20kV配电设备选型的研究

摘要：本文对20kV应用面临的几个关键问题，即配网主要组成部分的设备标准进行分析研究，并通过不同负荷密度下的理论计算进行证明。

关键词：20kV，设备，选型

ABSTRACT: In this paper, the application of 20 kV faced several key problems, that is the main component of distribution network of standard equipment is studied and analyzed, and through different load density and the theoretical calculation are verified.

Key words: 20kV，equipment， Selection

中图分类号：G267文献标识码：A 文章编号：

通过20kV相关研究性参考资料可知，随着负荷密度的增大，10kV与20kV配电网之间可靠性指标差距越来越小，而经济性指标差距越来越大：

（1）负荷密度较小时，中压配电网采用10kV的优势比较明显；

（2）负荷密度较大时，中压配电网采用20kV的优势比较明显，特别是对于现状配电网线路较少的地区或新区，用户过渡也相对简单。

1 边界条件

本次研究中不再针对10kV、20kV电压等级进行比较，而针对20kV配电网中设备标准进行理论分析计算，设定边界条件如下：

负荷密度考虑2.0，5.0，10.0，20.0，40.0，60.0MW/km2；

变电站按110/20kV考虑，负载率取为高负载率，即两台主变的变电站负载率取为65%，三台主变的变电站负载率取为87%；

变电站功率因数统一取为0.95，线路功率因数统一取为0.90；

根据20kV应用调研，20kV导线接线选取YJV22-3×240、YJV22-3×300、YJV22-3×400三种进行比较（三种电缆的载流量分别为400A、468A和522A），选取总的线路年运行费用最小的作为推荐的导线截面；

考虑不同接线模式，线路负载率取为50%~75%；

负荷额定电流取为3000A；最大功率损失时间为4500h；平均综合电价取为0.6元/kWh；

根据国务院的《国营企业固定资产折旧条例》, 铁塔水泥杆线路的折旧年限为40a，即折旧率为2.5%；线路参数如表1所示。

表1 线路参数表

2 理论计算

2.1研究方法

（1）变电站规模

在中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：Ss≈k1σ1/3

式中Ss——高压/中压变电站的最优容量（MVA）；

k1——与当地费用和中压接线方式有关的系数，k1≈50；

σ——区域负荷密度（MW/km2）。

表2 不同负荷密度下合适的变电站容量

由上表可以看出，在负荷密度比较低的情况下，如σ为2～10MW/km2时，选用2～3台31.5MVA的110/10变压器是合适的。当负荷密度比较高的情况下，如σ大于20MW/km2的时候，再采用31.5 MVA的变压器已经适应不了容量的需求。如果直接用大容量的110/10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20kV电压等级，变压器容量采用2～3台63MVA、80MVA、90MVA或100MVA的110/20变压器。

对于如何确定变电站内单台主变的容量的大小，可以通过负荷额定电流的大小来限制。计算公式如下：

式中,——变电站内单台主变的最大容量(MVA)；U——配电线路电压(kV)；——负荷额定电流(A)；cosφ——线路功率因数；η——变压器负载率。

2．配电线路最佳供电半径

（1）根据最优变电站容量和负荷密度计算供电半径

假设变电站供电面积为圆面积，则：

最大供电半径R为：

变电站最大负荷Pmax=Sn×cos’φ×η

式中，D——平均负荷密度（MW/km2）；

Sn——变电站中变压器额定容量之和；

cos’φ——变电站功率因数，取0.95；

η——变压器负载率，两台主变取0.65，三台主变取0.87；

β——线路曲折系数，一般为1.2～1.5，计算中取1.2。

（2）根据电压降作为控制条件,校验供电半径是否合理

三相交流线路的电压损失U包括两部分：电阻中的电压损失UR和电抗的电压损失UX。

U = UR+UX

=（√3IRcosφ+√3I Xsinφ）*10-3（kV）

式中R——配电线路每相导线电阻(Ω)；

X——配电线路每相导线电抗(Ω)；

cosφ——线路功率因数。

UX =√3I X0Lsinφ*10-3（kV）

UR=U-√3I X0Lsinφ*10-3（kV）

=√3IR0cosφ10-3（kV）

L=U*10-3/（√3IR0cosφ+√3I X0Lsinφ）（km）

式中, U ——总的允许电压损失（根据《城市电力网规划设计导则》,20kV或10kV线路电压损失为2～4%，计算中取上限4%）；

R0——每公里线路导线的电阻,可由手册查出；

X0——每公里线路导线的电抗, 可由手册查出；

I——配电线路的输送电流(A)。

3．最佳导线截面与出线间隔

这里以电力线路的投资和电能损失两个方面计算配电线路的最佳导线截面积。

在工程设计中，经常有配电线路的设计。选择导线截面是接入系统设计一项很重要的任务，选择的导线截面应该能保证供电质量及安全、经济运行，在这个前提下应本着节约有色金属材料的消耗量以及线路投资的原则来设计配电线路。

电力线路的年运行费用包括线路投资的折旧维护费和年电能损耗费两部分：

F=KZL+A H；A =3I2R0LT10-3(kWh)

出线间隔 = ；

W=F*N

式中,F——电力线路的年运行费用(万元)；

Z——电力线路每公里综合投资(万元/ km)；

K——线路折旧率( %)；

A——配电线路的年电能损失量(kWh)；

H——平均综合电价(万元/kWh)；

L——配电线路长度(km)；

T——最大功率损失时间。

η’——线路的负载率。

W——总的线路年运行费用

用此方法计算不同导线截面的总的线路年运行费用，比较其大小，选取总的线路年运行费用最小的作为推荐的导线截面。

2.2 计算结果

根据上述的分析思路和边界条件，得出计算结果如下：

1．变电站规模

根据调研可知，20kV配网中110/20变电站单台变压器的容量可选范围为63 MVA、80 MVA、90 MVA、100 MVA和120 MVA。

经过计算，当变电站有2台主变时，考虑变压器负载率为65%，变压器的单台最大容量为151.09MVA；当变电站有3台主变时，考虑变压器负载率为87%，变压器的单台最大容量为112.88MVA。

结合计算得出的变电站容量和不同台数组合情况下单台最大容量，可以得出最优的变电站容量组合如表3所示。

表3 变电站容量计算结果

由表3中计算结果可知：当负荷密度小于10MW/km2时，适合采用小容量变电站，20kV电压等级优势不明显。

2．供电半径

表4 供电半径计算结果

经过校验，计算结果电压降均满足电能质量要求。

由表4中数值可知：随着负荷密度的增大，变电站供电半径逐渐减小。

3．出线间隔

当线路的负载率为75%时，计算得出变电站出线间隔数如表5所示。

表5 变电站出线间隔计算结果

4．线路年运行费用

单条线路的年运行费用计算结果如表6所示。

表6 单条线路的年运行费用计算结果

从上表可以看出：

（1）相同条件下，随着负荷密度的增大，单条线路的年运行费用整体呈现减少的趋势；

（2）负荷密度和变电站台数相同时，导线截面越大，单条线路的年运行费用越多。

综合考虑出线间隔数和单条线路年运行费用计算结果，对变电站出线总的线路年运行费用计算结果如表7所示。

表7 总的线路年运行费用(负载率为75%)计算结果

从以上表可以看出，相同条件下，随着负荷密度的增高，线路截面越大，综合优势越明显。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。