Комплексный анализ технологий однофазных распределительных трансформаторов в различных сценариях применения

Приведите 10-киловольтную линию к центру нагрузки. Следуя принципу «малая мощность, плотные точки, короткий радиус», примите новую одиночную фазовую схему распределения, которая отличается значительным снижением потерь на низком напряжении, высоким качеством и надежностью электроэнергии. Сравнивая экономичность и надежность однофазных и трехфазных трансформаторов в различных сценариях, данная статья анализирует их область применения и рекомендации по использованию.Однофазные трансформаторы классифицируются по способу распределения: либо с нейтральной точкой на стороне 10 кВ не выведенной (средневольтная сторона подключена к линейному напряжению U_AB/U_BC/U_AC, «фаза-к-фазе»), либо с выведенной нейтральной линией на стороне 10 кВ (средневольтная сторона подключена к фазному напряжению U_AN/U_BN/U_CN, «фаза-к-земле»), как показано на рисунках 1 и 2.

1 Анализ потерь в однофазной системе распределения

В однофазной системе распределения потери в сети в основном происходят из трех источников: потери однофазных трансформаторов, потери высоковольтных линий распределения и потери низковольтных линий распределения. На примере типа D11 расчет и анализ комплексных потерь на линии приведены ниже.

1.1 Однофазный режим распределения и напряжение на высоковольтной стороне

На высоковольтной стороне используется однофазный режим распределения и подключение между линейными напряжениями; на низковольтной стороне используется однофазная трехпроводная система. Потери мощности в зоне распределения рассчитываются следующим образом:

В формуле R_L — сопротивление линии, R_dz — эквивалентное сопротивление низковольтной линии (единица: Ω); U — 10 кВ, T — 8760 часов (годовые часы работы), и U_pj — 0,38 кВ (среднее напряжение на низковольтной стороне). ΔP — активная энергия, зарегистрированная вторичным учетом (единица: кВт·ч); ΔQ — реактивная энергия, зарегистрированная вторичным учетом (единица: кВт·ч); K — коэффициент коррекции, связанный с кривой нагрузки, со значением 1,8.

1.2 Однофазный режим распределения (высоковольтная сторона подключена к фазному напряжению)

На высоковольтной стороне используется однофазный режим распределения и подключение между фазными напряжениями. На низковольтной стороне используется однофазная трехпроводная система. Формула расчета потерь мощности в зоне распределения приведена ниже:

2 Сравнение применения в различных сценариях

На примере определенного региона были выбраны несколько типичных сценариев применения для сравнения экономической эффективности однофазного и трехфазного методов распределения электроэнергии в различных зонах распределения. (Учитывая 15-летний жизненный цикл и стоимость электроэнергии 0,6083 юаня/кВт·ч)

2.1 Малые деревни с разбросанными нагрузками

Деревня №1 имеет 37 жилых пользователей, включая 33 однофазных и 4 трехфазных. Емкость распределительного трансформатора составляет 100 кВА, длина линии 10 кВ составляет 838 метров, длина низковольтной линии составляет 2170 метров, максимальная нагрузка составляет 40 кВт, а годовые часы потерь составляют 3400 часов.

• Трехфазное питание: Инвестиции составляют около 401 000 юаней, а общие экономические потери за жизненный цикл составляют около 125 000 юаней.

• Гибридное однофазное/трехфазное питание: Инвестиции составляют около 512 000 юаней, а общие экономические потери составляют около 38 000 юаней.

Заключение: Общие инвестиции в гибридную систему на 24 000 юаней выше, чем в трехфазную систему.

2.2 Деревни, недоступные для высоковольтных линий

Деревня №2 имеет 75 жилых пользователей. Емкость распределительного трансформатора составляет 150 кВА, длина линии 10 кВ составляет 752 метра, а длина низковольтной линии составляет 1583 метра. Из-за ограничений коридора линии, линия 10 кВ не может обеспечить питание поблизости, что приводит к максимальной длине линии после счетчика около 1008 метров и минимальному напряжению на конце линии 179 В. Максимальная нагрузка составляет 88 кВт, а годовые часы потерь составляют 3400 часов.

• Трехфазное питание: Инвестиции составляют около 334 000 юаней, а общие экономические потери за жизненный цикл составляют около 195 000 юаней.

• Однофазное питание: Используя однофазные трансформаторы мощностью 10 кВА и 20 кВА, инвестиции составляют около 468 000 юаней, а общие экономические потери составляют около 27 000 юаней.

Заключение: Однофазная система экономит около 34 000 юаней в общей сумме инвестиций по сравнению с трехфазной системой.

2.3 Большие деревни с концентрированными нагрузками

Деревня №3 имеет 210 жилых пользователей, включая 209 однофазных и 1 трехфазный. Емкость распределительного трансформатора составляет 400 кВА, длина линии 10 кВ составляет 855 метров, длина низковольтной линии составляет 1968 метров, максимальная нагрузка составляет 120 кВт, а годовые часы потерь составляют 3400 часов.

• Трехфазное питание: Инвестиции составляют около 427 000 юаней, а общие экономические потери за жизненный цикл составляют около 226 000 юаней.

• Гибридное однофазное/трехфазное питание: Заменяя исходный трансформатор на трехфазный трансформатор мощностью 100 кВА и используя однофазные трансформаторы мощностью 10 кВА/20 кВА для удаленных нагрузок, инвестиции составляют около 710 000 юаней, а общие экономические потери составляют около 61 000 юаней.

Заключение: Общие инвестиции в гибридную систему на 118 000 юаней выше, чем в трехфазную систему.

2.4 Городские уличные зоны нагрузки

Рынок №4 имеет 171 пользователя (все однофазные), с нагрузками, распределенными по обе стороны городской улицы (смесь жилых и коммерческих объектов). Емкость распределительного трансформатора составляет 500 кВА, длина линии 10 кВ составляет 385 метров, длина низковольтной линии составляет 748 метров, максимальная нагрузка составляет 375 кВт, а годовые часы потерь составляют 3400 часов.

• Трехфазное питание: Инвестиции составляют около 250 000 юаней, а общие экономические потери за жизненный цикл составляют около 751 000 юаней.

• Однофазное питание: Используя однофазные трансформаторы мощностью 10 кВА и 20 кВА, инвестиции составляют около 419 000 юаней, а общие экономические потери составляют около 291 000 юаней.

Однофазная система экономит около 291 000 юаней в общей сумме инвестиций по сравнению с трехфазной системой. Применение методов распределения электроэнергии в этих типичных сценариях показано в таблице 1.

3 Анализ применимости однофазного распределения

В городских районах с высокой плотностью нагрузки однофазное распределение не подходит по двум причинам: 1) более высокие затраты на инвестиции из-за отсутствия экономии масштаба трансформаторов; 2) ограниченный потенциал снижения потерь на коротких низковольтных линиях.

В сельских районах с потребностями в трехфазном питании (например, орошение полей) требуются гибридные системы однофазного/трехфазного питания. Выбирайте однофазные подключения «фаза-к-фазе», чтобы избежать дорогостоящего переоборудования линии 10 кВ.

Экономические пороги

• Емкости трансформаторов: 50/100/150/200 кВА

• Длины линий: 1–3 км (с шагом 0,5 км)

• Максимальная нагрузка: 50% от емкости трансформатора

• Годовые часы потерь: 3 400

Количественный анализ показывает, что экономическая эффективность изменяется в зависимости от длины линии и нагрузки. Гибридные системы помогают оптимизировать инвестиции и минимизировать потери.

4 Основные выводы

В заключение, инвестиции и потери распределительных трансформаторов демонстрируют экономию масштаба. Широкое использование однофазного распределения электроэнергии не является оптимальным подходом. Его экономическую целесообразность следует оценивать на основе длины линий распределения и потребления электроэнергии. В целом, когда емкость трехфазного распределительного трансформатора в зоне распределения достигает 150 кВА, а длина низковольтной линии превышает 1,5 километра, переход от трехфазного режима распределения к однофазному становится экономически выгодным.