單相配電系統(tǒng)應(yīng)用于城市居民小區(qū)的探討

李天然，盛四清，王曉蔚

( 1． 華北電力大學(xué)，河北保定071003; 2． 河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊050021)

目前，我國低壓配電主要采取較為單一的三相四線制配電方式，但隨著電網(wǎng)的發(fā)展，這種單一低壓配電方式的諸多弊端日益突顯：供電半徑長、線路損耗大、電壓損失嚴(yán)重、供電可靠性低；單臺(tái)變壓器容量過大，同時(shí)由于三相動(dòng)力負(fù)荷與單相居民用電共用1臺(tái)三相變壓器，且用電具有不同時(shí)性，導(dǎo)致變壓器處于不對(duì)稱運(yùn)行狀態(tài)和季節(jié)性嚴(yán)重輕載，無法達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[1]。因此，提出采用具有“小容量、密布點(diǎn)、短半徑”配電特征的單相供電系統(tǒng)，使10 kV線路直接饋線至負(fù)荷中心，可顯著降低線路損耗，提高供電可靠性和電壓質(zhì)量，對(duì)于城市居民小區(qū)等單相負(fù)荷相對(duì)集中的地區(qū)具有重要意義[2]。以下通過對(duì)某城市居民小區(qū)單相配電系統(tǒng)改造進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，為單相配電系統(tǒng)應(yīng)用于城市居民小區(qū)的可行性提供參考。

1 單相配電系統(tǒng)接入方式

1.1 中壓側(cè)接線方式

單相配電變壓器中壓側(cè)連接于10 kV配電網(wǎng)的線電壓UUV(或UVW、UUW)。在單相配電變壓器容量配置設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分利用其容量小，易于調(diào)整的特點(diǎn)，使負(fù)荷均勻地分布在U、V、W三相，并盡量做到3臺(tái)相同容量的單相配電變壓器為一組，以保證10 kV側(cè)負(fù)荷平衡[3]。單相供電系統(tǒng)中壓側(cè)接線方式如圖1所示。

圖1 單相供電系統(tǒng)中壓側(cè)接線示意

1.2 低壓側(cè)接線方式

單相配電系統(tǒng)有2種供電方式，單相二線制和單相三線制。單相二線制即變壓器的高、低壓側(cè)各有一個(gè)繞組，電壓比為10 kV/0.22 kV，低壓側(cè)接地，接線如圖2所示。單相三線制供電即變壓器的高壓側(cè)有2個(gè)繞組，低壓側(cè)有1個(gè)繞組線圈，電壓比為10 kV/0.44 kV/0.22 kV，接線如圖3所示。

A與X間電壓為10 kV，經(jīng)無勵(lì)磁分接開關(guān)可預(yù)調(diào)±5%電壓。對(duì)單相三線制，若低壓需要輸出220 V時(shí)，兩組繞組a1x、a2x單獨(dú)供電，x直接接地，容量均為50%，形成a1、a2、x單相三線制；也可采用并聯(lián)接法，即a1與a2接在一起作為a，x直接接地，a與x間電壓為220 V，容量為100%；若低壓需要輸出440 V時(shí)，則采用串聯(lián)接法，a1與a2間電壓為440

V，容量為100%[4]。

圖2 單相二線制變壓器接線

圖3 單相三線制變壓器接線

2 單相配電系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢

單相配電系統(tǒng)與三相配電系統(tǒng)相比主要具有以下優(yōu)點(diǎn)[3，5-6]。

a. 顯著降低低壓線路損耗。單相供電系統(tǒng)將10 kV中壓線路深入到負(fù)荷中心，最大限度地縮短了低壓供電半徑，顯著降低了低壓線損。若低壓接線方式采用單相三線制，且低壓側(cè)負(fù)荷分配均勻，則流過零線上的電流幾乎為零，低壓線路損耗降低效果更加明顯。

b. 改善供電質(zhì)量。由于單相供電系統(tǒng)低壓供電半徑顯著縮短，線路電壓壓降減小，末端用戶用電設(shè)備由于電壓低而不能正常啟動(dòng)的情況減少。

c. 提高供電可靠性。采用小容量、密布點(diǎn)的選取原則，單相變壓器的容量小，供電戶數(shù)遠(yuǎn)小于三相變壓器。因此單相變壓器故障時(shí)的停電范圍要小于三相變壓器，同時(shí)單相變壓器安裝調(diào)換方便，縮短了事故處理時(shí)間，提高了供電可靠性。

d. 降低配電變壓器損耗。單相變壓器制造過程采用了先進(jìn)的卷鐵心技術(shù)，使用優(yōu)質(zhì)冷軋硅鋼片并進(jìn)行退火處理，使其空載損耗、負(fù)載損耗比S9系列三相變壓器下降了37%，空載電流下降了70%～80%，配電變壓器損耗較大。

e. 運(yùn)行安全。原三相四線制發(fā)生零線斷線或接觸不良時(shí)，中性點(diǎn)電位嚴(yán)重漂移，造成個(gè)別相線電壓驟升，對(duì)居民用電造成危害。采用單相配電系統(tǒng)時(shí)此類事件基本消除。

3 2種配電方式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

3.1 電力損耗計(jì)算

以某居民小區(qū)為例，該小區(qū)屬于老舊住宅小區(qū)，無電梯等三相用電要求，居民住宅小區(qū)戶均計(jì)算負(fù)荷取4 kW。

3.1.1 三相供電方案損耗計(jì)算

該小區(qū)采取傳統(tǒng)三相變壓器供電，變壓器距離負(fù)荷較遠(yuǎn)，供電半徑較長，其供電方案的示意見圖4。小區(qū)住宅樓基本情況見表1。需用系數(shù)取0.33。

圖4 小區(qū)三相變供電方案示意

表1 小區(qū)住宅樓三相配電基本情況

節(jié)點(diǎn)樓號(hào)戶數(shù)計(jì)算負(fù)荷/kW負(fù)荷占總?cè)萘堪俜直?%172026.4010-20.0010287295.0493647.5228354863.3663647.5222414559.4126079.2028533647.5241215.8412

變壓器型號(hào)為S9-500/10，容量SN=500 kVA，空載損耗Ps0=1 000 W，短路損耗Psk=5 000 W，假設(shè)變壓器的均方根負(fù)載率為80%，居民樓內(nèi)供電半徑l1=30 m。

線路功率損耗

式中：Psi為節(jié)點(diǎn)i的功率損耗；ki為節(jié)點(diǎn)i處負(fù)荷占總?cè)萘堪俜直龋籗N為小區(qū)變壓器總?cè)萘浚籸s0為進(jìn)線電纜單位長度阻抗；lsi為節(jié)點(diǎn)i處線路長度。

3.1.1.1 低壓分支線路功率損耗

3.1.1.2 低壓主干線功率損耗

低壓主干線各線路型號(hào)為：

節(jié)點(diǎn)1，VV22-6/10-3×95+1×50型電纜360 m，每相單位長度阻抗rs1=0.193 Ω/km；

節(jié)點(diǎn)2，VV22-6/10-3×185+1×95型電纜320 m，每相單位長度阻抗rs2=0.099 Ω/km；

節(jié)點(diǎn)3，VV22-6/10-3×120+1×70型電纜150 m，每相單位長度阻抗rs3=0.153 Ω/km；

節(jié)點(diǎn)4，VV22-6/10-3×120+1×70型電纜160 m，每相單位長度阻抗rs4=0.153 Ω/km；

節(jié)點(diǎn)5，VV22-6/10-3×150+1×95型電纜250 m，每相單位長度阻抗rs5=0.124 Ω/km。

3.1.1.3 三相供電方案系統(tǒng)總損耗

實(shí)際考慮三相運(yùn)行負(fù)荷不平衡，損失系數(shù)取1.2倍，考慮低壓三相供電不平衡因素，計(jì)算三相供電方案線路總損耗Ps=1.2(Psl+Psh)=17 940.13 W；變壓器實(shí)際銅損PsCu=0.82×Psk=3 200 W；系統(tǒng)總損耗Pss=Ps+PsCu+Ps0=22.14 kW；三相供電方案的損耗率ρss=Pss/0.8SN=5.535%。

電價(jià)按照石家莊市平均電價(jià)0.64元/kWh計(jì)算，則全年損耗電量費(fèi)用為0.64×8 760Pss=12.41萬元。

3.1.2 單相供電方案損耗計(jì)算

若采用單相供電方案進(jìn)行改造，取消原有三相變壓器，在1-5節(jié)點(diǎn)處分別放置小容量單相變壓器，原低壓電纜改為10 kV電纜輸電，如圖5所示。

在近負(fù)荷處配置5臺(tái)D12-100單相變壓器(T3、T6、T7、T8、T10)，其容量Sn1=100 kVA，空載

圖5 小區(qū)單相變供電方案示意

損耗Pd01=195 W，短路損耗Pdk1=1 480 W。3臺(tái)D12-80單相變壓器(T1、T4、T5)，其容量Sn2=80 kVA，空載損耗Pd02=180 W，短路損耗Pdk2=930 W。2臺(tái)D12-50單相變壓器(T2、T9)，其容量Sn3=50 kVA，空載損耗Pd03=135 W，短路損耗Pdk1=660 W。小區(qū)住宅樓單相配電基本情況見表2。假設(shè)變壓器的均方根負(fù)載率為80%，居民樓內(nèi)供電半徑l2=10 m，需用系數(shù)取0.4。

表2 小區(qū)住宅樓單相配電基本情況

節(jié)點(diǎn)樓號(hào)戶數(shù)計(jì)算負(fù)荷/kW變壓器容量/kVA172032.010-20.0802872115.2100+5093657.680354876.810063657.680414572.010026096.0100+50533657.641219.2100

3.1.2.1 低壓接戶線功率損耗

進(jìn)單元表箱的低壓分支為VV22-1.0-35電纜，每相單位長度阻抗rs0=0.524 Ω/km，平均供電半徑為l=30 m。

線路功率損耗

Pdi=20.8Sni/U2r0×ldi(2)

式中：Pdi為節(jié)點(diǎn)i的功率損耗；Sni為節(jié)點(diǎn)i所接變壓器總?cè)萘浚籸0為進(jìn)線電纜單位長度阻抗；ldi為節(jié)點(diǎn)i處線路長度。

各節(jié)點(diǎn)低壓分支線路功率損耗：

Pdl1=PT1=1 189.09 W；

Pdl2=PT2+PT3+PT4=464.49 W+422.91 W+297.27 W=1 184.66 W；

Pdl3=PT5+PT6=464.49 W+297.27 W=761.76 W；

Pdl4=PT7+PT8+PT9=464.49 W+464.49 W+422.91 W=1351.89 W；

Pdl5=PT10=1 857.96 W。

上述各式中，PTi為各單相變壓器所帶低壓線路的功率損耗。

則小容量單相變壓器所帶低壓線路損耗Pdl=∑(Pdl1+…+Pdl5)=6 345.36 W。

3.1.2.2 高壓主干線路功率損耗

10 kV電纜線路型號(hào)選擇：節(jié)點(diǎn)1、5處電纜選用YJV22-6/10-3×95，單位長度阻抗rd1=0.193 Ω/km，節(jié)點(diǎn)2、3、4處電纜選用YJV22-6/10-3×120，單位長度阻抗rd2=0.153 Ω/km。

各節(jié)點(diǎn)高壓主干線路功率損耗為Pd1=2.85 W；Pd2=18.65 W；Pd3=6.03 W；Pd4=4.08 W；Pd5=3.09 W。10 kV線路總損Pd=∑(Pd1+…+Pd5)=34.7 W。

3.1.2.3 單相供電方案系統(tǒng)總損耗

變壓器實(shí)際銅損PdCu=5×0.82×Pdk1+3×0.82×Pdk2+2×0.82×Pdk3=7 366.4 W；變壓器運(yùn)行空載損耗Pd0=5×Pd01+3×Pd02+2×Pd03=1 785 W；單相供電方案系統(tǒng)總損耗Pds=Pd+Pdl+PdCu+Pd0=15.53 kW；單相供電方案的損耗率為ρds=Pds/0.8SN=2.31%。

按照石家莊市平均電價(jià)0.64元/kWh計(jì)算，則全年損耗電量費(fèi)用為0.64×8760Pds=8.71萬元。

3.2 工程造價(jià)分析

3.2.1 三相供電方案投資計(jì)算

S9-500/10配電變壓器2臺(tái)(一主一備)，計(jì)10萬元；VV22-1.0-4×35電纜240 m，計(jì)1.03萬元；VV22-6/10-3×95+1×50電纜360 m，計(jì)7.92萬元；VV22-6/10-3×185+1×95電纜320 m，計(jì)12.8萬元；VV22-6/10-3×120+1×70電纜310 m，計(jì)9.3萬元；VV22-6/10-3×150+1×95電纜250 m，計(jì)8.75萬元。三相供電方案合計(jì)投資總額49.5萬元。

3.2.2 單相供電方案投資計(jì)算

D12-100配電變壓器5臺(tái)，計(jì)15萬元；D12-80配電變壓器3臺(tái)，計(jì)7.5萬元；D12-50配電變壓器2臺(tái)，計(jì)4.4萬元；VV22-1.0-35電纜160 m，計(jì)0.96萬元；YJV22-6/10-3×95電纜610 m，計(jì)12.2萬元；YJV22-6/10-3×120電纜750 m，計(jì)22.5萬元。單相供電方案合計(jì)投資總額62.56萬元。

經(jīng)計(jì)算，單相供電方案較三相供電方案，總損耗減少6.61 kW，損耗率下降3.23%，年節(jié)約電費(fèi)3.7萬元，具有較好的節(jié)能降損作用。單相供電方案設(shè)備投資較高，較三相供電方案多出13.06萬元。但是，單相供電方案較三相供電方案多投入的費(fèi)用可以很快從每年節(jié)省的電費(fèi)中收回。

4 結(jié)論

a. 對(duì)于該小區(qū)的單相供電方案，由于高壓線路的充分延伸，有效降低了電網(wǎng)運(yùn)行的損耗。雖投資成本高于傳統(tǒng)的三相供電方式，但可在較短年限內(nèi)回收投資，同時(shí)也可有效地提高居民供電質(zhì)量。

b. 對(duì)于負(fù)荷較密集的商業(yè)用戶及城市住宅小區(qū)，可采用單相與三相供電相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降損，提高供電質(zhì)量，同時(shí)滿足其三相供電的需求。

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