10 k V導線載荷供電距離與截面的選取

韓天華,孟 巖

(國網河北省電力公司邢臺供電分公司,河北 邢臺 054001)

10 k V導線載荷供電距離與截面的選取

韓天華,孟 巖

(國網河北省電力公司邢臺供電分公司,河北 邢臺 054001)

介紹導線載荷極限供電距離的計算及取值原則,分析10 k V導線的經濟供電距離和不同截面導線傳輸距離的計算方法,提出幾種常見導線載荷供電距離與導線截面的選取建議,為規劃變電站布點和10 k V導線選型提供參考。

電壓降;載荷供電距離;經濟供電半徑;導線截面

電能質量包括很多衡量指標,如電壓、電壓降、K因子及其他簡便經驗規則,對規劃人員都很有幫助。但是,對于將電力輸送一定的距離這一最基本的配電需求而言,以上這些測量值沒有一個能直接反映系統、線路或規劃方案的效果,而載荷供電距離就是為能確切做到這一點而提出的。載荷供電距離[1]是指在達到穩態可用的電壓降限值之前其能夠傳輸一定數量電力的距離。顯而易見,一條線路的載荷供電距離取決于被傳輸的電力功率,功率越大,距離越短。隨著用電需求上升,原有細線徑導線已不能滿足電能傳輸要求。近幾年的電網建設,正逐漸采用LGJ-185、LGJ-240、LGJ-300等型號導線,替換原有的LGJ-90、LGJ-120導線。載荷供電距離的核算對于變電站布點、細徑導線改造具有指導意義。

1 導線載荷極限供電距離計算

由于受導線截面的限制和線路電壓質量的要求,每一標稱電壓下線路的輸電能力是有限的。對截面為A的導線,設在滿足經濟性條件下其可承載的最大電流為Imax,則其可輸送的最大功率為

由于線路存在阻抗,當輸送一定負荷時,線路首末端將存在電壓之差[2]。

式(2)中,ΔU即為線路首末兩端電壓的絕對值之差,稱為電壓損耗。

據此,考慮負荷全部集中在線路末端,線路通過最大有功功率時,可傳輸的最長距離

根據載荷與供電距離的關系,查閱有關電氣設計手冊,根據不同架空線路的電阻和電抗,在滿足GB/T 12325—2008《電能質量供電電壓偏差》規定的電壓質量(20 k V及以下三相供電電壓偏差為標稱電壓的±7%,)時,由公式(3)可得幾種常用型號導線的極限傳輸距離(計算時功率因數取0.9),見表1。

表1 常用型號導線的極限傳輸距離

導線截面越大,其阻抗值越低,因此當傳輸特定數量的電力時,其單位長度壓降就越小;但導線截面越大,其載流量越高,因此其熱穩定極限也越高。這兩者大致相互抵消,即阻抗和載流量成反比,當負荷全部處于供電線路末端時,不同型號的線路極限傳輸距離大致相同,約為2.6 km。

在電網實際運行中,除專線供電外,負荷一般在線路上隨機分布,且變電站出口處500 m范圍內負荷由一條10 k V線路供電即可滿足用電需求,所以實際極限傳輸距離(4～4.7 km)比理論極限傳輸距離要長。

2 10 kV導線經濟供電距離計算

根據電力經濟學,導線在滿載情況下運行并不經濟,導線極限載荷距離適用于核算現有線路能否滿足電能質量要求。當負荷電流通過導線時,在導線上將產生電能損耗,這種電能損耗與負荷電流大小和導線的截面有關,在相同的負荷電流下,導線截面積越大,其電能損耗越小,但相應的導線投資與維修費用也增大。為達到節約投資,提升效益,應綜合考慮變電站投資、線路投資、電能損耗、電網運行費用等因素,核算經濟供電距離。

經濟供電距離,是基于規劃期限內,單位供電面積所承擔的總費用與10 k V線路供電距離的關系,此供電距離具有最佳的經濟效益。在實際運行中,線損和變壓器損耗只占總費用的很小一部分(約8%),為簡化計算,在計算時只考慮變電站建設投資、線路建設投資和運行維護費用。

2.1 變電站建設投資

隨著負荷密度的不斷增加,110 k V變電站布點會越來越密,35 k V變電站作為一種中間電壓等級在電網傳輸過程中起到的作用越來越小。為避免重復降壓造成的經濟損失,在相當一部分區域,35 k V電壓等級被弱化。以下僅就110 k V/10 k V變電站的經濟供電距離進行探討分析。

變電站的總投資與總容量,通常為線性關系,總投資為

式中:A為變電站投資待定的線性回歸系數與容量無關的造價,萬元;B為變電站投資待定的線性回歸系數與容量有關部分的造價,萬元/k VA;r為10 k V主干線供電距離,km;σ為負荷密度,k W/km2; cosφ為功率因數。

供電距離最經濟時,單位面積變電投資最低,即

最小。

當負荷密度一定時,供電半徑越長,單位面積變電投資越低。

2.2 線路投資

線路投資與導線截面仍然呈線性關系,10 k V線路投資為

式中:r為供電距離;N為線路條數;C為線路投資待定的線性回歸系數與導線無關的造價,萬元/km; D為線路投資待定的線性回歸系數與導線有關部分的造價,萬元/(km·mm2);I為導線電流,A;J為經濟電流密度,A/mm2。

單位面積單條線路的投資為

2.3 總費用

考慮110 k V變電站建設投資、10 k V線路工程建設投資和運行維護費用,忽略電能損耗費用,則單位面積總費用

根據邢臺地區實際,參照近2年工程造價情況及市場現行價格,對于變電建設投資參數A取1 170萬元,B取20.42萬元/MVA;對于線路投資, 10 k V主干線普遍采用LGJ-185或LGJ-240,造價25萬元/km,每條線路平均分配5 000 k VA容量;參照《國家電網公司電網檢修運維和運營管理成本標準》,變電部分運維成本為0.319 5萬元/MVA,線路部分運維成本為0.175 5萬元/km。將其帶入公式(5)、(7)、(8)可得

取σ=6 MW/km2時,供電半徑和單位面積投資費用的關系見圖1。

圖1 供電半徑與單位面積投資費用的關系

根據圖1可知,在負荷密度為6 MW/km2區域,供電半徑為2.91 km時,單位面積投資費用最低,為270萬元/km2;供電半徑＜1.7 km時,單位面積投資費用增速明顯。因此,用總費用法計算可知最佳供電半徑為2.9 km,變電站供電半徑不宜小于1.7 km,推薦選擇1.7～5.6 km。

根據公式(9)可知,經濟供電半徑與負荷密度密切相關。對于不同地區,區域負荷密度有很大差別;隨著社會發展,同一地區的負荷密度也有較大差異。根據單位面積總費用原則,利用微分原理,可求得邢臺電網經濟供電半徑與負荷密度的函數關系,見圖2。

圖2 經濟供電半徑與負荷密度的關系

由圖2可知,隨著負荷密度的不斷增大,經濟供電半徑越來越小,負荷密度＜1 MW/km2時,經濟供電半徑變化明顯。隨著負荷密度的不斷增大,經濟供電半徑越來越小,應根據地方負荷密度核算其區域內經濟供電半徑。

3 10 kV導線截面選擇

有時變電站已經建成,但是隨著區域負荷的增長,需要新建線路以滿足用電需求。這時供電距離已固定,總費用對經濟性的校驗受到一定的限制。據此,需要研究導線在不同負荷性質時的經濟電流密度與經濟供電距離。

經濟電流密度是考慮導線投資、維修費用等綜合因素后,由計算確定的,使導線運行較為經濟合理的單位截面積上流過的電流值。對于不同的負荷性質,最大負荷利用小時數不同,導線經濟電流密度也不近相同。表2給出了不同負荷的最大負荷利用小時數所對應的導線經濟電流密度。

表2 不同最大利用小時數下導線經濟電流密度

查閱有關手冊,農村工業負荷年利用小時為3 500 h,城市生活用電負荷年利用小時為2 500 h,農村照明負荷年利用小時為1 500 h,工業負荷年利用小時平均在4 500～6 000 h。

對于不同的10 k V架空線,按照其線路傳輸的負荷性質不同,計算得出的導線經濟電流也不盡相同。根據公式(1)-(3),LGJ-150、LGJ-185、LGJ -240導線的經濟傳輸電流及傳輸距離見表3。

表3 幾種常見型號導線的經濟傳輸電流及傳輸距離

根據表3可知,線路導線截面越大,最大負荷利用小時數越小,經濟電流越大,經濟傳輸距離越短,線路利用率越高。

對于農業負荷,最大利用小時數較低,且分布較分散,距離電源點較遠,線路推薦使用LGJ-150較為經濟。考慮到農村有小工業,傳輸距離不宜超過4.75 km。

對于城市生活用電,若為市區,走廊緊缺,用電需求相對較大,推薦采用LGJ-240,效率相對較高;若為縣城,用電需求一般,推薦采用,即可滿足供電需求,又可滿足事故情況下負荷轉供。

對于工業負荷,最大負荷利用小時數較大,用電需求較大,推薦采用LGJ-240。

4 結論及建議

以上以滿足電壓質量要求為前提,對極限載荷供電距離、基于總費用法的經濟供電半徑計算和基于經濟電流的導線截面選擇分別進行了討論和計算,認為變電站最佳供電半徑為2.9 km(負荷密度為6 MW/km2區域),農業負荷推薦采用LGJ-150導線、城市生活用電推薦采用LGJ-240或LGJ-185導線,工業負荷推薦采用LGJ-240導線。電網規劃和設計應以變電站布點和工程選型為重點,在變電站布點時,應考慮事故時線路轉供,并考慮經濟供電半徑,按照單位面積供電總費用最小原則計算變電站最佳供電半徑,確實合適的變電站布點;在對已有細線路進行升級改造時,應考慮線路所帶負荷性質及最大負荷利用小時數,不同負荷選用不同型號導線,按照經濟電流密度確定所應導線型號進行設計,避免采用過粗導線浪費投資。

[1] H.Lee Willis.Power Distribution Planning Reference Book [M].Florida:CRC Press,2004.

[2] 余健明,同向前,蘇文成.供電技術[M].北京:機械工業出版社, 2008.

本文責任編輯:王洪娟

Selection of 10 kV Line Load Distance and Conductor Section

Through discussing the calculation and selection principle of voltage drop load distance,this paper analyzes the calculation principles of economic power supply distance and transmission distance of different section lines,advances the selection suggestions,to take reference for substation stationing plan and 10 k V line selection.

voltage drop;load distance;economic power supply radius;conductor section

TM751;TM726.2

B

1001-9898(2014)02-0047-04

2013-11-12

韓天華(1986—),男,助理工程師,主要從事電網規劃工作。