Tao Yunfei

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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

規(guī)范中對(duì)變電所位置的選擇有明確要求，有些位置會(huì)嚴(yán)重影響變電所的正常運(yùn)行，應(yīng)當(dāng)避免，通常需根據(jù)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)兩方面的比較來確定其合理位置。變電所位于負(fù)荷中心，有利于保證線路電壓降滿足規(guī)范要求，同時(shí)能降低電能損耗，是電氣系統(tǒng)是否為節(jié)能設(shè)計(jì)的主要判定標(biāo)準(zhǔn)。

本文主要從減少有色金屬使用量的角度討論變電所接近負(fù)荷中心時(shí)帶來的經(jīng)濟(jì)收益，這也是與綠色節(jié)能密切相關(guān)的內(nèi)容。

由圖1可見，在變電所逐漸向負(fù)荷中心靠近的過程中，載流量大的供電線路的長(zhǎng)度減少，載流量小的供電線路的長(zhǎng)度增加?？傮w來說，變電所接近負(fù)荷中心能減少有色金屬用量，降低造價(jià)成本。

圖1　變電所移向負(fù)荷中心示意圖

1合理選擇變電所位置

從節(jié)能角度考慮，民用建筑內(nèi)部變電所應(yīng)盡量接近負(fù)荷中心，以降低配電系統(tǒng)的電能損耗、電壓損失及有色金屬消耗量。

實(shí)際工程中變電所位置分為供電區(qū)域內(nèi)和供電區(qū)域外兩種情況。

當(dāng)變電所位于供電區(qū)域外時(shí)，變電所越靠近供電區(qū)域越合理。例如，位于地下室的變電所給地上塔樓建筑供電時(shí)，所有變電所出線均從供電區(qū)域外引入供電區(qū)域，這時(shí)，變電所無法位于負(fù)荷中心，但變電所越接近塔樓的投影位置(或豎井)越節(jié)能。

當(dāng)變電所位于供電區(qū)域內(nèi)時(shí)(例如變電所給平層商業(yè)供電)，變電所位于負(fù)荷中心最節(jié)能。

負(fù)荷中心具體位置一般通過負(fù)荷指示圖及負(fù)荷功率距法來近似確定，可以參見相關(guān)書籍，本文不做討論。

由于負(fù)荷中心總負(fù)荷隨季節(jié)和時(shí)段的不同而變化，因此負(fù)荷中心的選擇并不要求十分精確，必要時(shí)可以將變電所饋出線纜的總成本作為考慮因素之一。

2變電所饋出線纜的經(jīng)濟(jì)性分析

當(dāng)變電所位于供電區(qū)域外時(shí)，每接近負(fù)荷中心1m，變電所饋出的所有線纜長(zhǎng)度就會(huì)減少1m，其經(jīng)濟(jì)價(jià)值十分可觀。表1以多項(xiàng)工程的變電所為例，統(tǒng)計(jì)變壓器全部饋線每米總價(jià)格，并得出該價(jià)格與變壓器安裝容量之間的關(guān)系，相關(guān)數(shù)據(jù)可作為工程中的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)使用。

電纜每米價(jià)格標(biāo)準(zhǔn)：YJV按0.71元/mm2計(jì)，WDZA按0.852元/mm2計(jì)，WDZAN按0.938元/mm2計(jì)。例如，10m長(zhǎng)的YJV-3×240+2×120價(jià)格為(3×240+2×120)×0.71×10=6 816元，此值比市場(chǎng)平均價(jià)格偏高30%～50%，僅供參考。

由于變電所饋線電纜種類較多，為方便統(tǒng)計(jì)，電纜統(tǒng)一按0.85元/mm2計(jì)，母線按2元/m·A計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1　變電所饋出線纜統(tǒng)計(jì)表

表1均取自多項(xiàng)工程真實(shí)數(shù)據(jù)，變壓器負(fù)載率比較高、設(shè)計(jì)人員對(duì)電纜截面選擇偏大等原因使結(jié)果差異較大。一般來說，變壓器負(fù)載率較高、饋出回路包含較多主/備用回路時(shí)，饋出電纜的每米總價(jià)格就會(huì)偏高。

為了與表1進(jìn)行對(duì)比，本文還假設(shè)一種理想情況，變電所給多個(gè)供電點(diǎn)供電，每個(gè)點(diǎn)配電箱帶200kW負(fù)荷，該末端配電箱需要系數(shù)取0.8，計(jì)算電流302A，變電所選擇320A開關(guān)，饋線按4×185+1×95電纜考慮。整個(gè)供電區(qū)域均勻布置18個(gè)配電點(diǎn)，變電所變壓器安裝容量計(jì)算約為：S=200×18×0.6/0.9/0.75=3 200kVA，則選取2臺(tái)1 600kVA變壓器。

此變電所饋出18個(gè)回路，每米總價(jià)格為18×(4×185+95)×0.85=12 776元，與變壓器容量比為3.99元/V·A(此時(shí)假設(shè)變壓器負(fù)荷沒有互為備用的饋出回路)。

若上述變電所帶14個(gè)200kW回路，另外帶20個(gè)40kW的主備用回路，40kW饋出線纜按4×50+1×25電纜設(shè)計(jì)。此時(shí)每米總價(jià)格為14×(4×185+95)×0.85+40×(4×50+25)×0.85=17 587元，與變壓器容量比為5.5元/V·A。

通過上述工程實(shí)例及假設(shè)情況可知，變電所饋出電纜每米的價(jià)格與變壓器容量比約為4～6元/V·A，當(dāng)互為備用回路較多時(shí)其值會(huì)偏大，在工程中粗略估算可按5元/V·A作為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。

例如，地下室變電所通過核心筒電氣豎井給地上高層建筑供電，若變電所設(shè)置在地下室某區(qū)域裝機(jī)容量為2×2 000kVA，則可以粗略認(rèn)為變電所每向電氣豎井接近1m，電纜造價(jià)就可以節(jié)省2萬元，接近50m就可節(jié)省100萬元。

當(dāng)變電所位于供電區(qū)域內(nèi)部時(shí)，向負(fù)荷中心接近的過程中，部分線路會(huì)增加距離，部分線路會(huì)減少距離。綜合來說，大截面電纜的距離會(huì)減少，小截面電纜的距離會(huì)增加，越接近負(fù)荷中心，有色金屬消耗越少。根據(jù)變電所偏離負(fù)荷中心的距離，線纜成本增加的程度大致如圖2所示。

圖2　變電所距離負(fù)荷中心距離與電纜成本的關(guān)系

圖2中50m以內(nèi)的陰影區(qū)域?yàn)榧僭O(shè)變電所已經(jīng)位于供電區(qū)域內(nèi)部，所以電纜費(fèi)用變化的程度相對(duì)緩慢。變電所越接近負(fù)荷中心時(shí)，該工程的電纜造價(jià)越低，這可以作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的一種簡(jiǎn)便思路。

3變電所多站點(diǎn)設(shè)置的經(jīng)濟(jì)性分析

上文提到變電所位于負(fù)荷中心有利于節(jié)能及降低成本。但是當(dāng)工程規(guī)模較大、變壓器設(shè)置數(shù)量較多時(shí)，將變壓器集中設(shè)置在負(fù)荷中心并不是最合理的做法，而將工程分為多個(gè)配電區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的負(fù)荷中心設(shè)分變電所的做法會(huì)更節(jié)能。

下面以某假設(shè)工程為例，用電點(diǎn)均勻布置，每個(gè)用電點(diǎn)200kW，從變電所放射電纜配電，假設(shè)布置36個(gè)用電點(diǎn)，則變壓器總安裝容量為S=200kW×36×0.6/0.9/0.75=6 400kVA。此處需要系數(shù)取0.6，變壓器負(fù)載率取0.75，采用4×1 600kVA變壓器給36個(gè)配電點(diǎn)供電。針對(duì)圖3～6中變電所不同的設(shè)置方式，分析各自線路成本，假設(shè)用電點(diǎn)平均間距為L(zhǎng)進(jìn)行計(jì)算。

圖3中變電所4臺(tái)變壓器集中設(shè)置在供電區(qū)域外，變電所距離供電區(qū)域的距離為M。假設(shè)從變電所給供電區(qū)域所有用電點(diǎn)放射式配電，沿橋架敷設(shè)，則由變電所饋出的電纜總長(zhǎng)度S=36×M+180×L(m)。

圖3　變電所集中設(shè)置在配電區(qū)域外

圖4中變電所4臺(tái)變壓器集中設(shè)置在供電區(qū)域內(nèi)的負(fù)荷中心，則由變電所饋出至各用電點(diǎn)的電纜總長(zhǎng)度S=108×L(m)。

圖4　變電所集中設(shè)置在負(fù)荷中心

圖5中變電所分2個(gè)區(qū)域設(shè)置，每個(gè)變電所位于各自供電區(qū)域內(nèi)的負(fù)荷中心，則由變電所饋出至各用電點(diǎn)的電纜總長(zhǎng)度S=78×L(m)。

圖6中變電所分4個(gè)區(qū)域設(shè)置，每個(gè)變電所位于各自供電區(qū)域內(nèi)的負(fù)荷中心，則由變電所饋出至各用電點(diǎn)的電纜總長(zhǎng)度S=48×L(m)。

由上述比較結(jié)果可知，變電所同樣是位于負(fù)荷中心，多站點(diǎn)設(shè)置要比集中設(shè)置省下更多的電纜成本，更節(jié)能。上述多種設(shè)置方式中，高壓總配電箱設(shè)在某一個(gè)變電所內(nèi)，其他變電所不必設(shè)高壓開關(guān)設(shè)備。

如果本例按平層商業(yè)估算，變壓器裝機(jī)指標(biāo)按100VA/m2計(jì)，L約為42m。按變電所不同設(shè)置方式的電纜價(jià)格估算值比較見表2。

圖5　變電所分兩個(gè)區(qū)域設(shè)置

圖6　變電所分四個(gè)區(qū)域設(shè)置

變電所集中設(shè)在供電區(qū)域外變電所集中設(shè)在負(fù)荷中心變電所分別設(shè)在2個(gè)負(fù)荷中心變電所分別設(shè)在4個(gè)負(fù)荷中心饋出線總長(zhǎng)度36×M+180×L108×L78×L48×L饋出線總價(jià)格/萬(L=42m(M=20)電纜按4×185+95價(jià)格每米按0.85元/mm2)51.1+536.6322.1232.6143.1費(fèi)用比較增加444.6萬增加310%增加179萬增加125%增加89.5萬增62.5%基準(zhǔn)(最低)

由表2可見，采用多站點(diǎn)設(shè)置變電所，能讓變壓器更接近負(fù)荷中心，僅電纜成本一項(xiàng)就能節(jié)省可觀的初投資。

4小容量變電所設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)及設(shè)計(jì)措施

上文多站點(diǎn)設(shè)置變電所位于負(fù)荷中心的做法中電纜成本是最低的，同時(shí)能降低電能損耗，在設(shè)計(jì)中如有可能盡量采用。

將一個(gè)大的變電所分為幾個(gè)小容量變電所能更好地深入負(fù)荷中心，且IEC標(biāo)準(zhǔn)也在考慮“當(dāng)建筑面積>20 000m2、需求容量>2 500kVA時(shí)，用多個(gè)小容量變電所供電”。

4.1小容量變電所設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)

許多開發(fā)商偏向于將4臺(tái)、6臺(tái)甚至更多的變壓器集中設(shè)置在一個(gè)變電所內(nèi)，其理由是方便管理、能減少機(jī)房面積及降低造價(jià)，但是這都是沒有依據(jù)的。

從方便管理的角度講，只在重要的區(qū)域或總變電所內(nèi)設(shè)控制保護(hù)裝置時(shí)需要值班人員，其他分變電所均無需值班人員。

從有效利用面積角度考慮，由于分變電所的面積很小，可以很容易地利用建筑邊角空間，相比集中設(shè)置變電所動(dòng)輒要幾百平方米空間要相對(duì)容易。

從降低造價(jià)角度考慮，將變電所集中設(shè)置改為分散設(shè)置就是把部分變壓器及低壓柜分散布置到各分變電所，總的高低壓設(shè)備沒有增減，但是電纜的長(zhǎng)度減少了許多，整體造價(jià)會(huì)大幅降低。

如果分變電所采用1 000kVA及以下的小容量變壓器，高壓側(cè)開關(guān)采用負(fù)荷開關(guān)熔斷器組合保護(hù)即可滿足要求，同時(shí)變壓器低壓側(cè)饋線開關(guān)分?jǐn)嗄芰σ筝^低，有利于降低設(shè)備成本。

小容量變電所還可以兼做區(qū)域低壓配電間使用，由變電所直接給用電設(shè)備配電，省去了一級(jí)配電環(huán)節(jié)，不但供電系統(tǒng)簡(jiǎn)單，而且提高了配電可靠性。

4.2小容量變電所設(shè)計(jì)措施

由于小容量變電所占地面積較小，容易設(shè)置在負(fù)荷中心，但仍不可避免占用商業(yè)價(jià)值較高的區(qū)域。此時(shí)，一方面要算好經(jīng)濟(jì)賬，另一方面也要盡量減少機(jī)房面積，杜絕浪費(fèi)。在設(shè)計(jì)配電設(shè)備的平面布置時(shí)一定要進(jìn)行周密考慮，除了要執(zhí)行規(guī)范要求外，可適當(dāng)減少非必要的間距要求。建議可以從以下幾方面著手考慮：

1)減少干式變壓器前后左右間距要求

GB 50053-2013《20kV及以下變電所設(shè)計(jì)規(guī)范》只對(duì)油浸變壓器及無防護(hù)外殼的干式變壓器距離墻壁的距離提出了要求，故帶防護(hù)外殼的干式變壓器是可以靠墻安裝的，當(dāng)然保持變壓器四周空氣流通是有利于散熱的。

2)充分利用規(guī)范中受限制條件

規(guī)范對(duì)設(shè)備布置的間距要求中經(jīng)常受到建筑平面的限制，一些通道間距需要適當(dāng)縮小，所以此時(shí)可以適當(dāng)減少維護(hù)間距及操作距離。

3)選用柜后無操作和無維修要求的設(shè)備

規(guī)范對(duì)柜后維護(hù)及操作通道提出距離要求，是考慮到工作人員要在柜后維護(hù)或操作(多數(shù)情況下采取柜后維護(hù)操作)，可以方便柜體的設(shè)計(jì)及柜內(nèi)設(shè)備的布置。但是當(dāng)受到建筑平面限制時(shí)，柜廠也可以在設(shè)計(jì)柜體時(shí)只考慮柜前維修操作，這種柜體是可以靠墻安裝的。常見的抽屜柜及固定柜都可以做成靠墻安裝的形式。

從上述幾方面考慮，放置2臺(tái)800kVA變壓器的變電所只需要不到40m2的空間，如圖7所示(即3個(gè)車位)。

圖7　占用車位的變電所示意圖

對(duì)于高度超過150m的建筑，設(shè)計(jì)中經(jīng)?？紤]將變電所設(shè)置在地上樓層中，既可以節(jié)約線纜長(zhǎng)度，也能降低線路運(yùn)行損耗。對(duì)于高度低于100m的建筑，也可以考慮采用這種方式，圖8所示為樓上末端變電所，專門供電給高層辦公照明。

圖8　末端變電所示意圖

需要注意的是，當(dāng)小容量變電所設(shè)在樓上辦公樓區(qū)域，要考慮電磁干擾及振動(dòng)對(duì)周圍環(huán)境的影響，另外運(yùn)輸問題也應(yīng)當(dāng)考慮。

5結(jié)束語

本文主要對(duì)變電所位于負(fù)荷中心的經(jīng)濟(jì)性效益進(jìn)行了分析，其實(shí)不但變電所要位于負(fù)荷中心，各級(jí)配電都要盡量靠近各自的負(fù)荷中心以減少供電線路的距離。

在GB 50189-2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中提到“變電所到末端用電點(diǎn)的距離不超過250m為宜”，這也被設(shè)計(jì)人員作為設(shè)計(jì)依據(jù)，甚至認(rèn)為供電半徑滿足250m即可認(rèn)為是綠色建筑，筆者認(rèn)為這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)定得偏低。按照這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)出來的工程，供電距離長(zhǎng)、線損大，很難算是節(jié)能建筑。因?yàn)榫G色建筑是高標(biāo)準(zhǔn)節(jié)能產(chǎn)品，所以應(yīng)該適當(dāng)提高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，如主要干線供電距離不宜超過150m等，如此必能帶來更高的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益，也不會(huì)為設(shè)計(jì)帶來較大的困難。上述只是筆者個(gè)人的一些看法，若有不恰當(dāng)?shù)闹幷?qǐng)同仁批評(píng)指正。

參考文獻(xiàn)

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[2]GB 50189-2015公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)工業(yè)出版社，2016.

變電所位于負(fù)荷中心的經(jīng)濟(jì)性分析

陶云飛

(深圳華森建筑與工程設(shè)計(jì)顧問有限公司，北京 100044)

摘要對(duì)變壓器是否集中設(shè)置及是否位于負(fù)荷中心進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)、技術(shù)方面的比較，推薦變電所采用小容量、多站點(diǎn)的設(shè)置方式，以達(dá)到更好的節(jié)能及降低經(jīng)濟(jì)成本的目的。

關(guān)鍵詞負(fù)荷中心變電所小容量