Economic Analysis of the Substation in the Load Center

Tao Yunfei

?

Economic Analysis of the Substation in the Load Center

Tao Yunfei

AbstractWhether the transformer is centralized setting and whether the load center is located are compared from the economic and technical aspects. In order to achieve better energy efficiency and reduce the economic costs, the setting mode of small-capacity and multi-site is recommended.

Keywordsload center, substation, small capacity city

0概述

規范中對變電所位置的選擇有明確要求，有些位置會嚴重影響變電所的正常運行，應當避免，通常需根據技術、經濟兩方面的比較來確定其合理位置。變電所位于負荷中心，有利于保證線路電壓降滿足規范要求，同時能降低電能損耗，是電氣系統是否為節能設計的主要判定標準。

本文主要從減少有色金屬使用量的角度討論變電所接近負荷中心時帶來的經濟收益，這也是與綠色節能密切相關的內容。

由圖1可見，在變電所逐漸向負荷中心靠近的過程中，載流量大的供電線路的長度減少，載流量小的供電線路的長度增加。總體來說，變電所接近負荷中心能減少有色金屬用量，降低造價成本。

圖1　變電所移向負荷中心示意圖

1合理選擇變電所位置

從節能角度考慮，民用建筑內部變電所應盡量接近負荷中心，以降低配電系統的電能損耗、電壓損失及有色金屬消耗量。

實際工程中變電所位置分為供電區域內和供電區域外兩種情況。

當變電所位于供電區域外時，變電所越靠近供電區域越合理。例如，位于地下室的變電所給地上塔樓建筑供電時，所有變電所出線均從供電區域外引入供電區域，這時，變電所無法位于負荷中心，但變電所越接近塔樓的投影位置(或豎井)越節能。

當變電所位于供電區域內時(例如變電所給平層商業供電)，變電所位于負荷中心最節能。

負荷中心具體位置一般通過負荷指示圖及負荷功率距法來近似確定，可以參見相關書籍，本文不做討論。

由于負荷中心總負荷隨季節和時段的不同而變化，因此負荷中心的選擇并不要求十分精確，必要時可以將變電所饋出線纜的總成本作為考慮因素之一。

2變電所饋出線纜的經濟性分析

當變電所位于供電區域外時，每接近負荷中心1m，變電所饋出的所有線纜長度就會減少1m，其經濟價值十分可觀。表1以多項工程的變電所為例，統計變壓器全部饋線每米總價格，并得出該價格與變壓器安裝容量之間的關系，相關數據可作為工程中的經驗數據使用。

電纜每米價格標準：YJV按0.71元/mm2計，WDZA按0.852元/mm2計，WDZAN按0.938元/mm2計。例如，10m長的YJV-3×240+2×120價格為(3×240+2×120)×0.71×10=6 816元，此值比市場平均價格偏高30%～50%，僅供參考。

由于變電所饋線電纜種類較多，為方便統計，電纜統一按0.85元/mm2計，母線按2元/m·A計，統計結果見表1。

表1　變電所饋出線纜統計表

表1均取自多項工程真實數據，變壓器負載率比較高、設計人員對電纜截面選擇偏大等原因使結果差異較大。一般來說，變壓器負載率較高、饋出回路包含較多主/備用回路時，饋出電纜的每米總價格就會偏高。

為了與表1進行對比，本文還假設一種理想情況，變電所給多個供電點供電，每個點配電箱帶200kW負荷，該末端配電箱需要系數取0.8，計算電流302A，變電所選擇320A開關，饋線按4×185+1×95電纜考慮。整個供電區域均勻布置18個配電點，變電所變壓器安裝容量計算約為：S=200×18×0.6/0.9/0.75=3 200kVA，則選取2臺1 600kVA變壓器。

此變電所饋出18個回路，每米總價格為18×(4×185+95)×0.85=12 776元，與變壓器容量比為3.99元/V·A(此時假設變壓器負荷沒有互為備用的饋出回路)。

若上述變電所帶14個200kW回路，另外帶20個40kW的主備用回路，40kW饋出線纜按4×50+1×25電纜設計。此時每米總價格為14×(4×185+95)×0.85+40×(4×50+25)×0.85=17 587元，與變壓器容量比為5.5元/V·A。

通過上述工程實例及假設情況可知，變電所饋出電纜每米的價格與變壓器容量比約為4～6元/V·A，當互為備用回路較多時其值會偏大，在工程中粗略估算可按5元/V·A作為計算標準。

例如，地下室變電所通過核心筒電氣豎井給地上高層建筑供電，若變電所設置在地下室某區域裝機容量為2×2 000kVA，則可以粗略認為變電所每向電氣豎井接近1m，電纜造價就可以節省2萬元，接近50m就可節省100萬元。

當變電所位于供電區域內部時，向負荷中心接近的過程中，部分線路會增加距離，部分線路會減少距離。綜合來說，大截面電纜的距離會減少，小截面電纜的距離會增加，越接近負荷中心，有色金屬消耗越少。根據變電所偏離負荷中心的距離，線纜成本增加的程度大致如圖2所示。

圖2　變電所距離負荷中心距離與電纜成本的關系

圖2中50m以內的陰影區域為假設變電所已經位于供電區域內部，所以電纜費用變化的程度相對緩慢。變電所越接近負荷中心時，該工程的電纜造價越低，這可以作為優化設計的一種簡便思路。

3變電所多站點設置的經濟性分析

上文提到變電所位于負荷中心有利于節能及降低成本。但是當工程規模較大、變壓器設置數量較多時，將變壓器集中設置在負荷中心并不是最合理的做法，而將工程分為多個配電區域，每個區域的負荷中心設分變電所的做法會更節能。

下面以某假設工程為例，用電點均勻布置，每個用電點200kW，從變電所放射電纜配電，假設布置36個用電點，則變壓器總安裝容量為S=200kW×36×0.6/0.9/0.75=6 400kVA。此處需要系數取0.6，變壓器負載率取0.75，采用4×1 600kVA變壓器給36個配電點供電。針對圖3～6中變電所不同的設置方式，分析各自線路成本，假設用電點平均間距為L進行計算。

圖3中變電所4臺變壓器集中設置在供電區域外，變電所距離供電區域的距離為M。假設從變電所給供電區域所有用電點放射式配電，沿橋架敷設，則由變電所饋出的電纜總長度S=36×M+180×L(m)。

圖3　變電所集中設置在配電區域外

圖4中變電所4臺變壓器集中設置在供電區域內的負荷中心，則由變電所饋出至各用電點的電纜總長度S=108×L(m)。

圖4　變電所集中設置在負荷中心

圖5中變電所分2個區域設置，每個變電所位于各自供電區域內的負荷中心，則由變電所饋出至各用電點的電纜總長度S=78×L(m)。

圖6中變電所分4個區域設置，每個變電所位于各自供電區域內的負荷中心，則由變電所饋出至各用電點的電纜總長度S=48×L(m)。

由上述比較結果可知，變電所同樣是位于負荷中心，多站點設置要比集中設置省下更多的電纜成本，更節能。上述多種設置方式中，高壓總配電箱設在某一個變電所內，其他變電所不必設高壓開關設備。

如果本例按平層商業估算，變壓器裝機指標按100VA/m2計，L約為42m。按變電所不同設置方式的電纜價格估算值比較見表2。

圖5　變電所分兩個區域設置

圖6　變電所分四個區域設置

變電所集中設在供電區域外變電所集中設在負荷中心變電所分別設在2個負荷中心變電所分別設在4個負荷中心饋出線總長度36×M+180×L108×L78×L48×L饋出線總價格/萬(L=42m(M=20)電纜按4×185+95價格每米按0.85元/mm2)51.1+536.6322.1232.6143.1費用比較增加444.6萬增加310%增加179萬增加125%增加89.5萬增62.5%基準(最低)

由表2可見，采用多站點設置變電所，能讓變壓器更接近負荷中心，僅電纜成本一項就能節省可觀的初投資。

4小容量變電所設計的優點及設計措施

上文多站點設置變電所位于負荷中心的做法中電纜成本是最低的，同時能降低電能損耗，在設計中如有可能盡量采用。

將一個大的變電所分為幾個小容量變電所能更好地深入負荷中心，且IEC標準也在考慮“當建筑面積>20 000m2、需求容量>2 500kVA時，用多個小容量變電所供電”。

4.1小容量變電所設計的優點

許多開發商偏向于將4臺、6臺甚至更多的變壓器集中設置在一個變電所內，其理由是方便管理、能減少機房面積及降低造價，但是這都是沒有依據的。

從方便管理的角度講，只在重要的區域或總變電所內設控制保護裝置時需要值班人員，其他分變電所均無需值班人員。

從有效利用面積角度考慮，由于分變電所的面積很小，可以很容易地利用建筑邊角空間，相比集中設置變電所動輒要幾百平方米空間要相對容易。

從降低造價角度考慮，將變電所集中設置改為分散設置就是把部分變壓器及低壓柜分散布置到各分變電所，總的高低壓設備沒有增減，但是電纜的長度減少了許多，整體造價會大幅降低。

如果分變電所采用1 000kVA及以下的小容量變壓器，高壓側開關采用負荷開關熔斷器組合保護即可滿足要求，同時變壓器低壓側饋線開關分斷能力要求較低，有利于降低設備成本。

小容量變電所還可以兼做區域低壓配電間使用，由變電所直接給用電設備配電，省去了一級配電環節，不但供電系統簡單，而且提高了配電可靠性。

4.2小容量變電所設計措施

由于小容量變電所占地面積較小，容易設置在負荷中心，但仍不可避免占用商業價值較高的區域。此時，一方面要算好經濟賬，另一方面也要盡量減少機房面積，杜絕浪費。在設計配電設備的平面布置時一定要進行周密考慮，除了要執行規范要求外，可適當減少非必要的間距要求。建議可以從以下幾方面著手考慮：

1)減少干式變壓器前后左右間距要求

GB 50053-2013《20kV及以下變電所設計規范》只對油浸變壓器及無防護外殼的干式變壓器距離墻壁的距離提出了要求，故帶防護外殼的干式變壓器是可以靠墻安裝的，當然保持變壓器四周空氣流通是有利于散熱的。

2)充分利用規范中受限制條件

規范對設備布置的間距要求中經常受到建筑平面的限制，一些通道間距需要適當縮小，所以此時可以適當減少維護間距及操作距離。

3)選用柜后無操作和無維修要求的設備

規范對柜后維護及操作通道提出距離要求，是考慮到工作人員要在柜后維護或操作(多數情況下采取柜后維護操作)，可以方便柜體的設計及柜內設備的布置。但是當受到建筑平面限制時，柜廠也可以在設計柜體時只考慮柜前維修操作，這種柜體是可以靠墻安裝的。常見的抽屜柜及固定柜都可以做成靠墻安裝的形式。

從上述幾方面考慮，放置2臺800kVA變壓器的變電所只需要不到40m2的空間，如圖7所示(即3個車位)。

圖7　占用車位的變電所示意圖

對于高度超過150m的建筑，設計中經常考慮將變電所設置在地上樓層中，既可以節約線纜長度，也能降低線路運行損耗。對于高度低于100m的建筑，也可以考慮采用這種方式，圖8所示為樓上末端變電所，專門供電給高層辦公照明。

圖8　末端變電所示意圖

需要注意的是，當小容量變電所設在樓上辦公樓區域，要考慮電磁干擾及振動對周圍環境的影響，另外運輸問題也應當考慮。

5結束語

本文主要對變電所位于負荷中心的經濟性效益進行了分析，其實不但變電所要位于負荷中心，各級配電都要盡量靠近各自的負荷中心以減少供電線路的距離。

在GB 50189-2015《公共建筑節能設計標準》中提到“變電所到末端用電點的距離不超過250m為宜”，這也被設計人員作為設計依據，甚至認為供電半徑滿足250m即可認為是綠色建筑，筆者認為這個標準定得偏低。按照這個標準設計出來的工程，供電距離長、線損大，很難算是節能建筑。因為綠色建筑是高標準節能產品，所以應該適當提高設計標準，如主要干線供電距離不宜超過150m等，如此必能帶來更高的經濟效益及社會效益，也不會為設計帶來較大的困難。上述只是筆者個人的一些看法，若有不恰當的之處請同仁批評指正。

參考文獻

[1]劉介才.工廠供電[M].北京：建筑工業出版社.

[2]GB 50189-2015公共建筑節能設計標準[S].北京：中國工業出版社，2016.

變電所位于負荷中心的經濟性分析

陶云飛

(深圳華森建筑與工程設計顧問有限公司，北京 100044)

摘要對變壓器是否集中設置及是否位于負荷中心進行了經濟、技術方面的比較，推薦變電所采用小容量、多站點的設置方式，以達到更好的節能及降低經濟成本的目的。

關鍵詞負荷中心變電所小容量