（电气工程专业论文）新兴大型工业园区中压供电规划的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 本论文首先介绍了我国中压配电网现状和配电网规划的主要内容，然后对新 兴大型工业园区中压供电规划中的中压供电电压等级选择、配电网中性点接地方 式选择、配电自动化规划三方面问题作了详细论述。 在中压供电电压等级选择部分，文章概述了我国配电网电压等级的发展过 程、存在问题及发展方向，介绍了目前国内外配电网中压采用2 0 k v 供电的情况； 对新兴大型工业园区中压采用2 0k v 电压等级供电进行了技术经济合理性研究， 并用具体算例加以分析说明。 在配电网中性点接地方式选择部分，文章介绍了国内外配电网中性点接地方 式情况，并对新兴大型工业园区配电网中性点选用小电阻接地作了论述。 在配电自动化规划部分，文章对新兴大型：亡业园区配电网的自动化结构规 划、系统功能、馈线自动化、设备技术要求、经济技术效益等方面的问题进行了 论述。 关键词新兴大型工业园区中压供电规划供电电压等级 中性点接地配电自动化 j 垩查堂堡堂堡堡苎 a b s t r a c t f i r s t l y ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h es t a t u sq u oo ft h em e d i u m v o l t a g ed i s t r i b u t i o n n e t w o r ka n dm a i nc o n t e n t so fi t s p l a n n i n g t h e nt h r e et h e s i s e s a r e d e t a i l e d l y r e s e a r c h e d ，i n c l u d i n gt h em e d i u m v o l t a g ep o w e rs u p p l yl e v e ls e l e c t i o n ，d i s t r i b u t i o n n e u t r a le a r t h e nm e t h o ds e l e c t i o na n dd i s t r i b u t i o np o w e ra u t o m a t i o np l a n n i n go ft h e m e d i u m v o l t a g ep o w e rs u p p l yi nt h en e wp r o m o t i n gl a r g ei n d u s t r i a lr e g i o n i nt h ep a r to ft h em e d i u m v o l t a g ep o w e r s u p p l yv o l t a g el e v e ls e l e c t i o n t h ep a p e r f i r s ts u m m a r i z e st h ed e v e l o p i n gp r o c e s s ，e x i s t i n gq u e s t i o n sa n d d e v e l o p i n gd i r e c t i o n i na d d i t i o nt ot h a t ，i ti n t r o d u c e st h e p o w e rs u p p l yc o n d i t i o no f2 0 k vn e t w o r ka th o m e a n da b r o a d f u r t h e r m o r e ，t h ep a p e rr e s e a r c ht h et e c h n i c a la n de c o n o m i c r a t i o n a l i t yo f p o w e rs u p p l yo f 2 0 k v n e t w o r ki nn e w p r o m o t i n gl a r g ei n d u s t r i a lr e g i o n ，a n da d a t a e x p e r i m e n t i si l l u s t r a t e dt oa n a l y z em a d e x p l a i n i t sc o r r e c t n e s s i nt h es e c o n d p a r t ，t h e n e u t r a le a r t h e nm e t h o d sa td o m e s t i ca n da b r o a da r e i n t r o d u c e d t h e nt h ep a p e rh a sad i s s e r t a t i o no ft h es e l e c t i o no ft h en e u t r a le a r t h e n t h r o u g hs m a l lr e s i s t a n c ei nn e wp r o m o t i n gl a r g ei n d u s t r i a lr e g i o n i nt h el a s tp a r t ，n a m e l yt h ed i s t r i b u t i o na u t o m a t i o np l a n n i n g ，t h ep a p e rd i s c u s s e s t h ea u t o m a t i o ns t r u c t u r ep l a n n i n g ，t h es y s t e mf u n c t i o n ，f e e d e ra u t o m a t i o na n dd e v i c e s t e c h n o l o g yr e q u i r e m e n t ，a sw e l la se c o n o m i ca n d t e c h n i c a lp r o c e e d s k e yw o r d s ：n e wp r o m o t i n g i n d u s t r i a l r e g i o n ，m e d i u m v o l t a g ep o w e rs u p p l y p l a n n i n g ，p o w e rs u p p l yv o l t a g el e v e l ，n e u t r a le a r t h e n ，d i s t r i b u t i o n p o w e r a u t o m a t i o n i i 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 中压供电系统的概念及现状 1 , 1 1 中压供电系统的概念 电力系统是由发电j 、变电所、输配电线路和用户的电气装置连接而成的一个 整体，包括电能的生产、输送、分配和消费，它由发电系统、输电系统、配电系统 二个环节组成的，其中配电系统担当着电能的分配和消费功能，具体是将变电站或 小型发电厂的电力输送给每一个用户，并在必要的地方转换成适当的电压等级。下 图表明了电力系统各电压级网络之间的相互关系，同时也指明了配电系统的范围。 发电系统 t 高压 2 0 3 5 k v 超高压，高压高压中压 输电系统 至用户 一槲至用户 中压 1 0 k v 低压 1 k v 中压低压 配电系统 本论文所研究的中压供电系统是指配电系统的中压部分，由图中可见，它主要 指1 0 3 5 k v 配电网络。 1 1 2 我国中压配电网发展状况 随着市场经济的信息化、全球化发展和我国电力体制改革的不断深入，电力公 司正经历着一场深刻的变革：电力市场自由化。这场变革使电力公司面临新的挑战， 我们必须采取新的策略，新的技术和管理措施，转变经营理念，增强市场竞争实力。 近年来，我国投入大量的资金和人力进行城网、农网改造，取得了显著成绩。f 【 _ l 由 浙江大学硕十学位论文 于我国长期存在“重发轻供不管用”的观念，配电网建设长期滞后于电源建设和输 电嘲建设，同时由于这些年来我国经济的持续高速发展，导致用电负荷大幅度增长， 并日用户对电能质量、用电可靠性要求不断提高，目前由于全国性大面积缺电掩盖 了配电网建设中存在的许多问题，若这些问题不能得到及时有效解决，到电力供应 总体大于需求时，配电网过载、供电可靠性低等问题将暴露无遗。 我国中压配电网存在以下二方面主要问题： ( 1 ) 配电网建设滞后，供电能力不足，不能满足负荷增长的要求：据统计，全国 发电量的8 5 是经3 5 1 0 k v 配电网供给用户的。而我国几十年来，电网工程的 投资一直都落后于发电工程的投资，其中配电网的投入更为不足。目前我豳发电、 输电、配电的投资比例一般大约为1 ：o 2 1 ：o 1 2 ，而美国是1 ：o 4 3 ：0 7 ，英国 是1 ：o 4 5 ：0 7 8 ，e t 本是1 ：0 4 7 ：0 6 8 。数十年的累积效应，使我国的配电网 己成为电力系统的“瓶颈”，局部地区配电网过负荷情况严重，但这几年来电力 系统的供需不平衡状况，使配电网这个“瓶颈”并没有1 1 1 j 现出来，随着电源建设 的完善，这个矛盾就日益尖锐，可以说配电网建设滞后将成为电力系统发展的 个重要制约因素； ( 2 ) 配电网结构不合理，供电可靠性差：社会经济与科学技术的高速发展对电能 供应提出了越来越高的要求；社会经济越发达，承受停电扰动的能力越脆弱，有 时即使足很短时的停电扰动也往往会造成很不利的社会影响和巨大经济损失。在 我国，各地对丰网的规划比较重视，但对配电网缺乏统筹考虑、长远规划，常常 根据负荷情况，临时决定配电线路布置，e t 积月累导致配电网布置不合婵，除了 城市中的部分配电线路实现环网外，绝大部分配电线路都是树枝状分布，备用切 换能力差，不满足“n 一1 ”安全准则，供电的安全性和可靠性很差； ( 3 ) 配电网网损高，电压合格率低：由于配电线路布置不合理，线路迂回交叉， 供电半径大，导线截面小，导致网损高，线路末端电压低。 1 2 中压配电网规划的主要内容 配电嘲是对用户供电的重要环节，要解决上述问题，我们必须采用科学的规划方 法，利用各种技术和经济手段，积极改进对用户的服务，满足不同用户的需求。中 浙江人学硕士学位论文 压配电系统规划包含的内容十分广泛，f 面列出一些主要的规划任务 ( 1 ) 分析配电网的现有布局和负荷分布的现状 ( 2 ) 负荷预测( 包括电量和功率预测，其中功率预测不仅包括数值预测，还要求 预测负荷的空间分布) ( 3 ) 确定规划各期的目标和技术原则及供电设施的标准化，例如，中压供电电压等 级的确定、供电可靠性的要求、配电设施的容载比的确定、配电网中性点的接 地方式的确定等 ( 4 ) 确定未来变电所的布局、容量大小和供电范围以及各变电所的主接线方式 ( 5 ) 分期对配电网络结构进行整体规划，确定分期建设的工程项目 ( 6 ) 确定未来配电网络的接线形式，确定联络线的联络方式 ( 7 ) 确定未来各期的无功补偿容量及其布局 ( 8 ) 估计各期投资、丰要设备的技术规范和数量 ( 9 ) 配电自动化规划 ( 1 0 ) 社会经济效益评估 ( 11 ) 绘制各规划期末的配电网络地理接线图 ( 1 2 ) 编制规划说明书 1 3 本论文的主要工作 近年来随着我国经济的持续快速发展，城市发展的产业空间十分有限，后备土 地资源越来越紧缺，东部沿海部分经济发达地区，目前正充分利用区域的产业结构 调蘩，进一步拓展城市发展空间，在城市周边建立新城区或大型工业园区。这些区 域均有着系统、科学的总体规划，启动后发展迅速，而区域内原有电网基础相对薄 弱，因此在这些区域加强中压供电系统的规划尤为迫切。 本沦文主要论述了新兴大型工业园区中压供电规划中的三方面问题： ( 1 ) 中压配电网供电电压等级的选择 ( 2 ) 中压配电网中性点接地方式的选择 ( 3 ) 配电自动化规划 浙江人学硕士学位论文 本论文的第一章为绪论，概述了中压配电网的概念，我网配电网的现状和配电 网规划的丰要内容；第二章概述了我国配电网电压等级的发展过程、存存问题及发 展方向，介绍了目前国内外配电网中压采用2 0 k v 供电情况；对新兴大型工业园区 配电网采崩2 0k v 电压等级进行了技术经济合理性研究，并用具体算例加以分析说 明；第三章介绍了国内外配电网中性点接地方式情况，并对新兴大型工业吲区配电 网中性点选用小电阻接地作了论述；第四章丰要对新兴大型工业园区配电自动化规 划中的自动化结构规划、系统功能、馈线自动化、设备技术要求、经济技术效益等 方面的问题进行了论述。 浙江大学硕十学位论文 第二章新兴大型工业园区中压供电电压等级的选择 我国日前除了苏，j 、1 3 2 业园区外，其余中压配电网均采用1 0 k v 电压等级供电， 随着我国经济的飞速发展和人民生活水平的提高，1 0 k v 供电出现较大的局限性。多 年来，国内很多专家对此作了大量研究，积极呼吁将人中城市的高负荷密度区域配 电电压升级至2 0 k v 。本文对我国配电网电压等级的发展过程、存在问题、发展方向 及目前国内外配电网中压采用2 0 k v 供电的情况作了简要介绍，并对在新兴人型工 业园区采用2 0k v 电压等级的合理性与可行性进行了研究，并用具体算例加以说明。 2 1 我国配电网电压等级的发展过程、存在问题及发展方向： 2 1 1 我国配电网电压等级的发展过程 电网额定电压等级的选用，对一个国家牛产建设的发展，现代化程度的提高， 既具有深远的战略意义，更具有重要的现实意义，它不但影响电力网络的结构与布 局，电力设备的设计制造，电力系统的运行管理，还决定电力系统的年运行费用和 经济效益，关系到电力事业的建设投资及发展速度，国民经济的整体布局利远景规 划，所以电压等级的研究和确定，是一个涉及面很广，影响因素很多的综合性课题。 中压系统的运行电压对系统的运行特性有重大的影响，因此也影响系统的设计。 所选定的电压将决定每条馈线的供电半径、容量以及馈线的总条数和每条馈线上的 配电所数日。所选定的电压也决定了受停电影响的用户数、系统损耗、运行方式和 检修方式，而这些都会影响到供电企业的年度费用。规划一个国家或一1 个区域的电 力发展时，确定网络规划中的中压电压是网络规划早期必须考虑的主要问题。 我国现在采用的1 0 k v 中压配电电压等级，是在5 0 年代中期开始到6 0 年代中期 结束的城网- y l - 压改造工程中，逐渐改造和标准化而来的。我国城市电网的改造，经 历了一个将多种较低的配电电压( 如2 3 、3 3 、6 3 k v ) 统一提高到l o k v 配电电压 的过程。这次改造对配电电压的提高和配电网技术改造的直接效果是，扩大了对用 户的配电能力，改善了供电电能的质量，大大降低了供配电系统的线路损失。当时 各个大中城市供电局线损率的平均水平从1 l 1 2 降为7 8 。平均降低了 3 5 个百分点，效果显著。同时，此举还统一了设备标准，简化运行。此后的实践 证明，这一重要举措有力地加快了电网自身的发展，极大地促进了国家的经济建设。 浙江大学硕士学位论文 2 1 2 配电网采用l o k v 供电的局限性 1 ) 输变电工程用地约束 改革开放以来，随着经济建设的飞速发展，以及城市居民牛活水平的不断提高， 城市用电水平以空前的速度增长，越来越明显地暴露出我国现有大中城市供配电网 络已不适应经济发展平城市现代化建设的需要。目前，在我国的一些大中城市，负 荷密度已达3 0 5 0 m w k m 2 甚至更高。在这种情况下，继续采用l o k v 配电网供电显 得勉强：首先，若采用1 l o k v 降压至l o k v 配电，受负荷密度大小与供电半径约束， 每平方公里需要建1 、2 座1 l o k v 降压变电所。如果将2 2 0 k v 直接降压为l o k v 配电， 则l o k v 出线回路数多达数十回，导线截面和电缆截面大为加粗，形成出线难以布置。 出线或电缆数过多，必然产牛通道路径困难的问题，同时使造价大大提高，自身损 耗也难以降低。其次，受供电电压与导线截面约束，l o k v 配电线路数目巨大。因而 在设备投资、基建占地、线路走廊、网架结构、运行管理以及降损节能等方面都不 可避免地出现许多难题。 在大城市里要寻觅高压变电所的所址，其难度之大更甚于集资。 2 )短路容量、网损居高不下 随着城乡居民用电增加，变、配电设施和负荷密度大幅度增加，致使l o k v 电网 线路损失增加。虽然近几年国家加大了城乡电网建设，很多大中城市1 l o k v 和2 2 0 k v 高压电源直接引入负荷中心。这些措施虽然对增强电网的供电能力、提高可靠性、 降低线损有重要的作用，也使l o k v 电网的短路容量大大增加。一些地区在将高压引 入到了负荷中心之后，在l o k v 侧屡屡发牛大范围开关爆炸着火事故。究其原因，就 是在城市电网和农村电网的建设和改造中，偏重于提高输电电压，而不注重中低配 电网的升压改造。用电高峰时段，向用户直接配电的l o k v 电网的负荷电流很大、电 压水平低，中、低压往往出现配电设备、用电设备的热稳定不够而烧坏的故障。吲 时，一次侧电源容量加大，当二次侧发生短路故障时，短路电流超过了断路器的开 断能力，必然造成开关的无选择性动作，甚至发生爆炸，所以不提高配电侧二次电 压，即使把2 2 0 k v 变电站线路引入市中心，充其量只不过是增强了配电电源的供电 能力，对降低线损来说是作用不大的。 事物的发展都有其内在规律。事物发展到某一阶段和层次时，其积极作用会逐 渐衰退，随之呈现出消极或限制的作用。就l o k v 电压等级而言，它确实很适宜建国 浙江人学硕士学位论文 初期利中期较小的电力负荷密度、较低水平的经济建设与社会发展需要。仇是随着 改毕开放，城乡用电事业大为发展，负荷密度与用电量已获得极大的增长。l o k v 配 电阚已日益显示出其不适应性，丰要表现在：作为中压配电电压，电压明显偏低， 供电半径不长，输送能力不足，配电损失过高，不利于不断增长的负荷密度的需要， 容易造成供电被动。 2 1 3 配电网采用2 0k y 电压等级的合理性 中压系统的运行电压对系统的运行特性有重大的影响，因此也影响系统的设计。 所选定的电压将决定每条馈线的供电半径、容量以及馈线的总条数和每条馈线卜的 配电所数目；也决定了受停电影响的用户数、系统损耗、运行方式和检修方式，丽 这些都会影响到供电企业的年度费用。 规划一个国家或一个区域的电力发展时，确定网络规划中的中压电压是网络规 划早期必须考虑的主要问题。在新兴的城市地区，当现有网络的电压不能满足高负 荷密度时，必须考虑一个合适的更高电压。 我国大多数城市现在采用的是2 2 0 1 1 0 3 5 1 0 0 4 k v 的五级电压制，中压配电 电压采用l o k v 的电压等级。随着我国经济建设的不断发展，用电负荷密度和单个负 荷容量不断增大，l o k v 作为配电电压等级的应用受到限制。需要考虑一个合适的更 高的配电电压。 3 5 k v 一般不宜作为直配用户的一次配电电压级。若直接用3 5 k v 作为南配用户 的一次配电电压级，虽然有提高输送容量、扩大输电半径、降低网损的效益，佃由 于受低压短路容量的限制与低压输电半径的限制，3 5 k v 配电变压器容量不能选得太 大。与2 0 k v 配电相比，配变数目减少不多，而每台配变造价增加很多。反而增加了 投资，并不合理。 同内外研究和实践表明，2 0 k v 这一电压等级尤其适宜于较高电力负荷密度情况 下的工、l k 化初期阶段，故它也十分适合于我国社会主义初级阶段。 2 0 k v 介于l o k v 和3 5 k v 之间，为后两者几何均值的近似取整数值。选用2 0 k v 作为中压配电电压，既遵从电压等级邻级间互为“几何均值”这一规律，又符合现 阶段我同国情。从简化电压层次的角度出发，由于增加变电层次会导致建设投资及 网络损耗的增加( 有分析与计算结果显示，每经过一次变压，有功损失会增加2 浙江人学硕i ，学位论文 3 ) ，闪此很多城市都在力求减少变压层次，如果采用2 0 k v 电压等级的话，就町以 直接用2 2 0 2 0 k v 或者1l o 2 0 k v 降压，从而减少变压层次。 2 0 k v 电压等级早在1 9 9 3 年就已经被纳入我国的标准电压等级，而且直以来 国内很多专家学者都呼吁把大中城市的配电电压升级到2 0 k 7 的电压水平。但迄今 2 0 k v 电压等级还没有得到很大的应用，只有1 9 9 6 年投运的苏州工业园区使用浚配 电电压等级。 2 1 4 配电网应用2 0 k v 电压等级的可行性 从国外电压等级与电压制的改造情况看，我国采用2 0 k v 作为中压配电电压是可 取的。法因原有电压为3 8 0 2 2 5 1 5 0 ( 9 0 、6 3 ) 2 0 5 0 3 8 k v ，现在拟由七级改造为 3 8 0 2 2 5 ( 9 0 、6 3 ) 2 0 0 3 8 k v 五级；德国1 9 6 0 年前将配电电压改造成l o k v 等级， 1 _ 【_ i 很快停止了这一做法而将6 ，1 0 ，1 5 k v 改为2 0 k v ，其它欧洲国家如意大利、奥地 利、波兰等国( 占欧洲8 0 ) 也大都采用2 0 2 5 k v 作为中压配电；俄罗斯配电网 除极少数l o k v 外，几乎都改为2 0 k v 等级；亚洲一些国家如新加坡、韩国等亦陆续 把2 0 k v 电压选作配电电压。 早在6 0 年代初期，韩国城网的线损率高达2 9 4 ，经采取提高输电电压，加 强监测、防盗电等活动之后，到7 0 年线损仍保持在1 l 以上，继续采取上述措施 再降低线损似乎已不起作用，连续多年仅使线损率下降了0 5 。8 0 年代初韩国进 一步采取提高一次配电电压的措施，将原有3 3 、6 6 k v 配电电压升高为2 2 9 k v 之 后，1 9 8 5 年线损率从1 1 降低到5 9 。新加坡城网的配电电压原来沿用英制，一 次配电电压为1 l k v ，直到8 0 年起通过升压改造，将一次配电电压升高为2 2 9 k v 。 日本在1 9 8 0 年将电压升压至2 0 k v 、3 3 k v ，低压线路采用单相三线制配电，当时就 把线损降到5 7 。以上这些亚洲的后工业化国家，都竟相采用这一电压等级，可 以看出该电压等级的确有其优越性。 国内已有苏州工业园区成功的先例。苏州工业园区采用2 0 k v 电压配电。据苏州 供电公司的介绍，园区现在的用户申请容量均在2 0 0 0 5 0 0 0 k v a ，如采用l o k v 配电， 一条2 4 0 m m 2 线路只能供2 4 个用户；如四个用户以上，用环形供电，须采用) ! ：) 【“3 1 ” 接线；更大容量就要用3 5 k v 或1 l o k v 供电，将引起用户投资增加。目前采用2 0 k v 供电，比较满意地解决这些问题。另一方面，苏州工、园区从1 9 9 6 年3 月投入运行 浙江人学硕士学位论文 迄今已经7 年时间了，从当初的策划，到设备的选用，再到现在的运行， 切进展都比较顺利，事故率低、可靠性高、网损率也较低。 由其他国家和城市的l o k v 升压改造过程，我们可以得出以下结论： 电压等级尤其适宜于较高电力负荷密度情况下的工业化初期阶段。 2 0 k v 这一 2 2 目前国内外配电网中压采用2 0 k v 供电情况简介： 2 2 1 苏卅l 工业园区的经验 2 2 1 1 苏州工业园区概况 国内目前只有苏州新加坡工业园区采用2 0 k v 电压供电。 苏州工业园区是苏州市和新加坡合作开发的一个高新技术区。园区位于3 1 2 国 道南侧，由老城区向东延伸，总面积为7 0 k m 2 ( 包括湖泊面积) ，分3 期开发建设， 计划总人口达6 0 万。规划中的园区是个人口、商业、工业的密集地区，也是电力负 荷的密集地区，根据总体规划，区内平均负荷密度达到3 5 万k w k m 2 ，最终负荷 将达到3 0 3 万k w 。 由于电网是重新布置的，供电质量和可靠性要求都比较高，并且要求全电缆配 电，为了确定园区采用哪一级电压等级更为合适，1 9 9 3 年，苏州电力局特意委托中 国电机工程学会城市供电专委会进行专题论证。本文这一部分的内容参考了当时电 机工程学会所作的论证报告，同时搜集了首期工程启动后，苏, j i 【供电局结合园区特 点所制定的一些具体的规定，对苏州工业园区的配电网规划设计技术原则进行综述 介绍。 2 2 1 2 苏州工业园区前期论证规划 1 ) 基本的电网规划原则 a 电源点和降压层次 园区2 2 0 k v 电源分布在外围，由于园区是高负荷密度地区，因此采1 【= j2 2 0 k v 深 入供电的方式。选用的降压层次为： 2 2 0 1 l o 2 0 k v 2 0 0 4 k v 或 11 0 2 0 k v 2 0 0 4 k v 浙江人学硕士学位论文 各级电压的相位关系如下： 2 2 0 1 10 k vi 1 0 2 0 k v2 0 o 4 k v jil y y 一1 2y y 一1 2a y 一1 1 园区内估计一般不会出现特大用户，所以用户供电电压参照供用电规则规 定：用户设备总容量3 5 0 k w 以下或需用变压器容量在2 5 0 k v a 以f 的用低压供电；大 于此容量值的以2 0 k v 供电：对个别特大用户以i 1 0 k v 供电。 b 电网结构 由于规划中各小块的用地和容量相差很大，因此2 0 k v 配电网分3 种类型布线到 各负荷中心： i 型适用于较小负荷( 2 m w ) ，一般用单回电缆环入供两台配电变压器。 i i 型适用于中等负荷( 2 4 m w ) ，一般用多台配变，由多回电缆或单回电缆 环入供电。 i i i 型适用于较大负荷( 4 m w 以上) ，为负荷较大的带转供性质的开关站，由 多回电缆供电。 2 ) 中性点接地方式 经研究2 0 k v 配网采用小电阻接地，为了减少通讯干扰影响，接地电流值选择 1 0 0 0 1 5 0 0 a ，接地电阻可选用生铁电阻，阻值为i i 5 7 7q 。变电站接地网的接 地电阻不宜大于0 2 q 。 3 ) 造价分析 参考最近两年苏州地区工程造价，综合估算出变电站、电缆、配电单元的综合 造价，见表i 。 浙江大学硕士学位论文 表1苏州工业园区配电设备造价与年费用比较表 一设备造价比较 酣电方案i 1 1 0 1 0 k vl i 1 1 0 2 0 k vi i i 1 l o 3 5 k v1 1 0 3 5 l o k v 总造价( 亿元) 4 8 34 0 6 34 6 2 85 3 8 4 变电站( 座) 4 22 l1 38 2 造价( 亿元) 1 2 1 88 8 27 81 6 0 8 电缆( k m ) 7 3 56 2 34 8 77 7 5 造价( 亿元) 1 0 2 89 9 69 1 71 1 9 2 配电单元( 个) 7 0 34 8 44 3 67 0 3 造价( 亿元) 2 5 8 42 1 8 52 9 3 l2 5 8 4 造价比较( ) i o o8 4 2 89 5 81 1 1 4 9 二年费用比较 总年费用( 亿元) 3 7 33 1 23 5 74 1 4 年费用比较( ) 1 0 08 3 6 19 5 8 21 1 1 0 9 注：年费用包括变电、线路损失及维修折旧费用在内。均不含地价、拆迁、赔偿费 用。 从比较中可以看出，采用1 1 0 2 0 k v 变压层次的设备造价和年费用比其他的变压 组合都要低，因此采用2 0 k v 电压等级符合经济性的要求。 2 1 1 3 园区投运情况 苏州工业园区在1 9 9 6 年5 月投运了第一座11 0 2 0 k 7 变电站，已有两台6 3 m v a 变压器投运，当时仅供2 0 多个用户使用。到当年8 月底，供电负荷在6 m w 左右，投 运电缆长度约1 5 k m 。该变电站除1 l o k v 设备和主变压器以外，全部采用外国进口设 备。1 l o k v 侧采用线路一变压器组，不用断路器保护，直接用导引电缆，故障时跳 对侧断路器。主变压器接线为y 。y 。l 勾藏三角线圈，2 0 k v 中性点经2 0 q 低电阻接地。 2 0 k v 侧采用四分段母线，用抽屉式开关柜，控制、保护用微机。 到1 9 9 8 年1 0 月，园区已建成变电站两座，除最初投运的1 1 0 2 0 k v 变电站外， 又建成了一座2 2 0 1 l o 2 0 k v 变电站，2 1 8 0 m v a ，建成2 0 k v 开闭所1 7 座，敷设2 0 k v 浙江大学硕士学位论文 电缆9 6 条，总氏度5 6 3 6 8 k m 。当时供给用户6 5 户，配电变压器总容量1 2 7 7 9 0 k r a 。 截止到2 0 0 2 年底，园区首期工业地块已开发二分之二，2 0 0 2 年最高负荷为l o 万k w ，负荷密度为1 2 5 万k w k m 2 。预测5 年左右时间，可发展到3 万k w k m 2 左右。 现有2 0 k v 出线3 3 条，1 1 7 7 3 k m 电缆，无架空线，供1 2 0 户用户，装机容量2 6 7 万k v a ，平均每户2 2 2 7 k v a ，公用配变容量为7 0 8 万k v a ，总装机容量为3 3 7 8 万 k v a ，半均每k m 2 为4 2 2 万k v a 。为了提高供电可靠性，区内现有2 0 座独立开闭所， 由_ 路变电站供电。配网固定资产为3 0 亿，每k v a 为8 9 0 元，1 9 9 7 年底配网固定 资产为0 9 9 亿，折算当时容量，每千伏安为9 5 2 元。用户装机允许最大容量为3 0 万k v a ，一般用户申请容量在2 0 0 0 - - 5 0 0 0 k v a 之间，一条2 0 k v 线路可供4 6 个用 户。 由于2 0 k v 为全电缆网，供电可靠率较高，2 0 0 1 年全公司平均供电可靠率为9 9 9 9 ，而园区2 0 k v 网9 9 9 9 3 ，略高于平均水平。其他事故率与l o k v 相仿。 表2 近两年来2 0 k v 网和苏州城区l o k v 网总线损率比较 2 0 0 0 年2 0 0 1 盆 l o k v4 3 25 3 6 2 0 k v3 8 22 9 9 2 2 2 同外配电网中压供电情况 2 2 2 1 国外采用2 0 k v 配电电压的基本情况 在i e c 标准电压中规定有2 0 k v 电压等级。将2 0 k v 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。 亚洲平拉r 美洲采用2 0 k v 电压等级的国家有：新加坡、马来两亚、泰国、印度尼西 亚、韩国、日本、巴西、阿根廷等。欧美采用该中压配电电压等级的国家有：美国、 法国、芬兰、英国东北部、北爱尔兰、保加利亚、匈牙利、瑞士、德国东部、俄罗 斯等。 法阈是一个以2 0 k v 为中压系统的国家。其供电情况和我们国家有很多相似之 处，以下以法国作为例做简要介绍。 浙江大学硕士学位论文 2 2 2 2 法国采用2 0 k v 配电电压的情况 法国位于北纬4 5 。，地处大西洋、地中海和英吉利海峡之间，为温带海洋性气 候。法国人口为5 5 0 0 万，面积5 4 万k m 2 ，1 0 2 人k m 2 ，其中1 9 住在巴黎，2 8 约1 0 0 0 多万居民住在都市巾心，2 5 住在乡村。 法国配电网中早期为3 k v 、5 s k y 、1 5 k v 、2 2 k v 、3 0 k v 电压并存，后来确定以 1 5 k v 为标准电压，淘汰其余的。但进一步研究后认为以2 0 k v 代替1 5 k v 可使电力 网络传输能力显著提高，而增加的费用很小，所以又决定在新建电力网络中采用 2 0 k v ，逐步淘汰1 5 k v 。因此，法国电力公司( e d f ) 从1 9 6 1 年规定2 0 k v 为城网 中压系统唯一标准，限制或取消了原有的1 5 k v 电压等级。 法国的中压配电系统的基本特征 1 ) 基本设计选择 法国的供电频率为5 0 h z ，所有巾压馈线为二相三线制。 电压：法国自从1 9 6 1 年开始将城网的标称电压定为2 0 k v ，此后新建电厂设计 都采用此电压等级，9 0 年代初约有2 3 运行于2 0 k v ，其余大多数运行于老的1 5 k v ， 并将逐渐改造成2 0 k v 。 接地：在超高压中压和高压中压主要变电所的中央变压器中性点通过一阻抗 接地。 短路电流：所有城市中压系统最大短路电流是1 2 5 k a ，农村系统为1 0 或8 k h ( 有功功率p 3 6 m w 时) 。 2 ) 高压中压主变电所 有多种方案可用于高压或超高压系统的高压中压主要变电所。 巴黎市区面积为1 0 6 k m 2 ，4 0 0 k v 的双环网距市中心6 0 k m ，通过2 2 5 k v 电压等级 深入市区后，又形成双环网。市区内建有为数众多的2 2 5 2 0 k v 降压变电所。变电所 一般由两回2 2 5 k v 线供电，由双母线进线送到四个最大容量为7 0 m v a 的2 2 5 k v 变压 器。变电所所与所之间用四路2 0 k v 的电缆互联，构成了强大的城市电缆网络。该网 络的中性点在1 9 9 0 年前后全部改为谐振接地方式运行。 在中等城市和乡村，两台变压器( 最大容量3 6 m v a ) 以1 3 备用，高压系统以 6 3 k v 或9 0 k v 供电，简单采用单母线分段。 浙江人学硕士学位论文 中压设备一般为室内型，变压器及高压开关常用室外型，而在城市里，通常采 用金属铠装插入式的高压或超高压设备。 3 ) 配电系统设计 配电系统设计考虑满足供电连续性的要求来选择，供电的连续性取决于负荷密 度、系统供给城市或农村的断电的灵敏性。 a 农村中压系统( 约1 0 0 k w k m 2 ) 农村架牵线中压系统是放射式的，只有一小部分丰要馈线设计成两个高压中压 变电所或一个变电所的两个出线之间开环运行。线路开关装在每个放射支路和几个 主要馈线的首端，以利于故障监测，并在线一线之间开环工作时分断。 b 城市中压系统( 约5 m w k m 2 ，在巴黎高达2 0 m w k m 2 ) 城市配电系统，其用户与负荷密度高，而修复故障电缆需要时间，中压地下系 统设计要求便于快速恢复送电。每个中压低压变电所有两个电源，当其中一个电源 停电，只要操作相应变电所的一个或两个开关即可恢复送电。 广泛采用多路开环供电，这样，每个变电所都有备用电源，这适用于高负荷地 区。 4 ) 中压系统的短路电流限制 为了限制短路电流，法国高压冲压变电所不采用变压器并联运行，如果变压器 发生故障，自动转换开关或断路器将备用变压器投入。 2 3 新兴大型工业园区采用2 0k v 电压等级的技术经济合理性研究 2 3 1 比较模型的确立 为了使比较更为方便和直观，我们先设定比较的模型。在参考了苏州工业同 区中压配电网电压等级专题论证报告以后，确定用来比较的三个变压模型分别是 1 1 0 1 0 k v 、1 1 0 2 0 k v 和1 1 0 3 5 k v 。为了比较方便，使二次侧电流基本相同，设它们 的容量分别为3 1 5 、6 3 和1 0 0 m v a 。同时设负荷区负荷密度为3 0 m w k m 2 ，面积为 2 0 k m 2 ，功率因数为0 9 ，容载比为2 2 。 2 3 2 技术合理性研究 浙江大学硕十学位论文 1 ) 高压变电站容量与负衙密度的关系 在巾国电力出版社出版的配电网络规划与设计一书中指出：市区变电站的 最优密度和最优容量可以用下列公式进行估计： s 。kl 0 “。 ( 1 ) l s 1 k 2 o 2 ( 2 ) 式中s 。高压中压变电站的最优容量，m v a ； k ，k 2 与当地费用和中压接线方式有关的系数，k 一5 0 ，k 2 * 3 ； 0 区域负荷密度，m v a k m 2 ； l 中压馈线的最优长度，k m ； s ，馈线负荷，m v a 。 表3 不同负荷密度下合适的变电站容量 o ( m v a k m 2 )51 02 03 05 08 0 s 。( m v a )8 5 51 0 7 71 3 5 71 5 5 41 8 4 22 1 5 4 由上表可以看出，在负荷密度比较低的情况下，如0 为5 1 0m w k m 。时，选 用2 3 台3 1 5m v a 的1 1 0 1 0 变压器是适合的。当负荷密度比较高的情况下，如。 火于2 0 m w k m a 的时候，再采用3 1 5 m v a 的变压器已经适应不了容量的需求。如果直 接用大容量的1 l o l o 变压器，则中压侧短路电流会过大。最好的解决办法就是中压 侧采用2 0 k v 电压等级，变压器容量采用2 3 台6 3 m v a 的11 0 2 0 变压器。而对于 l l o 3 5 k v 的变压器来说，由于比较中考虑的电缆都采用同一规格，线路电流不超过 4 0 0 a 左右，且按照规划，每个变电站一般设2 4 回出线。为保证尽可能地输送更多 的功率，1l o 3 5 k v 变压器的容量可采用i o o m v a 。 2 ) 变电站个数的确定 浙江大学硕士学位论文 当城市高压变电站直接降压为中压向用户供电时，假设其供电范围为以r 为半 径的圆形，并将高压变电站置于圆心，且中压配电网为幅射形网络结构。当整个电 网覆盖衙上负荷密度均匀时，高压变电站容量和负荷密度的关系为： s n b = c r a k 。 ( 3 ) 式中n t 变电所个数； 0 考虑同时率后的平均负荷密度( k w k m 2 ) ； s 变电所容量( k v a ) ； a 电网供电区面积( k m 2 ) ； k 。容载比，1 1 0 k v 变压器容载比取2 2 2 5 。 显然，变电所平均个数为： ：o - a 。k ( 4 ) l ) 3 ) 中压线路供电半径的确定 取一个变电站的平均供电半径为r ，则单位面积上变电所个数为： 一1一n5一ok。nb z r 2 彳3 亍 由( 2 ) 、( 3 ) 可得变电站平均供电半径r 表达式为 r = 11 0 k v 变电站全部中压配电网导线总截面为 s 2 2 面了“ 式中u 。中压配电网额定电压； j 导线经济电流密度( a m i l l 2 ) 。 那么，中压配电网出线回数为： m ：= s c o s q 只。 式叶1p 。每一回线路平均负荷( k w ) ( 5 ) ( 6 ) ( 7 ) ( 8 ) 焉 浙江凡学硕十学位论文 c o s 妒负荷功率因数。 中压配电网出线每回线路长度为： l = d rk m( 9 ) 式中，d 地形修正系数。 从而我们可以得出负荷密度分别为1 0 、2 0 、3 0 和5 0 m w l ( i n “隋况下的不同供电 方案( 1 0 、2 0 、3 5 k v ) 的供电半径，比较结果如表8 。 表4 供电方案 1 1 0 1 01 l o 2 01 1 0 3 5 k v 负荷密度 1 02 03 05 01 02 03 05 01 02 03 05 0 m w k m 2 供电半径 1 】7o 8 30 6 8o 5 21 6 51 1 7o 9 60 7 42 ，0 81 4 71 2 00 9 3 k m 4 ) 线路输送的最大功率和最大距离 对截而为a 的导线，设在满足经济性条件下其可承载的最大电流为。，则其 可输送的最大功率为 = 4 3 u u 。c o s r p ( 1 0 ) 导线截面相同的情况下，负荷距 刨忙志p 蔷彤竹善鲫 n d 式中，、x 分别是单位长度线路的电阻和电抗值； 己，。线路额定电压，k v ； t 第i 段线路的长度，k ； 只、q 第i 段线路上的负荷。 按线路电压损失要求( 一般不应大于5 ) ，在额定电压u 下，对菜一截面导线 的负荷距限制如下： 浙江大学硕十学位论文 叫c ，= 筹= 警s1 0 u jl o u ： 故尸，型! 丝( 1 2 ) r + x t a n 口 因此可算出最大负荷下的传输距离为 f - 旦 i ! 噬 ： ! ! 坠 k 。( 1 3 ) 圪。p + x t a n 妒) , 3 乙。( r c o s ( o + x s i n ( p ) 根据式了( 8 ) 和( 1 1 ) 可以看出，当采用相同截面的导线时，三种方案下线路 输送的最大功率和最大距离的比值都与所取中压电压等级成正比。 从卜文的公式，我们同样可以算出各比较方案f 的变电站个数、供电半径、出 线长度等参数，见表9 。 表5 方案 1 l o 1 0 1 1 0 2 01 1 0 3 5 变电站个数( 座) 1 475 供电半径( k m ) 0 6 7 50 9 5 51 2 0 3 每回出线长度( k m ) 1 0 1 31 4 3 31 8 0 5 导线总截面( m m 2 ) 7 7 9 47 7 9 47 0 7 0 每条导线截面( m m 2 ) 3 2 53 2 52 9 5 注：假设选电缆l 。；= 5 5 0 0 h ，j 一0 7 a m m 2 ；地形修正系数为1 5 ；变电站出线为2 4 回。 可见选择2 4 回出线的时候，计算所得每条线路截面为2 9 5 3 2 5 1 1 1 i n 2 ，所以选 用截面一样的导线的话，可以选用截面为4 0 0 m