10 kV供配电系统设计及对供电可靠性的影响分析

2021-01-23王丽莉

通信电源技术 2020年19期

王丽莉

（南京国电南自电网自动化有限公司，江苏南京 211100）

0 引言

10 kV供配电系统的主要任务是供电与配电。10 kV供配电系统的核心是10 kV变配电所，主要作用是接收电网电力、变换电压以及分配电力等。因此，10 kV供配电系统的设计非常重要，是高压电网与低压电网连接的重要环节。过去的10 kV供配电系统的设计存在设备在环境中易受影响、容易产生噪音污染环境、占用土地面积大、成本较高以及供电质量不高等缺点。尤其在湿度很大的沿江、沿海以及重工业污染区，10 kV供配电站经常会发生污闪事故。

随着各种技术的快速发展，通信系统、系统控制以及电子芯片都成功应用于10 kV供配变电站，实现了供配变电站的自动控制和升级。有些供电公司变电站在PC监控和集中控制方面应用率已达到95%以上，因此供配电站自动化控制系统已经成为供电网络发展的重要方向。

1 供配电系统总体的设计

本设计主要针对10 kV变配电所，以某大学供电为例。供电对象主要是宿舍楼、食堂、教学楼房以及图书馆等，还包括大学的公共设备、消防设施以及校区照明系统。本变电所因为校区里需要用电的设备多，所以采用开闭站供配电形式供电[1]。该大学供电通过昆河变线路与和平变线路的两条10 kV线路进行供电。开闭站将10 kV高压电分配到变压器高压侧，变压器低压侧通过电缆将380 V电源供给各个用电设施。

此次设计的供配电站系统电压等级是10/0.4 kV。高压端的分配采用开闭站形式分配，由昆河变线路与和平变线路两进线电源组成。经过开闭站分流后，通过电缆分配到各个用电单位，分配如图1所示。

图1 高低压电力分配图

2 计算负荷与选择变压器

2.1 负荷计算

负荷计算是设计变电站的重要工作，指变压器的容量与变压器出线侧能够持续提供的最大电流。因为本次设计的10 kV供配电系统主要是楼宇供电，因此负荷计算采用系数法[2]。

2.1.1 成组设备用电负荷的计算

在计算干线配电负荷时要分组计算，计算公式为：

式中，Pcj为系统有功功率；Qcj为系统无功功率；Scj为系统视在功率；Kdj为第i个用户单位指标；Pni为第i个设备的有功功率；tanφi为功率因数正切值。

2.1.2 全区域负荷计算

全区域负荷计算要依据成组设备用电负荷的计算结果数据，配合系数KΣ得出，计算公式为：

式中，PcΣ、QcΣ、ScΣ分别为各组用电设备有功功率、无功功率及视在功率之和。

2.2 选择变压器

变压器在供配电系统中对电压级别的变换与供电系统的正常运行具有重要作用。选择变压器必须要合理谨慎，如选择不当会给设计带来诸多问题。选择变压器型号和容量时，除了要确定变压器安装环境、计算负荷、电压等级以及进线与出线的回路数量以外，还要考虑本地区3～5年的规划与发展，要对变压器预留一定的余量[3]。因为本次变配电所设计需要变压器都安装在室内，所以选用干式的变压器作为主变，具体型号为SCB9变压器。

3 主线设计

供配电站主线设计要以符合国情、适用经济以及可靠安全为设计方向，保证原始资料具有一定的准确性和实用性，考虑建造过程中会出现的情况，遵守相应的标准与技术规定，确保方案设计达到经济性、灵活性以及可靠性等要求。

3.1 普通的单母线

普通的单母线连接方式简单，只有母线一组，所有回路的进线和出线都连接在这条母线上。它具有方便负载扩展、价格较低、一次投入设备较少以及操作运行方便等优势，但在供电可靠性方面相对较差，调度负荷不方便。如果线路上发生短路事故，系统中会出现很大的短路电流。它适用于进线、出线相对较少，负荷并不重要的供配电站的接线[4]。

3.2 分段单母线

分段单母线的接线是使用隔离型开关与断路器一次侧的设备，把单母线分段连接。这种接线方式在灵活性与可靠性上有了大幅度提高，具有方便、经济以及简单等优点，已经广泛应用于中型变电站和小型变电站。它适用于具有两台或多台主变、电源在6～10 kV的变配装置。

4 计算短路电流

供电系统出现短路的故障分为不对称故障和对称故障两种。对系统造成的最大危害是三相电路短路故障，也称为对称型短路故障。不对称故障有两相发生短路、两相发生对地短路以及单相对地短路等。在供电系统短路故障中，单相对地短路故障最多，占短路故障的70%以上。

4.1 计算短路电流的条件

供电系统运行状态分成暂态与稳态两种，而短路故障的性质是暂态。供电系统暂态的过程会受到许多原因影响，为了便于计算和分析供电系统暂态过程，需要合理假设条件[5]。本文利用近似方法计算短路电流，假设条件为：供电网络中全部电源都在负荷范围之内运行；所有同步的电机都有自动进行调节的励磁设备；三相出现短路时的电流是瞬间最大值；供电网络中全部电源相位角要相同；计算短路电流时，可以不考虑发生短路的电弧和电阻，但必须考虑各个元件影响短路的电流值。

4.2 计算短路电流的主要步骤

计算短路电流的主要步骤：选择基准数值计算元件的等值电抗值，绘制系统等值图；选择相应的短路点，简化系统等值图，不必考虑系统短路的电流非周期的分量因素；计算发生短路时短路的容量、电流最大有效值以及冲击电流值；最后，绘制计算短路电流值表。

5 影响供电网络可靠性的因素

5.1 停电

停电形式可分为故障出现停电和预先安排的停电两种。故障性质的停电是供电网络出现故障时的停电。按照停电的部位，它可分成故障内部停电和故障外部停电两种。故障内部停电是指供电企业内部管辖的设备和电网出现故障而停电。故障外部停电是指供电企业之外的设备和电网出现故障而停电[6]。预先安排的停电主要是供电单位由于某种原因需要停电，在停电前的6 h向调度提出许可，并且在得到许可后向用户通知停电公告。停电形式分为限电、临时性停电以及计划性停电3种。

5.2 供电能力

供配电网络供电的能力是指在供电区域内供配电网络能够提供最大的负荷能力。供电能力的大小与供电网络的结构、电力输送线路的参数以及变电站的规模有直接关系。供电的能力主要有网络转移负荷的能力和电站自身供电的能力。

5.3 设备影响可靠性供电的因素

一是线路方面。线路没有全相使用，出现各相的负荷不均，容易出现过载相和熔断器发生熔断等问题。由于施工或者天气恶劣，输电线路会发生断线、倒杆以及短路接地致使停电。另外，植被树木和输电线路的距离过近也会造成线路短路，使供电控制系统发生跳闸[7]。二是变电设备方面。一方面是变压器发生绝缘降低、套管击穿、线圈短路断路以及对地短路等故障，另一方面是电流、电压型互感器发生故障引起系统保护跳闸等。