10kV配電網(wǎng)設(shè)計及節(jié)能問題分析

麗水市普明電力建設(shè)工程有限公司 李 唐

1 10kV配電網(wǎng)設(shè)計要點(diǎn)

1.1 做好基礎(chǔ)性工作

在10kV配電網(wǎng)項目初期立項階段，由于沒有全面掌握項目信息，導(dǎo)致配電網(wǎng)設(shè)計方案與實(shí)際使用需求不符，形成電力能源供求矛盾，或是造成設(shè)施資源的閑置浪費(fèi)。例如，在電能用量預(yù)測值預(yù)小于實(shí)際值時，所建設(shè)10kV配電網(wǎng)很難滿足所處區(qū)域用戶的實(shí)際用電需求。因此在設(shè)計階段需做好基礎(chǔ)性工作，持續(xù)采集工程相關(guān)信息資料，如統(tǒng)計電負(fù)荷、記錄用電情況、整合統(tǒng)計該區(qū)域用電總量、準(zhǔn)確預(yù)算電能使用趨勢等。在其基礎(chǔ)上明確項目規(guī)模，并設(shè)定變壓器等設(shè)備數(shù)量與容量。如此，可在滿足用戶用電需求的前提下避免出現(xiàn)設(shè)施資源浪費(fèi)，在客觀層面上增強(qiáng)10kV配電網(wǎng)的節(jié)能屬性。

1.2 應(yīng)用繼電保護(hù)技術(shù)

10kV配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)分為正常運(yùn)行、異常運(yùn)行及故障運(yùn)行三種。其中，在出現(xiàn)設(shè)備故障或操作不當(dāng)時，配電網(wǎng)容易處于異常運(yùn)行與故障運(yùn)行狀態(tài)，并引發(fā)設(shè)備損壞及停電等事故出現(xiàn)，造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。同時，在出現(xiàn)10kV配電網(wǎng)故障運(yùn)行現(xiàn)象后，也會損耗大量電力能源，縮短設(shè)備使用壽命，違背了節(jié)能環(huán)保理念。為解決這一問題，需在10kV配電網(wǎng)設(shè)計方案中應(yīng)用繼電保護(hù)技術(shù)。如此，在10kV配電網(wǎng)運(yùn)行期間，如出現(xiàn)各類故障問題，繼電保護(hù)裝置將持續(xù)對配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控測量，并自動執(zhí)行保護(hù)動作以控制故障影響范圍，快速恢復(fù)10kV配電網(wǎng)的正常運(yùn)行狀態(tài)。

例如，在10kV配電網(wǎng)中設(shè)置過電流保護(hù)裝置，當(dāng)裝置檢測到電路產(chǎn)生超過額定值的瞬時電流后，自動執(zhí)行電流速斷保護(hù)動作，在限定時間內(nèi)切斷短路故障。同時在變壓器中安裝熔斷器，在裝置檢測到出現(xiàn)配電線路短路故障后熔斷器運(yùn)行條件被觸發(fā)，快速切斷電力[1]。

1.3 控制線路檢修停電范圍

在10kV配電網(wǎng)運(yùn)行期間，當(dāng)開展線路檢修工作時，出于安全因素考慮需將故障線路停電，但這將對電網(wǎng)線路的正常運(yùn)行造成影響，無法滿足用戶的實(shí)時用電需求。為減小線路停電事故對10kV配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)造成的影響，需采取多項設(shè)計措施以縮短線路檢修停電范圍。例如，在配電網(wǎng)中設(shè)置若干數(shù)量線路分段開關(guān)裝置，在每條線路中設(shè)置4個左右的開關(guān)控制器。如此，在出現(xiàn)線路停電事故后，通過使用分段開關(guān)裝置及開關(guān)控制器，可將各段線路所鏈接用戶數(shù)量控制在7～11戶以內(nèi)。

1.4 10kV架空網(wǎng)設(shè)計

為改善10kV配電網(wǎng)的供電可靠性，在條件允許前提下可選擇采取線路架空敷設(shè)方式與中性點(diǎn)不接地方式。如此，在10kV配電網(wǎng)運(yùn)行期間出現(xiàn)單相節(jié)點(diǎn)等故障問題后，所設(shè)置繼電保護(hù)裝置可快速切斷故障，在短時間內(nèi)恢復(fù)10kV配電網(wǎng)正常運(yùn)行狀態(tài)，避免造成更為嚴(yán)重的損失。

2 10kV配電網(wǎng)設(shè)計中的節(jié)能措施

2.1 變壓器節(jié)能設(shè)計

早期10kV配電網(wǎng)設(shè)計方案中所設(shè)置變壓器設(shè)備的電容量較大，在電能升壓與降壓等環(huán)節(jié)中會持續(xù)消耗大量電能，導(dǎo)致實(shí)際用電成本提高。根據(jù)相關(guān)調(diào)查結(jié)果顯示，在10kV配電網(wǎng)總損耗中變壓器所損耗電能占比50%以上，線路所損耗電能在40～50%以內(nèi)。同時可將變壓器所消耗電能分為可變消耗及空載消耗兩類[2]。

2.1.1 配置新型節(jié)能變壓器

10kV配電網(wǎng)中老舊型號變壓器的節(jié)能效果不理想，在運(yùn)行期間會消耗大量電能。因此在新建或改造10kV配電網(wǎng)項目中，都需配置新型節(jié)能變壓器設(shè)備來取代老舊型號變壓器，從而減小電能損耗量，控制實(shí)際用電成本。例如，可選擇配置10kV電壓等級的三相油浸式電力變壓器，與老舊型號變壓器相比，其性能參數(shù)空載及負(fù)載損耗均比都下降10%以上，在使用期間可減小電能損耗量。同時也可選擇配置SH型非晶合金變壓器，與S9型硅鋼片變壓器相比可將空載損耗減少70%以上。

此外，考慮到部分老舊型號變壓器的實(shí)際使用年限較短，如直接更換這類變壓器，雖可減小電能損耗量，但設(shè)備使用性能將無法得到充分發(fā)揮，在客觀層面上造成新的資源浪費(fèi)。因此需根據(jù)10kV配電網(wǎng)項目情況合理制定變壓器改造方案。例如，為控制改造成本，需采取分批分次改造方式，使用新型節(jié)能變壓器優(yōu)先更換高能耗變壓器與超期服役的變壓器。

2.1.2 變壓器數(shù)量及容量選擇

一些設(shè)計方案中由于初期調(diào)查不全面，沒有正確掌握項目所處區(qū)域的實(shí)際用電情況及總用電量，所設(shè)置變壓器容量較大或是變壓器數(shù)量較多。如此在10kV配電網(wǎng)運(yùn)行期間，不但無法充分發(fā)揮變壓器設(shè)備的使用性能，還將造成電力能源的嚴(yán)重?fù)p耗。針對這一問題，在10kV配電網(wǎng)設(shè)計階段須做好基礎(chǔ)性工作，持續(xù)采集并匯總分析項目信息資料，在其基礎(chǔ)上準(zhǔn)確計算變壓器容量及配置數(shù)量的最優(yōu)值。同時適當(dāng)增加變壓器電容量，預(yù)留充足的應(yīng)對空間，以滿足用戶用電需求為首要目的。

2.2 配電線路節(jié)能設(shè)計

合理設(shè)定導(dǎo)線截面積。在10kV配電網(wǎng)運(yùn)行期間，如導(dǎo)線截面積不合理將存在安全隱患，或加大線路損耗量。因此應(yīng)正確認(rèn)識線路損耗與阻抗間的關(guān)系，通過增加導(dǎo)線截面積可起到降低線路損耗的作用，增強(qiáng)10kV配電網(wǎng)的節(jié)能屬性。但需綜合分析用電總量與經(jīng)濟(jì)電流密度等因素，合理設(shè)定導(dǎo)線截面積大小，禁止一味增加導(dǎo)線截面積，如果導(dǎo)線截面積超過一定標(biāo)準(zhǔn)，無法取得明顯的節(jié)能效果，同時還將提高10kV配電網(wǎng)的建設(shè)成本，并造成導(dǎo)線資源的閑置浪費(fèi)。

優(yōu)化線路結(jié)構(gòu)。在部分10kV配電網(wǎng)項目中存在線路結(jié)構(gòu)不合理問題，導(dǎo)致線路所輸送電能產(chǎn)生較大損耗且電壓質(zhì)量不佳。針對這一問題需采取以下措施：縮短供電半徑。10kV配電網(wǎng)的線路供電距離與電能損耗量成正比關(guān)系，供電距離越長則電能在輸送期間將產(chǎn)生更大的損耗。因此需嚴(yán)格控制供電半徑，將10kV配電網(wǎng)的線路出線到戶距離控制在6km以內(nèi)，在必要情況下可將出線用戶距離要求放寬至8km以內(nèi)；調(diào)整降壓變電所位置。需在用電負(fù)荷中心區(qū)域中設(shè)置降壓變電所，并將電路結(jié)構(gòu)設(shè)計為輻射狀，在直接鏈接用戶的前提下盡可量縮短出線到戶距離[3]。

2.3 無功補(bǔ)償

在10kV配電網(wǎng)運(yùn)行中，受設(shè)備等因素影響配電網(wǎng)的功率因素較低，并時常出現(xiàn)諧波污染問題，對10kV配電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)造成影響，使配電網(wǎng)能耗加大，違背了可持續(xù)理念。對此可選擇在10kV配電網(wǎng)設(shè)計方案中應(yīng)用無功補(bǔ)償技術(shù)，通過設(shè)置無功補(bǔ)償裝置來提高功率因素，并起到抑制諧波污染的作用，取得降低配電網(wǎng)能耗及保證配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的效果。此外需根據(jù)10kV配電網(wǎng)情況合理選擇無功補(bǔ)償方式，具體如下。

就地平衡補(bǔ)償。在采取就地平衡補(bǔ)償方式時，首先可選擇在母線側(cè)端設(shè)置并聯(lián)電容器、電容補(bǔ)償柜以及動態(tài)調(diào)節(jié)裝置，在用戶低壓端設(shè)置無功補(bǔ)償裝置。如此，在10kV配電網(wǎng)運(yùn)行期間，無功補(bǔ)償裝置持續(xù)對用戶無功負(fù)荷實(shí)時情況進(jìn)行監(jiān)測，基于監(jiān)測結(jié)果調(diào)節(jié)補(bǔ)償方式，在真正意義上做到動態(tài)控制，最大程度減小有功功率損耗，控制無功電流值；其次也可選擇在母線側(cè)端設(shè)置并聯(lián)電容器，將補(bǔ)償變壓器無功損耗與10kV配電網(wǎng)線路無功損耗為首要目的，在實(shí)際應(yīng)用期間可起到提高線路末端電壓質(zhì)量與減小電能損耗量的作用。同時需綜合分析負(fù)荷性質(zhì)、實(shí)際功率因數(shù)等因素，合理設(shè)定無功補(bǔ)償裝置容量。

單獨(dú)就地補(bǔ)償。在采取單獨(dú)就地補(bǔ)償方式時，直接在用電設(shè)備附近安裝補(bǔ)償裝置，將裝置與用電設(shè)備保持為并聯(lián)狀態(tài)，對安裝部位提前的線路及變壓器提供無功補(bǔ)償。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況來看，單獨(dú)就地補(bǔ)償方式具有補(bǔ)償范圍大與補(bǔ)償效果明顯的優(yōu)勢，主要被用于補(bǔ)償電容量較大與負(fù)荷平穩(wěn)的設(shè)備。

2.4 維持10kV配電網(wǎng)三相負(fù)荷平衡

三相負(fù)荷平衡與否將直接影響10kV配電網(wǎng)的運(yùn)行質(zhì)量及供電安全。從供電安全層面來看，如三相負(fù)荷無法穩(wěn)定保持為平衡狀態(tài)會降低變壓器與線路供電效率，使得中性點(diǎn)電位偏移，有可能出現(xiàn)某相導(dǎo)線燒斷與變壓器單相燒毀等安全事故。而從節(jié)能層面來看，在三相負(fù)荷不平衡情況下將會持續(xù)產(chǎn)生不平衡電壓，進(jìn)而增加中性線電流與電壓偏移量，加大線路損耗。根據(jù)相關(guān)調(diào)查結(jié)果顯示，在10kV配電網(wǎng)處于三相負(fù)荷不平衡狀態(tài)時，線路損耗率將會提高2～10%左右。

為解決這一問題，應(yīng)分析10kV配電網(wǎng)運(yùn)行負(fù)荷情況，準(zhǔn)確掌握配電規(guī)律，合理采取三相負(fù)荷不平衡治理措施。例如，可選擇在10kV配電網(wǎng)中設(shè)置補(bǔ)償裝置，在配電網(wǎng)運(yùn)行期間，補(bǔ)償裝置可以有效調(diào)節(jié)負(fù)荷不平衡，穩(wěn)定保持三相負(fù)荷的平衡狀態(tài)。以三相半橋功率調(diào)節(jié)器為例，這類裝置同時具備有功補(bǔ)償及無功補(bǔ)償使用功能，通過SPC有源型換流器發(fā)揮相間轉(zhuǎn)移有功功率以及治理無功功率的作用[4]。

提高計量力度。配電網(wǎng)電能計量工作質(zhì)量與配電網(wǎng)節(jié)能效果密切相關(guān)，當(dāng)前在部分10kV配電網(wǎng)項目中，由于計量工作開展不到位，偶爾出現(xiàn)電能表抄錄不全問題，使得10kV配電網(wǎng)所顯示用電量與實(shí)際用電量不一致，未得到統(tǒng)計的缺漏電能值被歸納至配電網(wǎng)能耗量，在客觀層面上降低了配電網(wǎng)節(jié)能屬性。因此需做好電量數(shù)據(jù)統(tǒng)計計量工作，或在配電網(wǎng)中設(shè)置若干數(shù)量的感應(yīng)器，裝置自動對實(shí)時用電量進(jìn)行監(jiān)測計算，保證電能計量數(shù)據(jù)結(jié)果真實(shí)準(zhǔn)確。

加大線路保養(yǎng)力度。在10kV配電網(wǎng)運(yùn)行期間，受環(huán)境與人為因素影響線路運(yùn)行質(zhì)量與輸電質(zhì)量存在不確定性，偶爾出現(xiàn)竊電現(xiàn)象或線路老化破損現(xiàn)象，不但加大了電能損耗量還存在安全風(fēng)險隱患，可能出現(xiàn)人員觸電等安全事故。因此在10kV配電網(wǎng)運(yùn)行期間須做好線路維護(hù)保養(yǎng)工作，加大線路安全巡查力度，及時更換老化破損嚴(yán)重的線路設(shè)備，重點(diǎn)檢查是否存在竊電漏電現(xiàn)象并采取解決措施。

綜上，在10kV配電網(wǎng)項目中，對可持續(xù)發(fā)展理念的貫徹落實(shí)，以及對上述節(jié)能設(shè)計措施的采取，可有效減小電能損耗量，控制實(shí)際供用電成本，同時提升項目綜合經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。電力企業(yè)必須正確認(rèn)識到10kV配電網(wǎng)節(jié)能設(shè)計工作的重要價值，加強(qiáng)配電網(wǎng)設(shè)計體系的創(chuàng)新優(yōu)化，為我國電力事業(yè)的健康發(fā)展奠定堅實(shí)基礎(chǔ)。