城网10kV电压等级改造为20kV的可行性分析

2010-09-04何智强

湖南电力 2010年1期

1 概述

1.1 20 kV电压等级的提出

20 kV作为 3～6kV中压配电电压之上的高压配电电压,曾在我国存在过相当长的时间,它的存在有一段特殊历史和发展前景,在中国电力发展史上起过一定作用。但随着中压配电电压统一到10 kV,高压配电电压统一到 110 kV,66kV和35 kV,我国便逐步取消了 20 kV电压等级。随着我国经济快速发展,负荷密度和用电量增加迅速,某些城市地区的 10 kV配电网开始显现不足,在基建占地、出线间隔、线路走廊和降损节能方面开始出现困难;部分 10 kV供电的偏远农村地区也存在损耗和电压降过大的问题。20k V作为一个电压等级又重新被提及。

早在 1984年,中国电机工程学会农电分学会就讨论了 20 kV的使用问题。郑州工学院等单位在理论上做了大量论证工作,经过数年努力,基本上得出了 “110kV/20 kV电压制为农网电压等级的优先组合方案,提出了必须减少变电层次、简化电压等级、确定 20 kV为配电电压并列为国家标准等级”的结论,但事后没有正式实施。

1991年武汉高压研究所在科学技术报告 “国标《电压标准》内增加 20 kV电压等级可行性论证”中提出了 “根据我国电网的实际情况,采用20 kV作为中压配电网具有明显的经济效益,建议将 20 kV列入国家标准”等结论。

在国外,20 kV电压等级在世界范围内已得到日益广泛的应用,该电压等级已列入 IEC标准。世界上俄罗斯 1902年首先使用 20 kV电压等级。将20 kV电压等级列为国家标准的有:美国、俄罗斯、日本、法国、意大利、加拿大、德国、保加利亚、匈牙利和中国等。在亚洲和拉丁美洲的 19个国家中有 12个采用 20 kV电压等级,如新加坡、马来西亚、泰国、印度尼西亚、韩国、巴西、阿根廷等。

一个城市配电网统一采用哪一级电压等级是一个必须进行综合研究、充分经济技术比较论证的复杂问题,必须慎重决策。必须就升压改造的利弊进行分析,以做出正确可行的方案。

1.2 改造的必要性

跨进 21世纪,中国电网持续快速发展。同时,随着经济持续增长,农村富余劳动力流向城市,城镇化建设加快,居民生活水平提高,用电增长较快〔1〕。未来 10年,城乡生活用电量比例将从现在的 12.6%增长到 20%～25%。未来 25年,我国一些负荷密度高的大城市,继续沿着 10 kV外延将难以为继。根据这种发展需求,城市电网必须持续加快建设改造。要从总量上增加输、配电网供电能力,必须依靠技术进步,采用现代化新技术,提高供电质量和服务水平,提高效率。

我国城市电网除东北地区为 330 kV/66 kV/10 kV/0.4kV四级电压外,其余城市均采用220kV/110 kV/35kV/10 kV/0.4 kV五级电压。而城市电网的发展正朝着 “标准化、小型化、无油化、自动化”方向发展,其中简化电压等级更是当前城网改造面临的重大问题之一。简化电网结构,采用高压深入供电,有利于提高供电能力和降低配电网损耗。具体做法就是进行升压改造,形成220kV/110 kV/20kV/0.4 kV四级电压的局面〔2,4〕。

2 发展 20 kV电压等级可行性分析

2.1 中压配电电压从 10 k V升到 20 kV效益分析

2.1.1 增强传输能力按照城网规划的原则,依经济电流密度选择导线截面 A(mm2),输送功率 (kW)

在不改变原有线路导线规格的情况下,则

即 20kV的输送容量可比 10 kV提高 1倍。

2.1.2 提升电压质量电压降百分数 ΔU%为

在负荷不变的条件下,

在负荷升高 1倍后,

由上可知,电压由 10 kV升至 20 kV后,在负荷不变的条件下,压降可比 10 kV减少 75%;负荷增加 1倍后,压降可比 10 kV减少 50%。

2.1.3 扩展供电范围

代入式 (4),整理可得在一定负荷条件下的经济供电半径 (km)

在电压损失要求一致,负荷不变的条件下

即电压由 10 kV升至 20 kV后,供电半径增加了 1倍。

2.1.4 降低线路损耗

假设 1年内线路上流过的电流或线路某一端电压和有功、无功功率的变化规律已知,原则上就可以计算线路的电能损耗,因为它只是若干更短时间内电能损耗的总和,则

上式是将 1年分为 n个时间段,而在这 n个时间段内,线路电流或线路某一端电压和功率可以认为不变,这样可以较精确地计算其损耗。

则式 (10)可写成

式中 ΔWz为全年电能损耗 (kWh);ΔWzk为每个时间段内电能损耗 (k Wh);Ik为每个时间段内线路电流 (A);Pk,Qk,Uk为每个时间段内线路某一端有功 (kW)、无功功率 (kvar)和电压(kV)。

求得电能损耗后,可计算标志经济性能的指标:线损率或网损率。线损率或网损率指的是线路上损耗的电能与线路始端输入的电能的比值。不计对地电导或不计电晕损耗时,它指线路电阻中损耗的电能 ΔWz与线路始端输入电能 W1的比值。

线损率也常以百分值表示,即

式中 W2为线路末端输出的电能。

2.2 分析结论

从以上分析可以看出,如果提高供电电压 U,则线路中损耗的电能 ΔWz必将减少,也就是说,线损率也将大大减少。由式 (11)可知:将配电电压从 10 kV提高到 20k V,ΔWz降至原来的 1/4。在降低网损方面,20 kV电压等级的效果显著。

3 当前配网结构模式的不足

3.1 配电网网架结构相对薄弱,制约供电能力提升

10 kV线路供电半径,在负荷密度为 20～30 kW/km2时为 10～12 km;40～70kW/km2时不足 8 km。湖南农村地区用电负荷密度平均约 60～70 kW/km2,1个县约几百平方公里,用 10kV线路供电时,由于受供电半径的限制,将需要建设35 kV变电所 10余座,除花费大量投资及占地外,每年仅主变压器损耗就有百万千瓦时之多。

我国大城市中心负荷密度在 11～30MW/km2,每 2.3 km2就得建 1个降压变电站,从投资、管理、占地、节能、环境等方面来看,都存在不少问题。

3.2 配电网网损大,电能质量差

我国线损率偏高的原因主要是输、配电网结构适应不了供电量的快速增长,特别是城乡居民生活用电的迅速增长使原已接近饱和状态的低压配电网络的压力更大。

全国城网 110 kV及以下高、中、低压配网线损电量约占总线损电量的 60%,而 10kV及以下中、低压网络线损占城网线损的比重在不断上升,有些城市由 45%左右上升到 50%～56%。

以苏州供电局提供的线损率为例,苏州供电局线损率 (110kV及以下)为 6%左右,其中 10 kV线损率为2.72%,0.4kV为 1%左右,其余2.38%左右为 35kV和 110kV的线损率。

表 1为苏州工业园 20 kV配电网和苏州城区 10 kV配电网总线损率比较。

表 1 苏州工业园配电网线损率统计 %

从表 1及前述计算中可以看出,与 10 kV配电网相比,20 kV电压等级配电网的线损率得到较大幅度的降低。其供电半径与容量几乎比后者增加 1倍,而配电网电压升高 1倍,网损可降低 3/4,并且也可减少单位容量的建设资金及维修费用,因而具有明显的经济性和有效性。

因此降损重点在配网,特别是在用电负荷不断增加、各行业对用电质量要求越来越高的形势下,采用 20 kV电压等级,并结合城市电网和农村电网的建设和改造,应列入工程项目的设计之中。

4 具体实施

根据技术经济比较,20 kV中压配电电压等级在技术上的合理性和经济上的优越性都被国内外认可。但是,10 kV电压等级的长期存在和发展,如果全部升压到 20kV,困难非常大。参考国外经验,通常是在负荷密度高的地区,采用 20 kV电压等级。其他地区可以根据情况和规划因地制宜,10 kV和 20 kV配电电压等级同时存在,其间配置20 kV,10kV联络变。

从供电可靠性角度考虑,20 kV中压配电电压等级完全满足供电安全 (N-1)准则的要求。

从中性点接地方式角度考虑设备绝缘水平以及造价,通过调研发现:20 kV配电网在中性点低电阻接地方式下,对于开关柜设备可选择工频耐压通用值 50kV,断口值 60 kV的低绝缘水平标准,其价格在 20万元左右。在中性点消弧线圈接地和不接地方式下,对于开关柜设备应选择工频耐压通用值 65 kV、断口值 79 kV的高绝缘水平标准,其价格略高于同等条件下的低绝缘水平标准,约为 22万元,开关柜的价格比低电阻接地方式下开关柜价格提高约 10%。因而在 20 kV配电网具体实施过程中,由于减少了配电单元、电缆长度、变电站数量及征地费用等,最终采用 110k V/20 kV电压供电能减少总投资和运行费用。