中壓電能傳輸系統在長距離分散性負荷配電工程中的應用
2008-01-01 00:00:00謝光秋
現代商貿工業 2008年5期
摘 要：分析了長距離分散性負荷傳統低壓供電和中壓傳輸配電的優缺點，詳細闡述了中壓配電的關鍵技術，論證了長距離分散性負荷中壓傳輸的可行性，實踐證明：中壓配電系統技術先進，安全可靠，運營成本低，能產生較大的社會、經濟效益，在長距離分散性負荷配電工程中具有廣闊的應用前景。
關鍵詞：中壓電能傳輸；長距離分散性負荷；特大型橋梁；埋地式變壓器
中圖分類號：TM文獻標識碼：A文章編號：1672-3198（2008）05-0339-02
1 系統簡述
中壓輸電系統，在國外被定義為3.2kV～5.5kV，與我國的電壓等級比照應該為6～10kV。目前，國內只有少量用戶和發電廠的用電系統采用6kV，而一般市電均采用10kV供電，在這里，我以10kV作為中壓輸電系統的配電電壓。其基本思路為：將我國電網供電電壓10kV或35kV配、變為中壓10kV，再通過中壓配電柜將10kV電源經電纜配送至分散性負荷供電點處的埋地式變壓器，再將電壓配變為0.4kV向路燈及外場監控設備供電。中壓干線系統一般為樹干式接線，也可以構成環網接線，以進一步提高供電可靠性。10kV中壓輸電系統向用電負荷饋電的方案如圖1所示：由于供電電壓上升到10kV，在輸送相同負荷情況下，10kV線路中的電流僅為0.4kV電路中電流的4%，相同截面的電纜，10kV線路中的電壓損失也只有0.4kV線路的4%。因此，10KV輸電線路的輸電距離遠大于0.4KV輸電線路。
2 關鍵技術
2.1 配電及線路保護
2.1.1 配電電壓的選擇
按我國現行的供電規范，中壓供電電壓為10KV，而電業部門向用戶直接提供6kV的可能性極小，而歐美國家的6/0.4kV變壓器在我國直接應用于中壓電網是不行的。低壓配電對特大型橋梁、特長隧道長距離分散性負荷的供配電是不可行的，提高電壓等級是必然的。因為在同樣的輸送距離下，配電電壓高，線路電流小，因而線路采用的電纜截面小，從而減少線路初投資和電能損耗量。反之，如要獲得同樣的效果，勢必以增加電纜截面為代價，這是不可取的。線路越長，配電電壓越高，對節能和節省投資效果越明顯。隨著對中壓輸電技術的進一步了解，以及出于對我國10kV等級中壓的認可，近年來，在我國逐步開發研制了10kV等級的埋地式變壓器，價格比進口設備低，為中壓傳輸系統在長距離配電工程中應用開拓了更廣闊的前景。
2.1.2 線路保護
從10kV配電開始，到每個用電負荷的整個線路上，共有7級保護：①FC回路的第一級——高斷路容量中壓SF6接觸器，其采用SF6絕緣，避免了操作過電壓，能頻繁操作，電氣壽命達30萬次；
②FC回路的第二級——HRC熔絲提供過電流（主要是短路電流）直接保護；
③電流互感器提供過載保護和零序電流變送器提供接地漏電保護的間接保護；
④埋地式變壓器箱體內設在初級進線處的HRC熔斷保護，其遮斷容量一般達15KA；
⑤埋地式變壓器箱體內設在次級出線處的4極低壓斷路器，提供電流及短路保護，埋設在繞組中的熱感應探頭提供過載保護，斷開容量一般為10KA；
⑥低壓控制箱中的FC回路保護；
⑦每個負荷進線處的熔絲保護。
其EP11中壓保護柜系統原理圖見圖2。
圖2 中壓配電系統原理圖
2.1.3 智能操作屏
由于中壓輸電技術的應用，主要是解決長距離輸送低壓電能的技術問題。所以，其配電網絡的拓撲一般為樹狀，線型分布，而非短距離的星型分布。這樣，配電輸出裝置的要求就比較高。除了上述設置7級保護以外，還可以應用智能化控制操作屏。由軟件來執行“接觸器開斷”、“接觸器合閘”、“絕緣監視”等操作過程和信號監視。
2.2 中壓電纜的選擇
由于中壓輸入的埋地式變壓器、分路器均是采用三相電纜終端的三相插入式插頭連接，而插頭額定載流量是80A，額定輸送容量是1380KVA，電力電纜最大允許外徑為58mm。因此，電纜線徑的選擇也就決定了在應用中壓輸電技術時，每座開關站所能承擔的最大供電距離，據資料顯示：每座6KV的變電站可提供20KM范圍內的路燈負荷，現針對10KV中壓輸電做了如下計算：
在某個照明工程中，一路10KV線路的最大負荷為400KVA，線路長20Km，計算如下：
(1)總負荷為400KVA，最大電流：
I=S/3Un=400/(3×10.5) 21.995A
(2)20Km線路的負荷距：
I×L 1/2 I L=0.5 21.995 20=219.949A km
(3)選4芯25mm2的交聯中壓電纜，按電纜廠提供的參數為：當200C時，R0＝0.727Ω/km，L0＝0.58Mh/km，計算
X0=W×L 2 p f L0 2 3.1415 50 0.58 0.182 W/km
則每Km該電纜的阻抗為（功率因數 ）
Z0=R0cosj+X0sinj=0.727 0.9 0.182 0.44 0.734W/km
(4)20km電力電纜輸送400KVA負荷的終端電壓降為：
DU%=3/(10Un) Z0 I L 100% 2.6%<5%
顯然這個2.6％是小于5％的，符合供電規范允許的電壓降值。
(5)如果取DU＝5％，則10KV輸送400KVA負荷的最大供電半徑：
L=10 10.5 5 2/(3 Z0 I)=1050/(1.732 0.734 21.994)=37.55km
說明：如果采用10KV作為中壓輸電電壓，輸送負荷在400～800KVA之間的話，每30KM～40KM設一座10KV中壓開關站都是可行的。
2.3 開發或引進一種可插入式連接、耐腐蝕、免維護、長壽命的可埋入地下的或可放置于箱梁內的埋地式變壓器
目前，在10KV配電網中仍有些高速公路，大型橋梁采用組合式變電站——美式或歐式箱式變電站配電。這種箱變由高壓配電室、變壓器室、低壓配電室緊密組合在一起，形成“目”字形或“品”字形結構，由于它體積仍較大，通風散熱效果不良，防護等級低，需要安裝在地勢較高的地面上，且需經常維護，可靠性不夠高，不能適應特大型橋梁，長隧道等長距離分散性負荷用電特點及運行維護方面的要求，且一般橋梁的箱梁檢修孔小（僅容一人通過），主塔和箱梁之間也沒有安放中大容量供配電設備的空間。而供配電設備與線路又不能破壞橋梁主體工程的結構安全，另外，箱梁內的電氣設備的維護也比較困難，溫度也很高。埋地式變壓器是中壓輸電系統的關鍵技術。它具有如下特點：
(1)變壓器工作條件差，不僅露天設置承受風吹雨淋日曬，還要能承受腐蝕和浸泡，所以將變壓器設計成能夠埋在地下或置于水中，防護等級為IP68的全封閉型變壓器。
(2)變壓器是承上啟下的供電節點，所以在10KV側設置了高壓熔絲，在0.4KV側又設置了斷路器保護。10KV側的熔絲是低壓線路及負荷的后備保護，使某一個負荷區的故障不會影響到10KV的供電線路。
(3)由于10KV線路所帶的10KV/0.4KV變壓器鏈接方式類似于“掛燈籠”，拆卸方便，所以該變壓器輸入輸出端被設計成插拔式。某一臺變壓器10KV側拔脫以后不會影響其他變壓器的正常運行（插拔件規格是統一的，互換性很好）。
(4)埋地式變壓器的體積小，很適合特大型橋梁和特長隧道的有限設置空間，且容量等級有5KVA、10KVA、20KVA、30KVA、50KVA……等供照明、公路交通監控系統、通信系統等工程設計選擇，這一系列的配置，可以使工程設計獲得靈活經濟的效果。
總之，中壓電能傳輸系統埋地式變壓器的應用，徹底地解決了高速公路、市政照明在長距離小負荷輸送電能的技術難題，為隧道、大型橋梁在供配電優化方案時，提供了一個選擇。
3 中壓電能傳輸系統的優越性
中壓電能傳輸系統具有如下特點：
（1）長距離大范圍分散性負荷的特大型橋梁和高速公路供電基礎設施、設計和施工的技術難題迎刃而解。具有減少變電所，減少供電線路、降低工程投資和營運管理費用的綜合優越性；
（2）高穩定、高安全、高防護等級的埋地式變壓器特別適用于特大型橋梁和高速公路的高質量道路照明和道路監控設施的供電，以及整個供電網在地下建設，可以節省占地，地上綠化使環境更加優美；
（3）埋地式變壓器損耗小、溫升低、噪音小，又免維修，是節能的綠色環保產品。與埋地式變壓器配套的分路器，可使電網在一定范圍內任意拓展；
（4）中壓配電系統除應用于特大型橋梁外，還可應用于機場、港口、地鐵、廣場、住宅小區等處的照明配電工程中。
中壓電能傳輸的供電方式，是當前國際節能供電的新技術。將中壓傳輸供電新技術引入高速公路是一項新舉措。其具體模式是將電能用中壓送至負荷點的埋地變壓器，再將中壓轉換為低壓，取200m左右供電半徑對收費站、隧道通風、照明等負荷供電。與傳統的供配電系統相比，它具有傳輸距離遠、損耗小、防護等級高（達IP68）、免維護、電網易擴展，安裝維護簡便，節約建設投資，大幅度減少營運管理費用等特點。主要設備采用了世界上最先進的集自動開關和數控技術于一體的中壓保護柜，并具有自動與手動、遠程控制與本地控制、運行功能顯示、實時監控等功能，配置了智能化接口，為電力監控系統的實現提供了條件，使供電系統構成一個完整的計算機電力維護與監控系統，并可與路橋監控中心聯網，實現變電站無人值守。中壓電能傳輸系統接地先進可靠，該系統填補了我國在長距離、大范圍、分散性負荷特殊領域內供電照明工程專用設備的空白。
4 結論
中壓配電系統具有免維護、電網易擴展，節省投資，并可大幅度降低營運費用等特點，特別適用于長距離分散性負荷的供配電。中壓配電系統已經用在國內許多高速公路、特大型橋梁。如現階段國內福建漳州至龍巖高速公路，特大型橋梁東海大橋及廣州珠江黃埔大橋等，其應用前景非常廣闊。
參考文獻
［1］萬達. 一種特殊場所的照明供電系統［J］.供用電，2004，（１）.
注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。
