0引言

在常規(guī)的380/220 V用電負荷供電系統(tǒng)中,為降低供電回路的供電成本和減少線路損耗,通常會把供電距離控制在300 m范圍以內。但是,在城市道路照明的供電系統(tǒng)中,由于低壓電源點相對較少,通常采用的是城市公用環(huán)網柜輸出10 kV電壓,再經由路燈箱式變壓器降壓后輸出220/380 V電源至用電負荷的供電方式;且路燈負荷具有功率小、負荷分散的特點,如果按照常規(guī)的300 m以內的供電距離標準來布置電源點,需要在城市道路中設置大量密集的箱式變壓器和配電設施。這不僅會大幅增加供電系統(tǒng)的初始投資成本,還會因為大量的供電設備及其維護工作而提高長期運營成本。因此,在實際應用中,通過適當延長路燈的供電距離,可以有效降低供電成本和維護成本。

本文將以城市道路照明的供電系統(tǒng)為例,對低壓供電的經濟性進行分析。

1路燈的功率計算

城市道路主要分為主干路、次干路和支路三個等級。根據城市規(guī)劃與交通設計規(guī)范,三個等級的道路在紅線寬度上存在相應的范圍,如表1所示。

取紅線寬度的平均值,可以得出主干路平均紅線寬度為50 m,次干路平均紅線寬度為45 m,支路的平均紅線寬度為22.5 m。

按人行道、行道樹平均寬度4.5 m,非機動車道平均寬度4 m,側分帶平均寬度2 m計算,主干路平均機動車道寬度為:

且有三個道路等級對應的機動車道照明功率密度限值(LPD)如表2所示。

按設計機動車道功率密度為機動車道照明功率密度限值的80%取值,則根據功率計算公式:

P=LPD×0.8× W

式中:P為道路平均單位長度功率;LPD為機動車道照明功率密度限值;W為機動車道寬度。

可得主干路平均單位長度功率:

P_主干路=0.85×0.8×29=19.72 W/m

次干路平均單位長度功率:

P_次干路=0.55×0.8×24=10.56 W/m

支路平均單位長度功率:

P_支路=0.4×0.8× 13.5=4.32 W/m

一般情況下,單排路燈通常使用5芯電纜,兩回路交錯供電,如圖1所示。兩回路各用1芯相線、中性線,兩回路共用地線。

主干路、次干路的常規(guī)路燈布置方式為雙側對稱布置,支路一般采用單側布置方式。由此可知,主干路、次干路為4條供電回路,支路為2條供電回路。根據公式:

ΔP=P/n

式中:ΔP為回路平均單位長度功率;P為道路平均單 位長度功率;n為供電回路數量。

可得:

ΔP主干路=19.72/4=4.93 W/m

ΔP次干路=10.56/4=2.64 W/m

ΔP支路=4.32/2=2.16W/m

2 過負荷保護計算

當供電線路的運行負荷功率超出其組成設備的額定功率時,會導致設備因過負荷運行產生溫升,進而破壞其功能并降低其可靠性。為確保供電線路及設備的穩(wěn)定運行,過負荷保護必須在設備受損之前及時切斷電源,從而保障整個供電系統(tǒng)的安全。

根據電流計算公式:

I_B=(ΔPl/220)/COS φ

式中:I_B為回路計算電流;l為供電距離;COS φ為功率因數,路燈一般為0.95。

可得:

I_B主干路=(4.93l/220)/0.95≈0.024lA

I_B次干路=(2.64l/220)/0.95≈0.013lA

I_B支路=(2.16l/220)/0.95≈0.01lA

且過負荷保護電器的動作特性應符合下列公式的要求:

1.2I_B≤I_n≤I_z^[3]

式中:I_B為回路計算電流;In為斷路器的整定電流;Iz 為導體允許持續(xù)載流量。

由此可得5芯銅芯電纜導體允許持續(xù)載流量與斷路器整定電流對照如表3所示。

可求得:

1.2IB主干路≈0.029l≤In

1.2IB次干路≈0.016l≤In

1.2IB支路=0.012l≤In

則根據過負荷保護計算得出各等級道路最大供電距離與電纜截面積對照如表4所示。

3線路壓降計算

在低壓遠距離供電場景中,為確保照明燈具的穩(wěn)定性和照明效果,必須充分考慮線路的壓降影響。在正常運行狀態(tài)下,燈具的端電壓應當維持在不低于其額定電壓的90%的水平^[4],這樣可以有效保障燈具正常工作,并避免因電壓過低而引發(fā)性能下降或故障。

壓降的計算有負荷矩和電流矩兩種表示方法。在本次計算中,采用負荷矩的表示方法來計算線路的壓降。路燈的線路種類為接相電壓的單相負荷線路,為計算方便,可等效為供電距離一半的終端負荷。

根據壓降計算公式^[5]:

式中:Δu%為線路壓降百分數;U_nph為標稱相電壓;R'_o為線路單位長度電阻;X"_o為線路單位長度感抗,其值可取X'_o值;P為有功功率;l為線路長度。

銅芯電纜的單位長度電阻及感抗如表5所示。

查表可得區(qū)間電阻率平均值為21.681 Ω·mm²/m,感抗率平均值為1.919 Ω·mm²/m,可近似求得:

R'_o=21.681/C

X'_o=1.919/C

式中:C為電纜截面積。

代入壓降計算公式,可得出電纜截面積與最大供電距離的關系為:

代入P=ΔPl得:

同理可得:

則根據壓降計算得出各等級道路最大供電距離 與電纜截面積對照如表6所示。

4短路保護計算

鑒于城市道路照明供電線路通常具有較長的供電距離,當線路末端發(fā)生短路時,產生的短路電流相對較小。因此,在選擇電纜時必須經過短路保護計算,確保斷路器的瞬時脫扣器能夠準確識別故障線路中的短路電流,并作出及時反應。

根據關于線路末端故障情況下故障電流的計算 公式:

式中:U₀為標稱相電壓;C為相導體截面積;ρ為20℃時導體電阻率;m為每相導體總截面積與PE導體截面積之比;L為電纜長度;k₁為電纜電抗校正系數;k₂為多根相導體并聯(lián)使用的校正系數;n為每相并聯(lián)的導體根數。

可得線路末端故障情況下故障電流:

根據規(guī)范要求,線路末端故障情況下的故障電流Ik應不小于斷路器瞬時脫扣器的整定電流的1.3倍^[6]。由于路燈供電線路的短路電流較小,斷路器一般采用瞬時脫扣電流較小的B型脫扣曲線,有:

I₃=5I_n

式中:I_n為斷路器整定電流;I₃為斷路器瞬時過電流脫扣器整定電流。

代入過負荷保護計算公式可得:

5×1.2I_B主干路=0.145l≤5I_n=I₃

5×1.2I_B次干路=0.08l≤5I_n=I₃

5×1.2I_B支路=0.06l≤5I_n=I₃

根據I_k≥1.3I₃可得:

3 213.407C/l_主干路 ≥1.3×0.145l_主干路

l_主干路≤130.565√ C

同理可得:

l次干路≤175.779√ Cl支路≤231.423√ C

綜合過負荷保護計算、線路壓降計算、短路保護計算得出的最大供電距離,取最小值可得出各等級道路最大供電距離與電纜截面積對照如表7所示。

5 供電成本計算

查詢《福州市建設工程材料價格安裝專業(yè)》2023年版可知,供電系統(tǒng)中材料綜合單價如表8所示。

在城市道路中,10 kV環(huán)網柜分布廣泛且密集,路燈箱變可就近接入10 kV電源,所以路燈箱變及其10 kV進線的成本基本相同,可以按綜合造價30萬元估算。則最大供電距離的供電成本為:

CO=(R×l×2×n+300 000)× m

式中:CO為供電成本;R為電纜單價;l為供電距離;n為電纜根數;m為電源數量。

可求得供電成本如表9所示。

以道路長度為3 km的主干路為例,查表9可知有3種供電方案:1)設置5個電源,采用6 mm2電纜供電;2)設置3個電源,采用16 mm2 電纜供電;3)設置2個電源,采用35mm2電纜供電。根據成本計算公式可求得:

CO_5電源=(246.65×300×2×2+300 000)×5

CO_5電源=297.99萬元

同理可求:

CO_3電源=286.644萬元

CO_2電源=433.794萬元

對比3種供電方案成本可知,道路長度為3 km的主干路,設置3個電源,采用16 mm² 電纜供電,是最經濟的供電方案。

6結語

本文綜合考慮城市道路照明負荷功率小且分散 的特點,進行了深入的計算分析,從以下三個方面詳細探討了供電方案的制定原則:

1)線路負荷功率與電纜載流量、斷路器整定電流之間的相互關聯(lián)。

2)線路負荷功率與電纜截面積、供電距離之間的相互關聯(lián)。

3)短路故障電流與電纜截面積、供電距離、斷路器瞬時脫扣器整定電流之間的相互關聯(lián)。

另外,還結合材料價格,舉例分析了不同供電方案在經濟性上的優(yōu)劣,為供電方案的選擇提供了支持。

[參考文獻]

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[4]李玉幸,狄彥強,李顏頤,等.電壓偏差在低壓配電系統(tǒng)中的計算及優(yōu)化[J].智能建筑電氣技術,2020,14 (1):75-78.

[5]劉屏周.工業(yè)與民用供配電設計手冊[M].4版.北京:中國電力出版社,2016.

[6]民用建筑電氣設計標準:GB51348—2019[S].

2024年第15期第7期