。2臺D12-50單相變壓器(T2、T9)，其容量Sn3=50 kVA，空載損耗Pd03=135 W，短路損耗Pdk1=660 W。小區住宅樓單相配電基本情況見表2。假設變壓器的均方根負載率為80%，居民樓內供電半徑l2=10 m，需用系數取0.4。

表2 小區住宅樓單相配電基本情況

節點樓號戶數計算負荷/kW變壓器容量/kVA172032.010-20.0802872115.2100+5093657.680354876.810063657.680414572.010026096.0100+50533657.641219.2100

3.1.2.1 低壓接戶線功率損耗

進單元表箱的低壓分支為VV22-1.0-35電纜，每相單位長度阻抗rs0=0.524 Ω/km，平均供電半徑為l=30 m。

線路功率損耗

Pdi=20.8Sni/U2r0×ldi(2)

式中：Pdi為節點i的功率損耗；Sni為節點i所接變壓器總容量；r0為進線電纜單位長度阻抗；ldi為節點i處線路長度。

各節點低壓分支線路功率損耗：

Pdl1=PT1=1 189.09 W；

Pdl2=PT2+PT3+PT4=464.49 W+422.91 W+297.27 W=1 184.66 W；

Pdl3=PT5+PT6=464.49 W+297.27 W=761.76 W；

Pdl4=PT7+PT8+PT9=464.49 W+464.49 W+422.91 W=1351.89 W；

Pdl5=PT10=1 857.96 W。

上述各式中，PTi為各單相變壓器所帶低壓線路的功率損耗。

則小容量單相變壓器所帶低壓線路損耗Pdl=∑(Pdl1+…+Pdl5)=6 345.36 W。

3.1.2.2 高壓主干線路功率損耗

10 kV電纜線路型號選擇：節點1、5處電纜選用YJV22-6/10-3×95，單位長度阻抗rd1=0.193 Ω/km，節點2、3、4處電纜選用YJV22-6/10-3×120，單位長度阻抗rd2=0.153 Ω/km。

各節點高壓主干線路功率損耗為Pd1=2.85 W；Pd2=18.65 W；Pd3=6.03 W；Pd4=4.08 W；Pd5=3.09 W。10 kV線路總損Pd=∑(Pd1+…+Pd5)=34.7 W。

3.1.2.3 單相供電方案系統總損耗

變壓器實際銅損PdCu=5×0.82×Pdk1+3×0.82×Pdk2+2×0.82×Pdk3=7 366.4 W；變壓器運行空載損耗Pd0=5×Pd01+3×Pd02+2×Pd03=1 785 W；單相供電方案系統總損耗Pds=Pd+Pdl+PdCu+Pd0=15.53 kW；單相供電方案的損耗率為ρds=Pds/0.8SN=2.31%。

按照石家莊市平均電價0.64元/kWh計算，則全年損耗電量費用為0.64×8760Pds=8.71萬元。

3.2 工程造價分析

3.2.1 三相供電方案投資計算

S9-500/10配電變壓器2臺(一主一備)，計10萬元；VV22-1.0-4×35電纜240 m，計1.03萬元；VV22-6/10-3×95+1×50電纜360 m，計7.92萬元；VV22-6/10-3×185+1×95電纜320 m，計12.8萬元；VV22-6/10-3×120+1×70電纜310 m，計9.3萬元；VV22-6/10-3×150+1×95電纜250 m，計8.75萬元。三相供電方案合計投資總額49.5萬元。

3.2.2 單相供電方案投資計算

D12-100配電變壓器5臺，計15萬元；D12-80配電變壓器3臺，計7.5萬元；D12-50配電變壓器2臺，計4.4萬元；VV22-1.0-35電纜160 m，計0.96萬元；YJV22-6/10-3×95電纜610 m，計12.2萬元；YJV22-6/10-3×120電纜750 m，計22.5萬元。單相供電方案合計投資總額62.56萬元。

經計算，單相供電方案較三相供電方案，總損耗減少6.61 kW，損耗率下降3.23%，年節約電費3.7萬元，具有較好的節能降損作用。單相供電方案設備投資較高，較三相供電方案多出13.06萬元。但是，單相供電方案較三相供電方案多投入的費用可以很快從每年節省的電費中收回。

4 結論

a. 對于該小區的單相供電方案，由于高壓線路的充分延伸，有效降低了電網運行的損耗。雖投資成本高于傳統的三相供電方式，但可在較短年限內回收投資，同時也可有效地提高居民供電質量。

b. 對于負荷較密集的商業用戶及城市住宅小區，可采用單相與三相供電相結合的方式，實現節能降損，提高供電質量，同時滿足其三相供電的需求。

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