СЕТИ РОССИИ
106
Анализ рациональной
мощности трансформаторной
подстанции напряжением 20 кВ
района города
Естественный рост электрических нагрузок привел к переходу распределитель-
ных сетей на новый класс напряжения 20 кВ. Однако для нового класса напря-
жения еще не выявлены конечные решения по многим вопросам. Одним из та-
ких является выбор мощности трансформаторных подстанций. Приводится
оригинальная модель системы электроснабжения района города высокоплот-
ной застройки с выделением трансформаторной подстанции 20/0,4 кВ (ТП) и рас-
пределительных сетей низкого напряжения. На основе представленной модели
определяется рациональная установленная мощность трансформаторов ТП.
Виктор КОТЛЯРОВ, магистр, кафедра
Электроэнергетических систем НИУ «МЭИ»
Галактион ШВЕДОВ, к.т.н., доцент кафедры Электроэнергетических систем
НИУ «МЭИ»
По
материалам
II
Всероссийской
конференции
«
ТЕХНИКО
-
ЭКОНОМИЧЕСКИЕ
АСПЕКТЫ
РАЗВИТИЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
СЕТЕЙ
20
кВ
»
З
адача
определения
рациональной
мощности
трансформатора
является
типовой
в
практике
проектирования
и
занимает
достаточной
большой
объ
-
ем
вычислений
.
С
другой
стороны
,
эта
задача
может
быть
решена
теоретически
.
Базируясь
на
определенных
допущениях
и
идеализации
распределительной
электрической
сети
,
можно
разработать
ее
модель
,
и
,
определив
целевую
функцию
затрат
,
выразить
оптимальную
мощ
-
ность
трансформаторов
трансформаторной
подстанции
20/0,4
кВ
(
ТП
)
в
виде
расчетной
формулы
.
Рассматривая
задачу
в
рамках
проектиро
-
вания
можно
определить
исходные
данные
,
которыми
являются
суммарная
мощность
на
-
грузки
потребителя
электроэнергии
или
по
-
верхностная
плотность
нагрузки
.
А
также
за
-
дать
конечную
цель
—
определить
количество
и
мощность
ТП
.
Для
упрощения
типового
проектирования
возможно
определить
экономически
целесоо
-
бразную
мощность
трансформаторов
ТП
че
-
рез
поверхностную
плотность
нагрузки
.
Тогда
для
конкретного
микрорайона
рассчитывается
значение
суммарной
нагрузки
потребителей
электроэнергии
,
и
,
зная
площадь
микрорайо
-
на
,
определяется
поверхностная
плотность
на
-
грузки
.
Затем
,
используя
готовую
зависимость
по
данному
значению
,
определяем
экономиче
-
ски
целесообразную
мощность
одной
ТП
.
Зная
суммарную
нагрузку
и
мощность
одной
ТП
,
на
-
ходят
количество
ТП
.
Таким
образом
,
необходимо
получить
зави
-
симость
экономически
целесообразной
мощ
-
ности
трансформаторов
ТП
от
поверхностной
плотности
нагрузки
.
Очевидно
также
,
что
выбор
максимальной
мощности
подстанций
ограничивается
транс
-
портной
системой
города
.
К
таким
факторам
можно
отнести
линейные
габариты
ТП
с
учетом
контактной
сети
городского
наземного
электро
-
транспорта
и
допустимый
вес
груза
(
ТП
)
при
его
перевозке
по
дорогам
и
мостам
.
В
первую
очередь
необходимо
определить
основные
параметры
электрической
сети
,
со
-
ответствующие
современному
городскому
рай
-
ону
.
В
таком
районе
мощность
потребителей
э
л
е
к
т
р
и
ч
е
с
к
и
е
с
е
т
и
2
0
к
В
электрические сети 20 кВ
107
Рис
. 1.
Сеть
среднего
напряжения
:
а
)
для
большей
мощ
-
ности
ТП
,
б
)
для
меньшей
мощности
ТП
Рис
. 2.
Сеть
низкого
напряжения
:
а
)
для
большей
мощ
-
ности
ТП
;
б
)
для
меньшей
мощности
ТП
. 1–8 —
пункты
потребления
электроэнергии
первой
и
второй
категории
надежности
составляет
60–80%.
В
этих
условиях
рациональна
полная
авто
-
матизация
сетей
6–20
кВ
.
Согласно
[1]
допускается
применение
автоматизированных
схем
для
питания
электроприемников
второй
категории
,
если
их
при
-
менение
приводит
к
увеличению
затрат
сети
не
бо
-
лее
чем
на
5%.
Поэтому
принято
,
что
количество
трансформато
-
ров
в
ТП
равно
двум
,
а
также
количество
цепей
ли
-
нии
сети
низкого
напряжения
кратно
двум
.
Рассматривая
сеть
среднего
напряжения
20
кВ
,
не
-
обходимо
отметить
,
что
она
практически
не
влияет
на
выбор
мощности
ТП
.
Затраты
на
кабельную
сеть
за
-
висят
от
сечения
кабеля
и
суммарной
длины
кабеля
.
Сечение
кабеля
выбирается
исходя
из
значения
сум
-
марной
мощности
,
передаваемой
по
кабельной
ли
-
нии
,
а
суммарная
длина
зависит
от
расположения
ТП
в
микрорайоне
.
При
изменении
мощности
ТП
будет
изменяться
число
ТП
в
одной
магистрали
,
а
,
следо
-
вательно
,
будет
изменяться
расстояние
между
ними
,
но
суммарная
длина
линий
сети
среднего
напряжения
от
источника
питания
до
последней
ТП
в
магистрали
изменяться
практически
не
будет
(
рисунок
1).
Следует
отметить
,
что
нельзя
выбирать
мощ
-
ность
ТП
без
рассмотрения
кабельной
сети
низкого
напряжения
.
Удельные
затраты
на
передачу
элек
-
троэнергии
через
ТП
без
учета
кабельной
сети
будут
всегда
минимальны
,
а
значит
значение
мощности
ТП
будет
всегда
максимально
возможным
с
учетом
технических
ограничений
.
Данный
подход
не
может
быть
верным
,
так
как
чем
больше
мощность
ТП
,
тем
сложнее
кабельная
сеть
низкого
напряжения
,
а
зна
-
чит
,
что
и
затраты
на
нее
необходимо
учитывать
.
Это
связано
с
тем
,
что
имея
б
ó
льшую
мощность
ТП
,
зона
обслуживания
ТП
увеличивается
,
а
значит
,
удлиняется
и
«
утяжеляется
»
кабельная
сеть
.
Увели
-
чение
мощности
ТП
приведет
к
уменьшению
количе
-
ства
ТП
,
но
и
к
увеличению
суммарной
длины
КЛ
НН
.
Уменьшение
мощности
ТП
приведет
к
увеличению
количества
ТП
,
но
и
к
уменьшению
суммарной
дли
-
ны
КЛ
НН
(
рисунок
2).
Таким
образом
,
выбирать
мощность
ТП
надо
так
,
чтобы
затраты
на
подстанцию
и
кабельные
линии
были
минимальны
.
а
)
L
СН
1
а
)
б
)
б
)
L
СН
2
Суммарные
затраты
на
распределительную
сеть
имеют
следующий
вид
:
З
СЕТИ
=
З
ТП
+
З
НН
,
где
З
ТП
—
затраты
на
ТП
,
З
НН
—
затраты
на
сеть
низ
-
кого
напряжения
0,38
кВ
.
Рассмотрение
затрат
на
подстанцию
аналогично
во
множестве
работ
,
например
[2],
и
имеет
следую
-
щий
вид
:
З
ТП
=
К
ТП
+
И
ПОТ
∑
ТП
,
где
К
ТП
—
суммарные
капиталовложения
на
соору
-
жение
электрической
сети
,
И
ПОТ
∑
ТП
—
суммарные
из
-
держки
на
передачу
электроэнергии
через
ТП
.
Издержки
на
передачу
электроэнергии
в
транс
-
форматорах
выражены
в
следующем
виде
:
И
ПОТ
∑
ТП
=
с
Х
·
n
Т
·
∆
P
ХХ
·
T
РАБ
+
с
К
·
n
Т
·
к
З
2
·
∆
P
КЗ
· ,
где
с
Х
и
с
К
—
стоимость
потерь
холостого
хода
и
ко
-
роткого
замыкания
электроэнергии
одного
кВт
·
ч
;
n
Т
—
число
трансформаторов
в
ТП
;
∆
P
ХХ
,
∆
P
КЗ
—
потери
мощности
в
трансформаторе
в
режиме
холостого
хода
и
короткого
замыкания
,
кВт
;
T
РАБ
—
время
работы
трансформатора
за
год
;
к
З
—
коэффициент
загрузки
трансформаторов
; —
время
наибольших
потерь
.
Капиталовложения
зависят
от
мощности
транс
-
форматоров
в
явном
,
линейном
или
параболическом
виде
:
К
ТП
=
К
'
ТП
+
К
''
ТП
·
S
ТП
НОМ
,
К
ТП
=
К
'
ТП
+
К
''
ТП
·
S
ТП
НОМ
+
К
'''
ТП
·
S
2
ТП
НОМ
,
где
К
'
ТП
—
часть
стоимости
,
независимая
от
мощно
-
сти
установленных
трансформаторов
;
S
ТП
НОМ
—
но
-
минальная
мощность
ТП
;
К
''
ТП
и
К
'''
ТП
—
коэффициенты
,
учитывающие
зависимость
стоимости
от
установ
-
ленной
мощности
трансформаторов
.
В
свою
очередь
потери
холостого
хода
∆
P
ХХ
и
ко
-
роткого
замыкания
∆
P
КЗ
также
имеют
явную
,
линей
-
ную
зависимость
от
мощности
трансформаторов
:
∆
P
ХХ
=
∆
P
ХХ
0
+
∆
P
ХХ
S
·
S
ТП
НОМ
,
∆
P
КЗ
=
∆
P
КЗ
0
+
∆
P
КЗ
S
·
S
ТП
НОМ
,
где
∆
P
ХХ
0
и
∆
P
КЗ
0
—
потери
холостого
хода
и
короткого
замыкания
,
независящие
от
мощности
;
∆
P
ХХ
S
и
∆
P
КЗ
S
—
коэффициенты
,
соответственно
учитывающие
зави
-
симость
потерь
холостого
хода
и
короткого
замыкания
от
номинальной
мощности
трансформатора
.
№
6 (39) 2016
108
СЕТИ РОССИИ
Затраты
на
сеть
низшего
напряжения
имеют
сле
-
дующий
вид
:
З
НН
=
К
НН
+
И
ПОТ
∑
НН
.
Капиталовложения
в
кабельные
линии
можно
вы
-
разить
через
удельную
стоимость
одного
километра
линии
К
0
Н
и
суммарную
длину
кабельных
линий
L
КЛ
:
К
НН
=
К
0
Н
·
L
КЛ
.
Рассмотрение
затрат
на
кабельные
линии
имеет
более
сложный
вид
и
зависит
от
схемы
построения
выбранной
сети
.
Суммарная
длина
кабельных
линий
зависит
от
мощности
ТП
,
но
не
в
явном
виде
.
Необходимо
рас
-
смотреть
модель
сети
0,38
кВ
,
в
которой
будет
вы
-
ражено
значение
суммарной
или
средней
длины
ка
-
бельной
линии
от
мощности
ТП
.
В
ранее
выполненных
работах
[2–6]
авторы
рас
-
сматривают
идеализированную
топологическую
мо
-
дель
района
города
в
виде
квадрата
.
Данное
допуще
-
ние
,
как
правило
,
принимается
в
случае
применения
петлевых
кабельных
сетей
низкого
напряжения
.
Построение
сети
0,38
кВ
современных
районов
города
принято
выполнять
по
радиальной
схеме
(
ри
-
сунок
3),
что
связано
с
высокой
плотностью
нагрузки
,
а
значит
большой
мощностью
вводных
распредели
-
тельных
устройств
зданий
.
В
таком
случае
,
идеали
-
зированный
район
имеет
форму
круга
или
овала
,
что
связано
с
вытянутостью
многоподъездных
домов
.
Также
необходимо
учесть
,
что
КЛ
располагаются
не
по
наикратчайшему
пути
,
а
с
учетом
наличия
дорог
и
тротуаров
.
Учитывается
и
то
,
что
при
унификации
сечений
кабельных
линий
до
одного
,
возможна
не
максимальная
загрузка
такого
кабеля
.
Тогда
выражение
для
значения
длины
кабельной
линии
будет
иметь
следующий
вид
:
S
ТП
3/2
L
КЛ
=
L
0
S
·
–
,
·
S
ДОП
где
L
0
S
—
коэффициент
,
учитывающий
конфигура
-
цию
сети
низкого
напряжения
,
S
ДОП
—
максимально
допустимая
мощность
кабельной
линии
по
усло
-
вию
длительно
-
допустимого
нагрева
.
Рассмотрев
все
составляющие
затрат
,
получили
выражение
для
поиска
рациональной
мощности
ТП
:
D
–
A
+
C
·
S
2
ТП
+ — ·
S
ТП
3/2
= 0,
2
где
A
,
C
,
D
—
обобщающие
коэффициенты
.
Рис
. 3.
Модель
кабельной
сети
низкого
напряжения
Рис
. 4.
Зависимость
мощности
трансформаторной
подстанции
от
плотности
нагрузки
микрорайона
ТП
1
2
3
4
5
6
В
результате
полученной
модели
определена
зависимость
затрат
на
сооружение
и
эксплуата
-
цию
ТП
и
сети
низкого
напряжения
от
мощности
ТП
.
Получено
,
что
для
современных
микрорайо
-
нов
,
характеризующихся
поверхностной
плотно
-
стью
нагрузки
в
диапазоне
от
40
до
50
МВт
/
км
2
,
ра
-
циональная
мощность
ТП
соответствует
установке
двух
трансформаторов
мощностью
1250–1600
кВА
каждый
(
рисунок
4).
Следует
отметить
,
что
результат
получен
при
определенных
соотношениях
стоимости
ТП
и
КЛ
НН
.
При
выборе
оборудования
различных
заводов
-
из
-
готовителей
результат
может
изменяться
.
При
уве
-
личении
стоимости
ТП
(
К
ТП
)
полученный
результат
будет
сдвигаться
вправо
.
При
увеличении
стоимости
КЛ
НН
(
К
КЛ
НН
)
полученный
результат
будет
сдвигать
-
ся
влево
.
ЛИТЕРАТУРА
1.
Шведов
Г
.
В
.
Электроснабжение
городов
:
электро
-
потребление
,
распределительные
сети
.
Учебное
пособие
.
М
.:
Издательский
дом
МЭИ
, 2012. 268
с
.
2.
Козлов
В
.
А
.
Электроснабжение
городов
.
Л
.:
Энерго
-
атомиздат
,
Ленинградское
отделение
, 1988. 264
с
.
3.
Зорин
В
.
В
.,
Перепеченный
А
.
Г
.,
Дубов
В
.
А
.
Опре
-
деление
наивыгоднейшего
соотношения
затрат
на
ТП
и
сеть
0,4
кВ
с
учетом
динамики
роста
нагрузок
.
В
кн
.:
Опыт
проектирования
систем
электроснаб
-
жения
городов
.
Под
ред
.
В
.
А
.
Козлова
.
Л
.:
Энергия
,
1973.
4.
Мрзел
Ю
.
Технико
-
экономический
анализ
и
опти
-
мизация
основных
параметров
электрических
сетей
систем
электроснабжения
города
.
Диссер
-
тация
на
соискание
ученой
степени
кандидата
тех
-
нических
наук
.
М
.:
МЭИ
, 1975. 209
с
.
5.
Кханал
П
.
П
.
Закономерности
формирования
оп
-
тимальных
параметров
и
основные
алгоритмы
автоматизированного
проектирования
городских
распределительных
электрических
сетей
.
Диссер
-
тация
на
соискание
ученой
степени
кандидата
тех
-
нических
наук
.
М
.:
МЭИ
, 1979. 306
с
.
6.
Киселев
А
.
Н
.
Технико
-
экономический
анализ
го
-
родских
распределительных
электрических
сетей
с
учетом
их
развития
.
Диссертация
на
соискание
ученой
степени
кандидата
технических
наук
.
М
.:
МЭИ
, 2002. 107
с
.
S
ТП
,
кВА
,
МВт
/
км
2
– 2×1420
-
-
-
-
– 2×1410
-
-
-
-
– 2×1400
-
-
-
-
– 2×1390
-
-
-
-
– 2×1380
-
-
-
-
– 2×1370
-
-
-
- -
-
-
-
–
-
-
-
-
–
-
-
-
-
–
-
-
-
-
–
-
-
-
-
–
-
-
-
-
–
-
-
-
-
–
30
35
40
45
50
55
60
К
ТП
К
КЛ
НН
Оригинал статьи: Анализ рациональной мощности трансформаторной подстанции напряжением 20 кВ района города
По материалам II Всероссийской конференции «ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ 20 кВ». Естественный рост электрических нагрузок привел к переходу распределительных сетей на новый класс напряжения 20 кВ. Однако для нового класса напряжения еще не выявлены конечные решения по многим вопросам. Одним из таких является выбор мощности трансформаторных подстанций. Приводится оригинальная модель системы электроснабжения района города высокоплотной застройки с выделением трансформаторной подстанции 20/0,4 кВ (ТП) и распределительных сетей низкого напряжения. На основе представленной модели определяется рациональная установленная мощность трансформаторов ТП.
