韓天華,孟 巖

(國網(wǎng)河北省電力公司邢臺供電分公司,河北 邢臺 054001)

10 k V導(dǎo)線載荷供電距離與截面的選取

韓天華,孟 巖

(國網(wǎng)河北省電力公司邢臺供電分公司,河北 邢臺 054001)

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

電壓降;載荷供電距離;經(jīng)濟供電半徑;導(dǎo)線截面

電能質(zhì)量包括很多衡量指標(biāo),如電壓、電壓降、K因子及其他簡便經(jīng)驗規(guī)則,對規(guī)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(tǒng)、線路或規(guī)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(wěn)態(tài)可用的電壓降限值之前其能夠傳輸一定數(shù)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?shù)碾娏β?功率越大,距離越短。隨著用電需求上升,原有細線徑導(dǎo)線已不能滿足電能傳輸要求。近幾年的電網(wǎng)建設(shè),正逐漸采用LGJ-185、LGJ-240、LGJ-300等型號導(dǎo)線,替換原有的LGJ-90、LGJ-120導(dǎo)線。載荷供電距離的核算對于變電站布點、細徑導(dǎo)線改造具有指導(dǎo)意義。

1 導(dǎo)線載荷極限供電距離計算

由于受導(dǎo)線截面的限制和線路電壓質(zhì)量的要求,每一標(biāo)稱電壓下線路的輸電能力是有限的。對截面為A的導(dǎo)線,設(shè)在滿足經(jīng)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(dāng)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(jù)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?shù)淖铋L距離

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

表1 常用型號導(dǎo)線的極限傳輸距離

導(dǎo)線截面越大,其阻抗值越低,因此當(dāng)傳輸特定數(shù)量的電力時,其單位長度壓降就越小;但導(dǎo)線截面越大,其載流量越高,因此其熱穩(wěn)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(dāng)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(wǎng)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(nèi)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(dǎo)線經(jīng)濟供電距離計算

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

經(jīng)濟供電距離,是基于規(guī)劃期限內(nèi),單位供電面積所承擔(dān)的總費用與10 k V線路供電距離的關(guān)系,此供電距離具有最佳的經(jīng)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(shè)投資、線路建設(shè)投資和運行維護費用。

2.1 變電站建設(shè)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(wǎng)傳輸過程中起到的作用越來越小。為避免重復(fù)降壓造成的經(jīng)濟損失,在相當(dāng)一部分區(qū)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(jīng)濟供電距離進行探討分析。

變電站的總投資與總?cè)萘?通常為線性關(guān)系,總投資為

式中:A為變電站投資待定的線性回歸系數(shù)與容量無關(guān)的造價,萬元;B為變電站投資待定的線性回歸系數(shù)與容量有關(guān)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(shù)。

供電距離最經(jīng)濟時,單位面積變電投資最低,即

最小。

當(dāng)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(dǎo)線截面仍然呈線性關(guān)系,10 k V線路投資為

式中:r為供電距離;N為線路條數(shù);C為線路投資待定的線性回歸系數(shù)與導(dǎo)線無關(guān)的造價,萬元/km; D為線路投資待定的線性回歸系數(shù)與導(dǎo)線有關(guān)部分的造價,萬元/(km·mm2);I為導(dǎo)線電流,A;J為經(jīng)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(shè)投資、10 k V線路工程建設(shè)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(jù)邢臺地區(qū)實際,參照近2年工程造價情況及市場現(xiàn)行價格,對于變電建設(shè)投資參數(shù)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(wǎng)公司電網(wǎng)檢修運維和運營管理成本標(biāo)準(zhǔn)》,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(guān)系見圖1。

圖1 供電半徑與單位面積投資費用的關(guān)系

根據(jù)圖1可知,在負荷密度為6 MW/km2區(qū)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(jù)公式(9)可知,經(jīng)濟供電半徑與負荷密度密切相關(guān)。對于不同地區(qū),區(qū)域負荷密度有很大差別;隨著社會發(fā)展,同一地區(qū)的負荷密度也有較大差異。根據(jù)單位面積總費用原則,利用微分原理,可求得邢臺電網(wǎng)經(jīng)濟供電半徑與負荷密度的函數(shù)關(guān)系,見圖2。

圖2 經(jīng)濟供電半徑與負荷密度的關(guān)系

由圖2可知,隨著負荷密度的不斷增大,經(jīng)濟供電半徑越來越小,負荷密度＜1 MW/km2時,經(jīng)濟供電半徑變化明顯。隨著負荷密度的不斷增大,經(jīng)濟供電半徑越來越小,應(yīng)根據(jù)地方負荷密度核算其區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟供電半徑。

3 10 kV導(dǎo)線截面選擇

有時變電站已經(jīng)建成,但是隨著區(qū)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(jīng)濟性的校驗受到一定的限制。據(jù)此,需要研究導(dǎo)線在不同負荷性質(zhì)時的經(jīng)濟電流密度與經(jīng)濟供電距離。

經(jīng)濟電流密度是考慮導(dǎo)線投資、維修費用等綜合因素后,由計算確定的,使導(dǎo)線運行較為經(jīng)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(zhì),最大負荷利用小時數(shù)不同,導(dǎo)線經(jīng)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(shù)所對應(yīng)的導(dǎo)線經(jīng)濟電流密度。

表2 不同最大利用小時數(shù)下導(dǎo)線經(jīng)濟電流密度

查閱有關(guān)手冊,農(nóng)村工業(yè)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(nóng)村照明負荷年利用小時為1 500 h,工業(yè)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?shù)呢摵尚再|(zhì)不同,計算得出的導(dǎo)線經(jīng)濟電流也不盡相同。根據(jù)公式(1)-(3),LGJ-150、LGJ-185、LGJ -240導(dǎo)線的經(jīng)濟傳輸電流及傳輸距離見表3。

表3 幾種常見型號導(dǎo)線的經(jīng)濟傳輸電流及傳輸距離

根據(jù)表3可知,線路導(dǎo)線截面越大,最大負荷利用小時數(shù)越小,經(jīng)濟電流越大,經(jīng)濟傳輸距離越短,線路利用率越高。

對于農(nóng)業(yè)負荷,最大利用小時數(shù)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(jīng)濟。考慮到農(nóng)村有小工業(yè),傳輸距離不宜超過4.75 km。

對于城市生活用電,若為市區(qū),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(zhuǎn)供。

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

4 結(jié)論及建議

以上以滿足電壓質(zhì)量要求為前提,對極限載荷供電距離、基于總費用法的經(jīng)濟供電半徑計算和基于經(jīng)濟電流的導(dǎo)線截面選擇分別進行了討論和計算,認(rèn)為變電站最佳供電半徑為2.9 km(負荷密度為6 MW/km2區(qū)域),農(nóng)業(yè)負荷推薦采用LGJ-150導(dǎo)線、城市生活用電推薦采用LGJ-240或LGJ-185導(dǎo)線,工業(yè)負荷推薦采用LGJ-240導(dǎo)線。電網(wǎng)規(guī)劃和設(shè)計應(yīng)以變電站布點和工程選型為重點,在變電站布點時,應(yīng)考慮事故時線路轉(zhuǎn)供,并考慮經(jīng)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(yīng)考慮線路所帶負荷性質(zhì)及最大負荷利用小時數(shù),不同負荷選用不同型號導(dǎo)線,按照經(jīng)濟電流密度確定所應(yīng)導(dǎo)線型號進行設(shè)計,避免采用過粗導(dǎo)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(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社, 2008.

本文責(zé)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(wǎng)規(guī)劃工作。