10 kV供配電系統(tǒng)設(shè)計及對供電可靠性的影響分析

王麗莉

（南京國電南自電網(wǎng)自動化有限公司，江蘇 南京 211100）

0 引 言

10 kV供配電系統(tǒng)的主要任務(wù)是供電與配電。10 kV供配電系統(tǒng)的核心是10 kV變配電所，主要作用是接收電網(wǎng)電力、變換電壓以及分配電力等。因此，10 kV供配電系統(tǒng)的設(shè)計非常重要，是高壓電網(wǎng)與低壓電網(wǎng)連接的重要環(huán)節(jié)。過去的10 kV供配電系統(tǒng)的設(shè)計存在設(shè)備在環(huán)境中易受影響、容易產(chǎn)生噪音污染環(huán)境、占用土地面積大、成本較高以及供電質(zhì)量不高等缺點(diǎn)。尤其在濕度很大的沿江、沿海以及重工業(yè)污染區(qū)，10 kV供配電站經(jīng)常會發(fā)生污閃事故。

隨著各種技術(shù)的快速發(fā)展，通信系統(tǒng)、系統(tǒng)控制以及電子芯片都成功應(yīng)用于10 kV供配變電站，實(shí)現(xiàn)了供配變電站的自動控制和升級。有些供電公司變電站在PC監(jiān)控和集中控制方面應(yīng)用率已達(dá)到95%以上，因此供配電站自動化控制系統(tǒng)已經(jīng)成為供電網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要方向。

1 供配電系統(tǒng)總體的設(shè)計

本設(shè)計主要針對10 kV變配電所，以某大學(xué)供電為例。供電對象主要是宿舍樓、食堂、教學(xué)樓房以及圖書館等，還包括大學(xué)的公共設(shè)備、消防設(shè)施以及校區(qū)照明系統(tǒng)。本變電所因?yàn)樾^(qū)里需要用電的設(shè)備多，所以采用開閉站供配電形式供電[1]。該大學(xué)供電通過昆河變線路與和平變線路的兩條10 kV線路進(jìn)行供電。開閉站將10 kV高壓電分配到變壓器高壓側(cè)，變壓器低壓側(cè)通過電纜將380 V電源供給各個用電設(shè)施。

此次設(shè)計的供配電站系統(tǒng)電壓等級是10/0.4 kV。高壓端的分配采用開閉站形式分配，由昆河變線路與和平變線路兩進(jìn)線電源組成。經(jīng)過開閉站分流后，通過電纜分配到各個用電單位，分配如圖1所示。

圖1 高低壓電力分配圖

2 計算負(fù)荷與選擇變壓器

2.1 負(fù)荷計算

負(fù)荷計算是設(shè)計變電站的重要工作，指變壓器的容量與變壓器出線側(cè)能夠持續(xù)提供的最大電流。因?yàn)楸敬卧O(shè)計的10 kV供配電系統(tǒng)主要是樓宇供電，因此負(fù)荷計算采用系數(shù)法[2]。

2.1.1 成組設(shè)備用電負(fù)荷的計算

在計算干線配電負(fù)荷時要分組計算，計算公式為：

式中，Pcj為系統(tǒng)有功功率；Qcj為系統(tǒng)無功功率；Scj為系統(tǒng)視在功率；Kdj為第i個用戶單位指標(biāo)；Pni為第i個設(shè)備的有功功率；tanφi為功率因數(shù)正切值。

2.1.2 全區(qū)域負(fù)荷計算

全區(qū)域負(fù)荷計算要依據(jù)成組設(shè)備用電負(fù)荷的計算結(jié)果數(shù)據(jù)，配合系數(shù)KΣ得出，計算公式為：

式中，PcΣ、QcΣ、ScΣ分別為各組用電設(shè)備有功功率、無功功率及視在功率之和。

2.2 選擇變壓器

變壓器在供配電系統(tǒng)中對電壓級別的變換與供電系統(tǒng)的正常運(yùn)行具有重要作用。選擇變壓器必須要合理謹(jǐn)慎，如選擇不當(dāng)會給設(shè)計帶來諸多問題。選擇變壓器型號和容量時，除了要確定變壓器安裝環(huán)境、計算負(fù)荷、電壓等級以及進(jìn)線與出線的回路數(shù)量以外，還要考慮本地區(qū)3～5年的規(guī)劃與發(fā)展，要對變壓器預(yù)留一定的余量[3]。因?yàn)楸敬巫兣潆娝O(shè)計需要變壓器都安裝在室內(nèi)，所以選用干式的變壓器作為主變，具體型號為SCB9變壓器。

3 主線設(shè)計

供配電站主線設(shè)計要以符合國情、適用經(jīng)濟(jì)以及可靠安全為設(shè)計方向，保證原始資料具有一定的準(zhǔn)確性和實(shí)用性，考慮建造過程中會出現(xiàn)的情況，遵守相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)規(guī)定，確保方案設(shè)計達(dá)到經(jīng)濟(jì)性、靈活性以及可靠性等要求。

3.1 普通的單母線

普通的單母線連接方式簡單，只有母線一組，所有回路的進(jìn)線和出線都連接在這條母線上。它具有方便負(fù)載擴(kuò)展、價格較低、一次投入設(shè)備較少以及操作運(yùn)行方便等優(yōu)勢，但在供電可靠性方面相對較差，調(diào)度負(fù)荷不方便。如果線路上發(fā)生短路事故，系統(tǒng)中會出現(xiàn)很大的短路電流。它適用于進(jìn)線、出線相對較少，負(fù)荷并不重要的供配電站的接線[4]。

3.2 分段單母線

分段單母線的接線是使用隔離型開關(guān)與斷路器一次側(cè)的設(shè)備，把單母線分段連接。這種接線方式在靈活性與可靠性上有了大幅度提高，具有方便、經(jīng)濟(jì)以及簡單等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于中型變電站和小型變電站。它適用于具有兩臺或多臺主變、電源在6～10 kV的變配裝置。

4 計算短路電流

供電系統(tǒng)出現(xiàn)短路的故障分為不對稱故障和對稱故障兩種。對系統(tǒng)造成的最大危害是三相電路短路故障，也稱為對稱型短路故障。不對稱故障有兩相發(fā)生短路、兩相發(fā)生對地短路以及單相對地短路等。在供電系統(tǒng)短路故障中，單相對地短路故障最多，占短路故障的70%以上。

4.1 計算短路電流的條件

供電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)分成暫態(tài)與穩(wěn)態(tài)兩種，而短路故障的性質(zhì)是暫態(tài)。供電系統(tǒng)暫態(tài)的過程會受到許多原因影響，為了便于計算和分析供電系統(tǒng)暫態(tài)過程，需要合理假設(shè)條件[5]。本文利用近似方法計算短路電流，假設(shè)條件為：供電網(wǎng)絡(luò)中全部電源都在負(fù)荷范圍之內(nèi)運(yùn)行；所有同步的電機(jī)都有自動進(jìn)行調(diào)節(jié)的勵磁設(shè)備；三相出現(xiàn)短路時的電流是瞬間最大值；供電網(wǎng)絡(luò)中全部電源相位角要相同；計算短路電流時，可以不考慮發(fā)生短路的電弧和電阻，但必須考慮各個元件影響短路的電流值。

4.2 計算短路電流的主要步驟

計算短路電流的主要步驟：選擇基準(zhǔn)數(shù)值計算元件的等值電抗值，繪制系統(tǒng)等值圖；選擇相應(yīng)的短路點(diǎn)，簡化系統(tǒng)等值圖，不必考慮系統(tǒng)短路的電流非周期的分量因素；計算發(fā)生短路時短路的容量、電流最大有效值以及沖擊電流值；最后，繪制計算短路電流值表。

5 影響供電網(wǎng)絡(luò)可靠性的因素

5.1 停 電

停電形式可分為故障出現(xiàn)停電和預(yù)先安排的停電兩種。故障性質(zhì)的停電是供電網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時的停電。按照停電的部位，它可分成故障內(nèi)部停電和故障外部停電兩種。故障內(nèi)部停電是指供電企業(yè)內(nèi)部管轄的設(shè)備和電網(wǎng)出現(xiàn)故障而停電。故障外部停電是指供電企業(yè)之外的設(shè)備和電網(wǎng)出現(xiàn)故障而停電[6]。預(yù)先安排的停電主要是供電單位由于某種原因需要停電，在停電前的6 h向調(diào)度提出許可，并且在得到許可后向用戶通知停電公告。停電形式分為限電、臨時性停電以及計劃性停電3種。

5.2 供電能力

供配電網(wǎng)絡(luò)供電的能力是指在供電區(qū)域內(nèi)供配電網(wǎng)絡(luò)能夠提供最大的負(fù)荷能力。供電能力的大小與供電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、電力輸送線路的參數(shù)以及變電站的規(guī)模有直接關(guān)系。供電的能力主要有網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)移負(fù)荷的能力和電站自身供電的能力。

5.3 設(shè)備影響可靠性供電的因素

一是線路方面。線路沒有全相使用，出現(xiàn)各相的負(fù)荷不均，容易出現(xiàn)過載相和熔斷器發(fā)生熔斷等問題。由于施工或者天氣惡劣，輸電線路會發(fā)生斷線、倒桿以及短路接地致使停電。另外，植被樹木和輸電線路的距離過近也會造成線路短路，使供電控制系統(tǒng)發(fā)生跳閘[7]。二是變電設(shè)備方面。一方面是變壓器發(fā)生絕緣降低、套管擊穿、線圈短路斷路以及對地短路等故障，另一方面是電流、電壓型互感器發(fā)生故障引起系統(tǒng)保護(hù)跳閘等。

6 結(jié) 論

根據(jù)經(jīng)濟(jì)、可靠以及安全原則對10 kV供配電站進(jìn)行設(shè)計，包括供配電系統(tǒng)的總體設(shè)計、計算負(fù)荷、變壓器選擇、主線設(shè)計以及短路電流計算等，提高了10 kV供配電站可靠性和供電的能力，且深入研究了影響10 kV供配電網(wǎng)絡(luò)可靠性的各種因素，能為定位供電電路故障提供借鑒。