基于電纜增容的上海市中心城區節能減排實踐

賀 林 李紅雷 華東電力試驗研究院有限公司

1 前言

隨著城市發展，上海中心城區電力需求不斷上升，加之近幾年上海電網逐漸轉變為“強饋入弱開機”運行模式，出現了局部熱點地區負荷較重、部分220 kV電纜通道存在潮流重載的問題，已成為上海電網中的關鍵輸電瓶頸，制約了地區供電能力，降低了供電安全性。上海閘電燃氣輪機發電廠是上海電網楊行分區的電源點，也是上海電網的調峰電廠和黑啟動電廠。閘北、鋼鐵和森林等局部區域220 kV熱點地區對外聯絡線中蘊鐵2210線為400導線，閘蘊2205/2268均為電纜線路，區內閘蘊輸電通道在閘電燃機電廠長期發電頂潮流下仍存在潮流重載問題，且存在220 kV電纜段雙線阻抗不匹配，部分220 kV電纜更易過載的問題，需要閘電燃機長期開機來緩解潮流過載問題，在用電高峰時期必須大開機甚至過夜運行，降低電網運行經濟性。僅2013年，閘電燃機電廠全年發電量就高達5.35億度，折耗標煤21.61萬t，排放二氧化碳59.86萬t，嚴重影響環境。通過電纜增容運行，可以避免電廠長期發電，降低能耗，減少排放，保護環境，提升附近居民生活質量。

圖1 閘北、鋼鐵、森林地區網架結構圖

2 地區電網結構分析

隨著城市發展，上海中心城區電力需求不斷上升，加之近幾年上海電網逐漸轉變為“強饋入弱開機”運行模式，出現了局部熱點地區負荷較重、部分220 kV電纜通道存在潮流重載的問題，已成為上海電網中的關鍵輸電瓶頸，制約了地區供電能力，降低了供電安全性。閘北、鋼鐵和森林地區即為其典型代表，該地區網架結構如圖1所示。

該地區是上海中心城區供電比較薄弱的區域，且該地區重要負荷較多，包括鋼鐵企業、軍事設施、三甲醫院、大型商業廣場以及大量居民負荷，對供電可靠性要求較高。

區域內有鋼鐵、森林、新江灣等220 kV變電站，主要由某電廠以及蘊藻浜站進行供電，而且蘊藻浜站兩回出線電纜阻抗不匹配，并列運行潮流相差較大，一旦2205線故障，2268線易發生過載，導致斷面限額較低，迫使某電廠需要長期開機來降低斷面輸送潮流。這一狀況不僅影響該地區運行方式安排、降低了地區用電可靠性，而且在用電高峰時期電廠必須大開機甚至過夜運行，降低電網運行經濟性。

因此，蘊藻浜——閘北斷面輸電能力需要進一步提升，而將2268線更換較大截面電纜的建設費用需要約1億元，相比之下，若對該回電纜實施增容，可達到節能減排效果。

3 電纜增容工程實施

2268線總長6.7 km，全程排管敷設，敷設環境包括工井、電纜溝道（空氣中敷設）、排管，各位置鄰近的電纜的數量、電壓等級、負荷情況各不相同，排管結構也有所不同，因此對工井進行了逐個排查分析（見圖2），確定可3個工況最惡劣電纜段開展分析計算。

排查結果表明2268電纜全線發熱最大、工況最惡劣的是位于蘊藻浜站和第一個中間接頭之間的電纜段（1），其載流量明顯低于其他電纜段。

該位置電纜敷設于24孔水泥排管內（圖3），該處排管分4層，第1層4孔（內徑175 mm），第2層6孔（內徑175 mm），第3、4層均7孔（內徑150 mm）。該處排管埋深為0.5～1.0m（排管和地面的距離），共敷設有1回220 kV電纜和10回35 kV電纜。10回35kV電纜均為3×400截面的交聯聚乙烯絕緣電纜。

圖2 全線瓶頸點分析

圖3 瓶頸點排管結構

根據IEC60287標準中的電纜載流量計算理論，影響電纜載流量的主要外部因素包括鄰近電纜負荷、土壤熱阻系數、混凝土熱阻系數、土壤溫度、排管埋深等。對該瓶頸點進行建模計算得到了各因素對2268電纜載流量影響的程度差異見于表1。

表1 各因素對2268線載流量的影響

在表1所列各影響因素中土壤熱阻系數和混凝土熱阻系數可歸結為對外部熱阻的影響（確定值），地溫通過每天測量鄰近土壤的溫度獲得（實測值），電纜埋深由設計圖紙確定（確定值），而對2268線載流量影響最大的臨近35 kV電纜負荷則是實際運行中可以控制的因素。

根據運行經驗，電網春秋季的最高負荷不到夏季最高負荷的60%，因此，可以確定實施增容前該排管內每條35 kV電纜的夏季最大負荷，將其60%作為春秋季的長期負荷。為留出一定的安全于都，在計算中，初步假定35 kV電纜始終工作在長期負荷（如表2）。

表2 排管內35kV電纜電流 A

由此計算得到不同地溫條件下的春秋季載流量限額見表3。

表3 春秋季載流限額表

在冬夏季用電高峰期間，通過對2268電纜運行環境進行準確測量以及臨近電纜負荷的精細化控制，可在原有基礎上提高其夏季載流量限額。

圖3中2268電纜同排管內共敷設有10回35 kV電纜，其中3回長期以來電流都很小（2012年最高負荷日電流分別為2.8 A、8.2 A、42.8 A）。正常情況下可將其電流分別限制在：30 A、40 A、50 A以下。針對剩余負荷較大的7回35 kV電纜（2012年最高負荷均超過200A），下面列出了2種典型的夏季限流方式的計算結果（冬季高峰期間計算方式與之類似）。

（1）7回35 kV電纜全部限制

如將7回35 kV電纜限制在夏季最高負荷的100%、85%、60%、50%以內，則2268電纜在地溫28℃下的輸送容量如表4所示。

表4 限制7回電纜負荷后的2268容量（地溫28℃）

（2）僅限制最靠近的3回35kV電纜

如限制最靠近2268線的3回35 kV電纜的負荷，可以有效提高2268的輸送容量。計算結果如表5所示。

表5 限制最靠近的3回電纜負荷后的2268的輸送容量

5 增容實踐成效

（1）實際增容效果

2268電纜從2013年1月開始實施輸送能力提升運行，全年的載流量計算值都超過2268原限額。在2013年夏季最高負荷日達到了674.6 A（257 MVA），地溫為28.8℃。而該電纜原限額是523 A（199 MVA），實際運行增容了28%。增容效果顯著。

增容運行期間，根據2268光纖測溫數據，對電纜運行狀態進行了跟蹤分析，在最高負荷日（8月5日），通道內溫度仍滿足要求，所以電纜增容發熱不會威脅其安全運行。

（2）節能減排效果

實施增容之前一年，該電廠全年發電量5.35億度，折耗折耗標煤21.61萬t，排放二氧化碳59.86萬t，SO2排放量1421.95 t，NOX排放量1 506.99 t，顆粒物排放量102.69 t。實施增容后，電廠全年發電量1.96億度，實現節能量9.165萬t標煤，二氧化碳排放量下降了63.36%，SO2排放量削減61.40%，NOX排放量削減58.94%，顆粒物排放量削減62.95%，節能減排效果明顯，產生了良好的社會效益。

（3）創造經濟效益

由于實施2268電纜增容運行，該電廠的開機方式全面優化（開機時間和啟停次數大幅減少）。增容運行前年發電量為53 507萬kWh，增容運行后發電量僅為19 602萬kWh，發電量累計減少63.36%（33 905萬kWh），該電廠的燃料是重油、成本很高，約為1.7元/kWh，而上海的火電廠上網電價一般為0.46元/kWh，由此簡單估算，全年減少發電燃料成本為4.2億元。如將2268電纜更換為較大截面電纜，建設費用需要約1億元，而實施了2268輸送容量提升工程后，可節省電纜更換的費用。直接經濟效益明顯。

（4）對電網調度運行的效益

2268電纜輸送能力提升后，充分發揮了該電纜載流能力，相應提高了閘北～蘊藻浜斷面穩定限額，降低閘北～蘊藻浜斷面潮流重載程度，有效提高閘北、森林、鋼鐵地區對外通道的交換能力，滿足地區負荷用電需求，大大增強該地區電網供電的靈活性和可靠性。同時減少對閘北地區電廠開機方式的限制，緩解閘北和該電廠機組開機壓力，確保一般高峰負荷下閘北地區不開機時的該地區電網供電安全可靠性，為將來該電廠關停創造條件。

上海大都市電網電纜化率高，且多個熱點地區220 kV電纜存在增容需求，因此該項實踐工作也為上海中心城區其他電纜輸送能力提升提供借鑒和參考，推廣應用前景廣闊。