Economic Analysis of the Substation in the Load Center

Tao Yunfei



Economic Analysis of the Substation in the Load Center

Tao Yunfei

AbstractWhether the transformer is centralized setting and whether the load center is located are compared from the economic and technical aspects. In order to achieve better energy efficiency and reduce the economic costs, the setting mode of small-capacity and multi-site is recommended.

Keywordsload center, substation, small capacity city

0概述

规范中对变电所位置的选择有明确要求，有些位置会严重影响变电所的正常运行，应当避免，通常需根据技术、经济两方面的比较来确定其合理位置。变电所位于负荷中心，有利于保证线路电压降满足规范要求，同时能降低电能损耗，是电气系统是否为节能设计的主要判定标准。

本文主要从减少有色金属使用量的角度讨论变电所接近负荷中心时带来的经济收益，这也是与绿色节能密切相关的内容。

由图1可见，在变电所逐渐向负荷中心靠近的过程中，载流量大的供电线路的长度减少，载流量小的供电线路的长度增加。总体来说，变电所接近负荷中心能减少有色金属用量，降低造价成本。

图1　变电所移向负荷中心示意图

1合理选择变电所位置

从节能角度考虑，民用建筑内部变电所应尽量接近负荷中心，以降低配电系统的电能损耗、电压损失及有色金属消耗量。

实际工程中变电所位置分为供电区域内和供电区域外两种情况。

当变电所位于供电区域外时，变电所越靠近供电区域越合理。例如，位于地下室的变电所给地上塔楼建筑供电时，所有变电所出线均从供电区域外引入供电区域，这时，变电所无法位于负荷中心，但变电所越接近塔楼的投影位置(或竖井)越节能。

当变电所位于供电区域内时(例如变电所给平层商业供电)，变电所位于负荷中心最节能。

负荷中心具体位置一般通过负荷指示图及负荷功率距法来近似确定，可以参见相关书籍，本文不做讨论。

由于负荷中心总负荷随季节和时段的不同而变化，因此负荷中心的选择并不要求十分精确，必要时可以将变电所馈出线缆的总成本作为考虑因素之一。

2变电所馈出线缆的经济性分析

当变电所位于供电区域外时，每接近负荷中心1m，变电所馈出的所有线缆长度就会减少1m，其经济价值十分可观。表1以多项工程的变电所为例，统计变压器全部馈线每米总价格，并得出该价格与变压器安装容量之间的关系，相关数据可作为工程中的经验数据使用。

电缆每米价格标准：YJV按0.71元/mm2计，WDZA按0.852元/mm2计，WDZAN按0.938元/mm2计。例如，10m长的YJV-3×240+2×120价格为(3×240+2×120)×0.71×10=6 816元，此值比市场平均价格偏高30%～50%，仅供参考。

由于变电所馈线电缆种类较多，为方便统计，电缆统一按0.85元/mm2计，母线按2元/m·A计，统计结果见表1。

表1　变电所馈出线缆统计表

表1均取自多项工程真实数据，变压器负载率比较高、设计人员对电缆截面选择偏大等原因使结果差异较大。一般来说，变压器负载率较高、馈出回路包含较多主/备用回路时，馈出电缆的每米总价格就会偏高。

为了与表1进行对比，本文还假设一种理想情况，变电所给多个供电点供电，每个点配电箱带200kW负荷，该末端配电箱需要系数取0.8，计算电流302A，变电所选择320A开关，馈线按4×185+1×95电缆考虑。整个供电区域均匀布置18个配电点，变电所变压器安装容量计算约为：S=200×18×0.6/0.9/0.75=3 200kVA，则选取2台1 600kVA变压器。

此变电所馈出18个回路，每米总价格为18×(4×185+95)×0.85=12 776元，与变压器容量比为3.99元/V·A(此时假设变压器负荷没有互为备用的馈出回路)。

若上述变电所带14个200kW回路，另外带20个40kW的主备用回路，40kW馈出线缆按4×50+1×25电缆设计。此时每米总价格为14×(4×185+95)×0.85+40×(4×50+25)×0.85=17 587元，与变压器容量比为5.5元/V·A。

通过上述工程实例及假设情况可知，变电所馈出电缆每米的价格与变压器容量比约为4～6元/V·A，当互为备用回路较多时其值会偏大，在工程中粗略估算可按5元/V·A作为计算标准。

例如，地下室变电所通过核心筒电气竖井给地上高层建筑供电，若变电所设置在地下室某区域装机容量为2×2 000kVA，则可以粗略认为变电所每向电气竖井接近1m，电缆造价就可以节省2万元，接近50m就可节省100万元。

当变电所位于供电区域内部时，向负荷中心接近的过程中，部分线路会增加距离，部分线路会减少距离。综合来说，大截面电缆的距离会减少，小截面电缆的距离会增加，越接近负荷中心，有色金属消耗越少。根据变电所偏离负荷中心的距离，线缆成本增加的程度大致如图2所示。

图2　变电所距离负荷中心距离与电缆成本的关系

图2中50m以内的阴影区域为假设变电所已经位于供电区域内部，所以电缆费用变化的程度相对缓慢。变电所越接近负荷中心时，该工程的电缆造价越低，这可以作为优化设计的一种简便思路。

3变电所多站点设置的经济性分析

上文提到变电所位于负荷中心有利于节能及降低成本。但是当工程规模较大、变压器设置数量较多时，将变压器集中设置在负荷中心并不是最合理的做法，而将工程分为多个配电区域，每个区域的负荷中心设分变电所的做法会更节能。

下面以某假设工程为例，用电点均匀布置，每个用电点200kW，从变电所放射电缆配电，假设布置36个用电点，则变压器总安装容量为S=200kW×36×0.6/0.9/0.75=6 400kVA。此处需要系数取0.6，变压器负载率取0.75，采用4×1 600kVA变压器给36个配电点供电。针对图3～6中变电所不同的设置方式，分析各自线路成本，假设用电点平均间距为L进行计算。

图3中变电所4台变压器集中设置在供电区域外，变电所距离供电区域的距离为M。假设从变电所给供电区域所有用电点放射式配电，沿桥架敷设，则由变电所馈出的电缆总长度S=36×M+180×L(m)。

图3　变电所集中设置在配电区域外

图4中变电所4台变压器集中设置在供电区域内的负荷中心，则由变电所馈出至各用电点的电缆总长度S=108×L(m)。

图4　变电所集中设置在负荷中心

图5中变电所分2个区域设置，每个变电所位于各自供电区域内的负荷中心，则由变电所馈出至各用电点的电缆总长度S=78×L(m)。

图6中变电所分4个区域设置，每个变电所位于各自供电区域内的负荷中心，则由变电所馈出至各用电点的电缆总长度S=48×L(m)。

由上述比较结果可知，变电所同样是位于负荷中心，多站点设置要比集中设置省下更多的电缆成本，更节能。上述多种设置方式中，高压总配电箱设在某一个变电所内，其他变电所不必设高压开关设备。

如果本例按平层商业估算，变压器装机指标按100VA/m2计，L约为42m。按变电所不同设置方式的电缆价格估算值比较见表2。

图5　变电所分两个区域设置

图6　变电所分四个区域设置

变电所集中设在供电区域外变电所集中设在负荷中心变电所分别设在2个负荷中心变电所分别设在4个负荷中心馈出线总长度36×M+180×L108×L78×L48×L馈出线总价格/万(L=42m(M=20)电缆按4×185+95价格每米按0.85元/mm2)51.1+536.6322.1232.6143.1费用比较增加444.6万增加310%增加179万增加125%增加89.5万增62.5%基准(最低)

由表2可见，采用多站点设置变电所，能让变压器更接近负荷中心，仅电缆成本一项就能节省可观的初投资。

4小容量变电所设计的优点及设计措施

上文多站点设置变电所位于负荷中心的做法中电缆成本是最低的，同时能降低电能损耗，在设计中如有可能尽量采用。

将一个大的变电所分为几个小容量变电所能更好地深入负荷中心，且IEC标准也在考虑“当建筑面积>20 000m2、需求容量>2 500kVA时，用多个小容量变电所供电”。

4.1小容量变电所设计的优点

许多开发商偏向于将4台、6台甚至更多的变压器集中设置在一个变电所内，其理由是方便管理、能减少机房面积及降低造价，但是这都是没有依据的。

从方便管理的角度讲，只在重要的区域或总变电所内设控制保护装置时需要值班人员，其他分变电所均无需值班人员。

从有效利用面积角度考虑，由于分变电所的面积很小，可以很容易地利用建筑边角空间，相比集中设置变电所动辄要几百平方米空间要相对容易。

从降低造价角度考虑，将变电所集中设置改为分散设置就是把部分变压器及低压柜分散布置到各分变电所，总的高低压设备没有增减，但是电缆的长度减少了许多，整体造价会大幅降低。

如果分变电所采用1 000kVA及以下的小容量变压器，高压侧开关采用负荷开关熔断器组合保护即可满足要求，同时变压器低压侧馈线开关分断能力要求较低，有利于降低设备成本。

小容量变电所还可以兼做区域低压配电间使用，由变电所直接给用电设备配电，省去了一级配电环节，不但供电系统简单，而且提高了配电可靠性。

4.2小容量变电所设计措施

由于小容量变电所占地面积较小，容易设置在负荷中心，但仍不可避免占用商业价值较高的区域。此时，一方面要算好经济账，另一方面也要尽量减少机房面积，杜绝浪费。在设计配电设备的平面布置时一定要进行周密考虑，除了要执行规范要求外，可适当减少非必要的间距要求。建议可以从以下几方面着手考虑：

1)减少干式变压器前后左右间距要求

GB 50053-2013《20kV及以下变电所设计规范》只对油浸变压器及无防护外壳的干式变压器距离墙壁的距离提出了要求，故带防护外壳的干式变压器是可以靠墙安装的，当然保持变压器四周空气流通是有利于散热的。

2)充分利用规范中受限制条件

规范对设备布置的间距要求中经常受到建筑平面的限制，一些通道间距需要适当缩小，所以此时可以适当减少维护间距及操作距离。

3)选用柜后无操作和无维修要求的设备

规范对柜后维护及操作通道提出距离要求，是考虑到工作人员要在柜后维护或操作(多数情况下采取柜后维护操作)，可以方便柜体的设计及柜内设备的布置。但是当受到建筑平面限制时，柜厂也可以在设计柜体时只考虑柜前维修操作，这种柜体是可以靠墙安装的。常见的抽屉柜及固定柜都可以做成靠墙安装的形式。

从上述几方面考虑，放置2台800kVA变压器的变电所只需要不到40m2的空间，如图7所示(即3个车位)。

图7　占用车位的变电所示意图

对于高度超过150m的建筑，设计中经常考虑将变电所设置在地上楼层中，既可以节约线缆长度，也能降低线路运行损耗。对于高度低于100m的建筑，也可以考虑采用这种方式，图8所示为楼上末端变电所，专门供电给高层办公照明。

图8　末端变电所示意图

需要注意的是，当小容量变电所设在楼上办公楼区域，要考虑电磁干扰及振动对周围环境的影响，另外运输问题也应当考虑。

5结束语

本文主要对变电所位于负荷中心的经济性效益进行了分析，其实不但变电所要位于负荷中心，各级配电都要尽量靠近各自的负荷中心以减少供电线路的距离。

在GB 50189-2015《公共建筑节能设计标准》中提到“变电所到末端用电点的距离不超过250m为宜”，这也被设计人员作为设计依据，甚至认为供电半径满足250m即可认为是绿色建筑，笔者认为这个标准定得偏低。按照这个标准设计出来的工程，供电距离长、线损大，很难算是节能建筑。因为绿色建筑是高标准节能产品，所以应该适当提高设计标准，如主要干线供电距离不宜超过150m等，如此必能带来更高的经济效益及社会效益，也不会为设计带来较大的困难。上述只是笔者个人的一些看法，若有不恰当的之处请同仁批评指正。

参考文献

[1]刘介才.工厂供电[M].北京：建筑工业出版社.

[2]GB 50189-2015公共建筑节能设计标准[S].北京：中国工业出版社，2016.

变电所位于负荷中心的经济性分析

陶云飞

(深圳华森建筑与工程设计顾问有限公司，北京 100044)

摘要对变压器是否集中设置及是否位于负荷中心进行了经济、技术方面的比较，推荐变电所采用小容量、多站点的设置方式，以达到更好的节能及降低经济成本的目的。

关键词负荷中心变电所小容量