10 k V导线载荷供电距离与截面的选取

韩天华,孟 岩

(国网河北省电力公司邢台供电分公司,河北 邢台 054001)

10 k V导线载荷供电距离与截面的选取

韩天华,孟 岩

(国网河北省电力公司邢台供电分公司,河北 邢台 054001)

介绍导线载荷极限供电距离的计算及取值原则,分析10 k V导线的经济供电距离和不同截面导线传输距离的计算方法,提出几种常见导线载荷供电距离与导线截面的选取建议,为规划变电站布点和10 k V导线选型提供参考。

电压降;载荷供电距离;经济供电半径;导线截面

电能质量包括很多衡量指标,如电压、电压降、K因子及其他简便经验规则,对规划人员都很有帮助。但是,对于将电力输送一定的距离这一最基本的配电需求而言,以上这些测量值没有一个能直接反映系统、线路或规划方案的效果,而载荷供电距离就是为能确切做到这一点而提出的。载荷供电距离[1]是指在达到稳态可用的电压降限值之前其能够传输一定数量电力的距离。显而易见,一条线路的载荷供电距离取决于被传输的电力功率,功率越大,距离越短。随着用电需求上升,原有细线径导线已不能满足电能传输要求。近几年的电网建设,正逐渐采用LGJ-185、LGJ-240、LGJ-300等型号导线,替换原有的LGJ-90、LGJ-120导线。载荷供电距离的核算对于变电站布点、细径导线改造具有指导意义。

1 导线载荷极限供电距离计算

由于受导线截面的限制和线路电压质量的要求,每一标称电压下线路的输电能力是有限的。对截面为A的导线,设在满足经济性条件下其可承载的最大电流为Imax,则其可输送的最大功率为

由于线路存在阻抗,当输送一定负荷时,线路首末端将存在电压之差[2]。

式(2)中,ΔU即为线路首末两端电压的绝对值之差,称为电压损耗。

据此,考虑负荷全部集中在线路末端,线路通过最大有功功率时,可传输的最长距离

根据载荷与供电距离的关系,查阅有关电气设计手册,根据不同架空线路的电阻和电抗,在满足GB/T 12325—2008《电能质量供电电压偏差》规定的电压质量(20 k V及以下三相供电电压偏差为标称电压的±7%,)时,由公式(3)可得几种常用型号导线的极限传输距离(计算时功率因数取0.9),见表1。

表1 常用型号导线的极限传输距离

导线截面越大,其阻抗值越低,因此当传输特定数量的电力时,其单位长度压降就越小;但导线截面越大,其载流量越高,因此其热稳定极限也越高。这两者大致相互抵消,即阻抗和载流量成反比,当负荷全部处于供电线路末端时,不同型号的线路极限传输距离大致相同,约为2.6 km。

在电网实际运行中,除专线供电外,负荷一般在线路上随机分布,且变电站出口处500 m范围内负荷由一条10 k V线路供电即可满足用电需求,所以实际极限传输距离(4～4.7 km)比理论极限传输距离要长。

2 10 kV导线经济供电距离计算

根据电力经济学,导线在满载情况下运行并不经济,导线极限载荷距离适用于核算现有线路能否满足电能质量要求。当负荷电流通过导线时,在导线上将产生电能损耗,这种电能损耗与负荷电流大小和导线的截面有关,在相同的负荷电流下,导线截面积越大,其电能损耗越小,但相应的导线投资与维修费用也增大。为达到节约投资,提升效益,应综合考虑变电站投资、线路投资、电能损耗、电网运行费用等因素,核算经济供电距离。

经济供电距离,是基于规划期限内,单位供电面积所承担的总费用与10 k V线路供电距离的关系,此供电距离具有最佳的经济效益。在实际运行中,线损和变压器损耗只占总费用的很小一部分(约8%),为简化计算,在计算时只考虑变电站建设投资、线路建设投资和运行维护费用。

2.1 变电站建设投资

随着负荷密度的不断增加,110 k V变电站布点会越来越密,35 k V变电站作为一种中间电压等级在电网传输过程中起到的作用越来越小。为避免重复降压造成的经济损失,在相当一部分区域,35 k V电压等级被弱化。以下仅就110 k V/10 k V变电站的经济供电距离进行探讨分析。

变电站的总投资与总容量,通常为线性关系,总投资为

式中:A为变电站投资待定的线性回归系数与容量无关的造价,万元;B为变电站投资待定的线性回归系数与容量有关部分的造价,万元/k VA;r为10 k V主干线供电距离,km;σ为负荷密度,k W/km2; cosφ为功率因数。

供电距离最经济时,单位面积变电投资最低,即

最小。

当负荷密度一定时,供电半径越长,单位面积变电投资越低。

2.2 线路投资

线路投资与导线截面仍然呈线性关系,10 k V线路投资为

式中:r为供电距离;N为线路条数;C为线路投资待定的线性回归系数与导线无关的造价,万元/km; D为线路投资待定的线性回归系数与导线有关部分的造价,万元/(km·mm2);I为导线电流,A;J为经济电流密度,A/mm2。

单位面积单条线路的投资为

2.3 总费用

考虑110 k V变电站建设投资、10 k V线路工程建设投资和运行维护费用,忽略电能损耗费用,则单位面积总费用

根据邢台地区实际,参照近2年工程造价情况及市场现行价格,对于变电建设投资参数A取1 170万元,B取20.42万元/MVA;对于线路投资, 10 k V主干线普遍采用LGJ-185或LGJ-240,造价25万元/km,每条线路平均分配5 000 k VA容量;参照《国家电网公司电网检修运维和运营管理成本标准》,变电部分运维成本为0.319 5万元/MVA,线路部分运维成本为0.175 5万元/km。将其带入公式(5)、(7)、(8)可得

取σ=6 MW/km2时,供电半径和单位面积投资费用的关系见图1。

图1 供电半径与单位面积投资费用的关系

根据图1可知,在负荷密度为6 MW/km2区域,供电半径为2.91 km时,单位面积投资费用最低,为270万元/km2;供电半径＜1.7 km时,单位面积投资费用增速明显。因此,用总费用法计算可知最佳供电半径为2.9 km,变电站供电半径不宜小于1.7 km,推荐选择1.7～5.6 km。

根据公式(9)可知,经济供电半径与负荷密度密切相关。对于不同地区,区域负荷密度有很大差别;随着社会发展,同一地区的负荷密度也有较大差异。根据单位面积总费用原则,利用微分原理,可求得邢台电网经济供电半径与负荷密度的函数关系,见图2。

图2 经济供电半径与负荷密度的关系

由图2可知,随着负荷密度的不断增大,经济供电半径越来越小,负荷密度＜1 MW/km2时,经济供电半径变化明显。随着负荷密度的不断增大,经济供电半径越来越小,应根据地方负荷密度核算其区域内经济供电半径。

3 10 kV导线截面选择

有时变电站已经建成,但是随着区域负荷的增长,需要新建线路以满足用电需求。这时供电距离已固定,总费用对经济性的校验受到一定的限制。据此,需要研究导线在不同负荷性质时的经济电流密度与经济供电距离。

经济电流密度是考虑导线投资、维修费用等综合因素后,由计算确定的,使导线运行较为经济合理的单位截面积上流过的电流值。对于不同的负荷性质,最大负荷利用小时数不同,导线经济电流密度也不近相同。表2给出了不同负荷的最大负荷利用小时数所对应的导线经济电流密度。

表2 不同最大利用小时数下导线经济电流密度

查阅有关手册,农村工业负荷年利用小时为3 500 h,城市生活用电负荷年利用小时为2 500 h,农村照明负荷年利用小时为1 500 h,工业负荷年利用小时平均在4 500～6 000 h。

对于不同的10 k V架空线,按照其线路传输的负荷性质不同,计算得出的导线经济电流也不尽相同。根据公式(1)-(3),LGJ-150、LGJ-185、LGJ -240导线的经济传输电流及传输距离见表3。

表3 几种常见型号导线的经济传输电流及传输距离

根据表3可知,线路导线截面越大,最大负荷利用小时数越小,经济电流越大,经济传输距离越短,线路利用率越高。

对于农业负荷,最大利用小时数较低,且分布较分散,距离电源点较远,线路推荐使用LGJ-150较为经济。考虑到农村有小工业,传输距离不宜超过4.75 km。

对于城市生活用电,若为市区,走廊紧缺,用电需求相对较大,推荐采用LGJ-240,效率相对较高;若为县城,用电需求一般,推荐采用,即可满足供电需求,又可满足事故情况下负荷转供。

对于工业负荷,最大负荷利用小时数较大,用电需求较大,推荐采用LGJ-240。

4 结论及建议

以上以满足电压质量要求为前提,对极限载荷供电距离、基于总费用法的经济供电半径计算和基于经济电流的导线截面选择分别进行了讨论和计算,认为变电站最佳供电半径为2.9 km(负荷密度为6 MW/km2区域),农业负荷推荐采用LGJ-150导线、城市生活用电推荐采用LGJ-240或LGJ-185导线,工业负荷推荐采用LGJ-240导线。电网规划和设计应以变电站布点和工程选型为重点,在变电站布点时,应考虑事故时线路转供,并考虑经济供电半径,按照单位面积供电总费用最小原则计算变电站最佳供电半径,确实合适的变电站布点;在对已有细线路进行升级改造时,应考虑线路所带负荷性质及最大负荷利用小时数,不同负荷选用不同型号导线,按照经济电流密度确定所应导线型号进行设计,避免采用过粗导线浪费投资。

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

[2] 余健明,同向前,苏文成.供电技术[M].北京:机械工业出版社, 2008.

本文责任编辑: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

韩天华(1986—),男,助理工程师,主要从事电网规划工作。