单相配电系统应用于城市居民小区的探讨

2013-11-12李天然盛四清王晓蔚

河北电力技术 2013年5期

李天然，盛四清，王晓蔚

( 1．华北电力大学，河北保定071003; 2．河北省电力公司电力科学研究院，石家庄050021)

目前，我国低压配电主要采取较为单一的三相四线制配电方式，但随着电网的发展，这种单一低压配电方式的诸多弊端日益突显：供电半径长、线路损耗大、电压损失严重、供电可靠性低；单台变压器容量过大，同时由于三相动力负荷与单相居民用电共用1台三相变压器，且用电具有不同时性，导致变压器处于不对称运行状态和季节性严重轻载，无法达到经济运行[1]。因此，提出采用具有“小容量、密布点、短半径”配电特征的单相供电系统，使10 kV线路直接馈线至负荷中心，可显著降低线路损耗，提高供电可靠性和电压质量，对于城市居民小区等单相负荷相对集中的地区具有重要意义[2]。以下通过对某城市居民小区单相配电系统改造进行技术经济分析，为单相配电系统应用于城市居民小区的可行性提供参考。

1 单相配电系统接入方式

1.1 中压侧接线方式

单相配电变压器中压侧连接于10 kV配电网的线电压UUV(或UVW、UUW)。在单相配电变压器容量配置设计时，应充分利用其容量小，易于调整的特点，使负荷均匀地分布在U、V、W三相，并尽量做到3台相同容量的单相配电变压器为一组，以保证10 kV侧负荷平衡[3]。单相供电系统中压侧接线方式如图1所示。

图1 单相供电系统中压侧接线示意

1.2 低压侧接线方式

单相配电系统有2种供电方式，单相二线制和单相三线制。单相二线制即变压器的高、低压侧各有一个绕组，电压比为10 kV/0.22 kV，低压侧接地，接线如图2所示。单相三线制供电即变压器的高压侧有2个绕组，低压侧有1个绕组线圈，电压比为10 kV/0.44 kV/0.22 kV，接线如图3所示。

A与X间电压为10 kV，经无励磁分接开关可预调±5%电压。对单相三线制，若低压需要输出220 V时，两组绕组a1x、a2x单独供电，x直接接地，容量均为50%，形成a1、a2、x单相三线制；也可采用并联接法，即a1与a2接在一起作为a，x直接接地，a与x间电压为220 V，容量为100%；若低压需要输出440 V时，则采用串联接法，a1与a2间电压为440

V，容量为100%[4]。

图2 单相二线制变压器接线

图3 单相三线制变压器接线

2 单相配电系统的技术优势

单相配电系统与三相配电系统相比主要具有以下优点[3，5-6]。

a. 显著降低低压线路损耗。单相供电系统将10 kV中压线路深入到负荷中心，最大限度地缩短了低压供电半径，显著降低了低压线损。若低压接线方式采用单相三线制，且低压侧负荷分配均匀，则流过零线上的电流几乎为零，低压线路损耗降低效果更加明显。

b. 改善供电质量。由于单相供电系统低压供电半径显著缩短，线路电压压降减小，末端用户用电设备由于电压低而不能正常启动的情况减少。

c. 提高供电可靠性。采用小容量、密布点的选取原则，单相变压器的容量小，供电户数远小于三相变压器。因此单相变压器故障时的停电范围要小于三相变压器，同时单相变压器安装调换方便，缩短了事故处理时间，提高了供电可靠性。

d. 降低配电变压器损耗。单相变压器制造过程采用了先进的卷铁心技术，使用优质冷轧硅钢片并进行退火处理，使其空载损耗、负载损耗比S9系列三相变压器下降了37%，空载电流下降了70%～80%，配电变压器损耗较大。

e. 运行安全。原三相四线制发生零线断线或接触不良时，中性点电位严重漂移，造成个别相线电压骤升，对居民用电造成危害。采用单相配电系统时此类事件基本消除。

3 2种配电方式的技术经济比较

3.1 电力损耗计算

以某居民小区为例，该小区属于老旧住宅小区，无电梯等三相用电要求，居民住宅小区户均计算负荷取4 kW。

3.1.1 三相供电方案损耗计算

该小区采取传统三相变压器供电，变压器距离负荷较远，供电半径较长，其供电方案的示意见图4。小区住宅楼基本情况见表1。需用系数取0.33。

图4 小区三相变供电方案示意

表1 小区住宅楼三相配电基本情况

节点楼号户数计算负荷/kW负荷占总容量百分比/%172026.4010-20.0010287295.0493647.5228354863.3663647.5222414559.4126079.2028533647.5241215.8412

变压器型号为S9-500/10，容量SN=500 kVA，空载损耗Ps0=1 000 W，短路损耗Psk=5 000 W，假设变压器的均方根负载率为80%，居民楼内供电半径l1=30 m。

线路功率损耗

式中：Psi为节点i的功率损耗；ki为节点i处负荷占总容量百分比；SN为小区变压器总容量；rs0为进线电缆单位长度阻抗；lsi为节点i处线路长度。

3.1.1.1 低压分支线路功率损耗

3.1.1.2 低压主干线功率损耗

低压主干线各线路型号为：

节点1，VV22-6/10-3×95+1×50型电缆360 m，每相单位长度阻抗rs1=0.193 Ω/km；

节点2，VV22-6/10-3×185+1×95型电缆320 m，每相单位长度阻抗rs2=0.099 Ω/km；

节点3，VV22-6/10-3×120+1×70型电缆150 m，每相单位长度阻抗rs3=0.153 Ω/km；

节点4，VV22-6/10-3×120+1×70型电缆160 m，每相单位长度阻抗rs4=0.153 Ω/km；

节点5，VV22-6/10-3×150+1×95型电缆250 m，每相单位长度阻抗rs5=0.124 Ω/km。

3.1.1.3 三相供电方案系统总损耗

实际考虑三相运行负荷不平衡，损失系数取1.2倍，考虑低压三相供电不平衡因素，计算三相供电方案线路总损耗Ps=1.2(Psl+Psh)=17 940.13 W；变压器实际铜损PsCu=0.82×Psk=3 200 W；系统总损耗Pss=Ps+PsCu+Ps0=22.14 kW；三相供电方案的损耗率ρss=Pss/0.8SN=5.535%。

电价按照石家庄市平均电价0.64元/kWh计算，则全年损耗电量费用为0.64×8 760Pss=12.41万元。

3.1.2 单相供电方案损耗计算

若采用单相供电方案进行改造，取消原有三相变压器，在1-5节点处分别放置小容量单相变压器，原低压电缆改为10 kV电缆输电，如图5所示。

在近负荷处配置5台D12-100单相变压器(T3、T6、T7、T8、T10)，其容量Sn1=100 kVA，空载

图5 小区单相变供电方案示意

损耗Pd01=195 W，短路损耗Pdk1=1 480 W。3台D12-80单相变压器(T1、T4、T5)，其容量Sn2=80 kVA，空载损耗Pd02=180 W，短路损耗Pdk2=930 W。2台D12-50单相变压器(T2、T9)，其容量Sn3=50 kVA，空载损耗Pd03=135 W，短路损耗Pdk1=660 W。小区住宅楼单相配电基本情况见表2。假设变压器的均方根负载率为80%，居民楼内供电半径l2=10 m，需用系数取0.4。

表2 小区住宅楼单相配电基本情况

节点楼号户数计算负荷/kW变压器容量/kVA172032.010-20.0802872115.2100+5093657.680354876.810063657.680414572.010026096.0100+50533657.641219.2100

3.1.2.1 低压接户线功率损耗

进单元表箱的低压分支为VV22-1.0-35电缆，每相单位长度阻抗rs0=0.524 Ω/km，平均供电半径为l=30 m。

线路功率损耗

Pdi=20.8Sni/U2r0×ldi(2)

式中：Pdi为节点i的功率损耗；Sni为节点i所接变压器总容量；r0为进线电缆单位长度阻抗；ldi为节点i处线路长度。

各节点低压分支线路功率损耗：

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为各单相变压器所带低压线路的功率损耗。

则小容量单相变压器所带低压线路损耗Pdl=∑(Pdl1+…+Pdl5)=6 345.36 W。

3.1.2.2 高压主干线路功率损耗

10 kV电缆线路型号选择：节点1、5处电缆选用YJV22-6/10-3×95，单位长度阻抗rd1=0.193 Ω/km，节点2、3、4处电缆选用YJV22-6/10-3×120，单位长度阻抗rd2=0.153 Ω/km。

各节点高压主干线路功率损耗为Pd1=2.85 W；Pd2=18.65 W；Pd3=6.03 W；Pd4=4.08 W；Pd5=3.09 W。10 kV线路总损Pd=∑(Pd1+…+Pd5)=34.7 W。

3.1.2.3 单相供电方案系统总损耗

变压器实际铜损PdCu=5×0.82×Pdk1+3×0.82×Pdk2+2×0.82×Pdk3=7 366.4 W；变压器运行空载损耗Pd0=5×Pd01+3×Pd02+2×Pd03=1 785 W；单相供电方案系统总损耗Pds=Pd+Pdl+PdCu+Pd0=15.53 kW；单相供电方案的损耗率为ρds=Pds/0.8SN=2.31%。

按照石家庄市平均电价0.64元/kWh计算，则全年损耗电量费用为0.64×8760Pds=8.71万元。

3.2 工程造价分析

3.2.1 三相供电方案投资计算

S9-500/10配电变压器2台(一主一备)，计10万元；VV22-1.0-4×35电缆240 m，计1.03万元；VV22-6/10-3×95+1×50电缆360 m，计7.92万元；VV22-6/10-3×185+1×95电缆320 m，计12.8万元；VV22-6/10-3×120+1×70电缆310 m，计9.3万元；VV22-6/10-3×150+1×95电缆250 m，计8.75万元。三相供电方案合计投资总额49.5万元。

3.2.2 单相供电方案投资计算

D12-100配电变压器5台，计15万元；D12-80配电变压器3台，计7.5万元；D12-50配电变压器2台，计4.4万元；VV22-1.0-35电缆160 m，计0.96万元；YJV22-6/10-3×95电缆610 m，计12.2万元；YJV22-6/10-3×120电缆750 m，计22.5万元。单相供电方案合计投资总额62.56万元。

经计算，单相供电方案较三相供电方案，总损耗减少6.61 kW，损耗率下降3.23%，年节约电费3.7万元，具有较好的节能降损作用。单相供电方案设备投资较高，较三相供电方案多出13.06万元。但是，单相供电方案较三相供电方案多投入的费用可以很快从每年节省的电费中收回。