20kV 中壓配電電壓等級(jí)應(yīng)用研究

丁永清 王大鵬 柯 乾

（國網(wǎng)池州供電公司，安徽 池州247000）

0 引言

隨著我國城市經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和城市建設(shè)不斷深化，城市電力需求也在大幅增長。城市電網(wǎng)作為城市的重要基礎(chǔ)設(shè)施，有必要通過合理配置電壓等級(jí)以更好地滿足城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。

目前國內(nèi)城市主要采用10kV 作為中壓配電網(wǎng)的電壓等級(jí)，技術(shù)和管理經(jīng)驗(yàn)較為成熟。然而，隨著負(fù)荷密度不斷增長，10kV 配電網(wǎng)建設(shè)運(yùn)行也遇到了新的問題。10kV 線路供電半徑短、供電容量小的矛盾越來越突出，進(jìn)而引發(fā)了變電站站址選擇和線路走廊出線困難等一系列問題，逐漸成為配電網(wǎng)發(fā)展的瓶頸。

實(shí)踐證明，在高負(fù)荷密度地區(qū)，配電網(wǎng)采用20kV 電壓等級(jí)不僅從技術(shù)上可以提高輸電能力，改善電壓質(zhì)量，降低電能損耗，而且落實(shí)到工程實(shí)踐上，也可大大減少中壓配電線路占用的線行通道，同時(shí)有效節(jié)省電網(wǎng)建設(shè)投資。在電網(wǎng)負(fù)荷密度較高的大城市中心區(qū)、工業(yè)密集區(qū)采用20kV 電壓供電，對(duì)解決10kV 供電能力有限、線行通道難落實(shí)等問題，不失為一種既經(jīng)濟(jì)又有效的途徑。蘇州的新加坡工業(yè)園區(qū)1996年在全國率先采用20kV 供電［1－2］，在規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行和維護(hù) 等方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。多年的運(yùn)行實(shí)踐表明，20kV 相對(duì)10kV 在高負(fù)荷密度區(qū)域，具有供電能力大、電壓質(zhì)量高、電網(wǎng)損耗低等明顯的優(yōu)勢(shì)［3］。

本文通過技術(shù)、經(jīng)濟(jì)分析，研究20kV 引入的可行性。對(duì)20kV、10kV 兩個(gè)電壓等級(jí)進(jìn)行比較，并提出20kV 配電網(wǎng)的主要技術(shù)原則，以合理配置電壓等級(jí)，促進(jìn)中壓配電網(wǎng)的和諧發(fā)展。

1 20kV 引入的可行性分析

1.1 20kV 對(duì)中壓配電網(wǎng)的影響

由理論分析可知，相比于10kV 中壓配電電壓等級(jí)，20kV具有減少電壓損失、增大輸送功率、擴(kuò)大供電范圍、降低線損、節(jié)約有色金屬等技術(shù)優(yōu)勢(shì)［4－5］。此外，采用20kV 取代10kV電壓等級(jí)，還可以減少主變低壓側(cè)的短路電流。

1.2 20kV 可行性分析

20kV 作為中壓配電電壓等級(jí)，在技術(shù)性能上較10kV 存在一定的優(yōu)勢(shì)［6－8］。然而，只有技術(shù)上可行，才能保證20kV 的廣泛使用。一方面，20kV 的電氣設(shè)備應(yīng)該具備生產(chǎn)能力且造價(jià)合理；另一方面，對(duì)于20kV 的運(yùn)行和管理經(jīng)驗(yàn)需要不斷積累。

目前，20kV 設(shè)備的生產(chǎn)技術(shù)比較成熟，依靠國內(nèi)水平生產(chǎn)供應(yīng)20kV 設(shè)備是完全有保障的；20kV 設(shè)備的造價(jià)比10kV設(shè)備有所增加，總體增加幅度在5%～15%的范圍內(nèi)。在20kV運(yùn)行管理方面，國內(nèi)對(duì)于20kV 線路升壓改造、過電壓保護(hù)、防雷問題、繼電保護(hù)方案等都有成熟的運(yùn)行方案。所以，在我國城市電網(wǎng)采用20kV 作為中壓配電電壓等級(jí)，在技術(shù)上是可行的。

2 20kV 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

2.1 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析原則

合理的電壓序列事關(guān)電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性、經(jīng)濟(jì)性和安全性。負(fù)荷水平、存量資產(chǎn)、技術(shù)約束、廊道資源等都是影響電壓等級(jí)選取的重要因素，同時(shí)，還要考慮其對(duì)電力用戶和社會(huì)的影響。因此，20kV 技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的主要原則包括：

（1）滿足飽和負(fù)荷階段對(duì)安全可靠、優(yōu)質(zhì)供電的要求，必須在供電能力、供電可靠性、電壓質(zhì)量等相關(guān)技術(shù)指標(biāo)上滿足要求。

（2）在技術(shù)可行的前提下，充分考慮經(jīng)濟(jì)的合理性，以全生命周期最優(yōu)為原則，全面分析所有建設(shè)成本與運(yùn)行成本。

2.2 邊界條件

中壓配電電壓等級(jí)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較的邊界條件如下：

（1）中壓配電電壓等級(jí)的變壓層次主要包括220/20kV、110/20kV、110/10kV 和110/35/10kV 4種形式。

（2）中壓配電網(wǎng)接線模式按電纜線路單環(huán)網(wǎng)接線，線路負(fù)載率控制在50%以內(nèi)。

（3）區(qū)域負(fù)荷密度指標(biāo)為5～50 MW/km2，供電區(qū)域內(nèi)負(fù)荷均勻分布。

（4）配電網(wǎng)呈放射狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，各個(gè)高壓變電站的供電范圍為圓形。

（5）主變?nèi)萘颗_(tái)數(shù)：220/20kV（2×120 MVA），110/20kV（2×80 MVA），110/10 kV（2×50 MVA），35/10 kV（2×20 MVA）。

2.3 可靠性比較

2.3.1 計(jì)算方法

可靠性計(jì)算采用故障遍歷法［9－10］，即逐個(gè)假設(shè)電網(wǎng)中的元件（包括母線、線路、環(huán)網(wǎng)柜/開關(guān)柜、配電變壓器）故障，求出每個(gè)元件故障時(shí)用戶停電時(shí)戶數(shù)，最終求出供電可靠性水平。

衡量可靠性的指標(biāo)主要采用供電可靠率（RS），計(jì)算公式為：

式中，Nz為系統(tǒng)中總用戶數(shù)；Ni為故障時(shí)受影響的用戶數(shù)，與平均年停運(yùn)時(shí)間Ui相對(duì)應(yīng)；8 760為一年的小時(shí)數(shù)。

2.3.2 計(jì)算結(jié)果

采用上述方法和基本參數(shù)，計(jì)算4種配電方案的供電可靠性水平，結(jié)果如圖1所示。

圖1 4種配電方案的供電可靠性水平

可以看出，4種配電方案 中220/20kV 和110/20kV 電壓序列的供電可靠性最高，110/10kV 電壓序列的供電可靠性次之，110/35/10kV 電壓序列的供電可靠性最低。

2.4 經(jīng)濟(jì)性比較

2.4.1 計(jì)算方法

選用單位負(fù)荷年費(fèi)用作為4種配電方案的經(jīng)濟(jì)性比較的依據(jù)［11－12］。單位負(fù)荷年費(fèi)用包括送電、變電和配電設(shè)備建設(shè)投資的等年值、維修運(yùn)行費(fèi)和電能損耗費(fèi)，即：

式中，F(xiàn)0為單位負(fù)荷年費(fèi)用；Fd為送變電設(shè)備建設(shè)投資的等年值，F(xiàn)d＝KdZ，Kd為投資等年值系數(shù)，Z 為單位面積建設(shè)投資；Fv為維修運(yùn)行費(fèi)，F(xiàn)v＝KvZ，Kv為設(shè)備年維護(hù)率（本文變電站取為10%，高壓配電線路取為4%，中壓配電線路取為3%）；Fs為單位負(fù)荷電能損耗。

2.4.2 計(jì)算結(jié)果

4種配電方案的單位負(fù)荷年費(fèi)用如圖2所示。

圖2 4種配電方案年費(fèi)用比較

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出：

（1）在負(fù)荷密度σ＜5 MW/km2的情況下，4種配電方案的年費(fèi)用相差不大，110/10kV 配電方案的年費(fèi)用較小。

（2）在負(fù)荷密度σ≥10 MW/km2的情況下，4種配電方案中以220/20kV 配電方案的年費(fèi)用最小，20kV 電壓等級(jí)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)開始顯現(xiàn)。

2.4.3 經(jīng)濟(jì)比較結(jié)論

（1）對(duì)于新建區(qū)尤其是負(fù)荷密度較高的新區(qū)，中壓配電電壓等級(jí)采用20kV 具有較好的經(jīng)濟(jì)性，簡化110kV 電壓等級(jí)的方案也具有較好的經(jīng)濟(jì)性，可以優(yōu)先選擇220/20kV 配電方案。

（2）對(duì)于改造區(qū)，由于改造和過渡費(fèi)用所占比重較大，可以結(jié)合電網(wǎng)現(xiàn)狀與飽和電網(wǎng)的負(fù)荷密度，測(cè)算電壓序列優(yōu)化的經(jīng)濟(jì)性。如飽和負(fù)荷密度低于現(xiàn)狀的3倍，可以維持現(xiàn)有電壓序列；如飽和負(fù)荷密度高于現(xiàn)狀的3倍，采用20kV 的經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)。

3 20kV 配電網(wǎng)技術(shù)原則分析

3.1 20kV 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

3.1.1 供電半徑

高負(fù)荷密度區(qū)，供電半徑宜控制在3km 以內(nèi)；中等負(fù)荷密度區(qū)，供電半徑宜控制在5km 以內(nèi)；低負(fù)荷密度區(qū)，根據(jù)負(fù)荷實(shí)際情況核算電壓降，供電半徑可以適當(dāng)放大，一般不宜超過10km。

3.1.2 架空系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

架空線路可采用手拉手接線或多分段適度聯(lián)絡(luò)接線。

20kV 架空線路應(yīng)依據(jù)線路長度、負(fù)荷水平和裝接配變情況進(jìn)行分段，一般分為3～4段，每個(gè)分段裝接配變?nèi)萘? 000～6 000kVA。支線接入配變超過5臺(tái)或接入容量超過3 000kVA時(shí)應(yīng)裝設(shè)分支斷路器。

3.1.3 電纜系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

電纜線路主要采用單環(huán)網(wǎng)、雙環(huán)網(wǎng)、雙放射或N 供一備接線。

3.2 20kV 中性點(diǎn)接地

20kV 電纜配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式可采用小電阻接地方式，單相故障接地電流不大于600A，中性點(diǎn)接地電阻為20Ω。

20kV 架空線路可采用可自動(dòng)跟蹤的消弧線圈接地方式。

3.3 變電站

3.3.1 220/110/20kV 變電站

220kV 變電站主變最終規(guī)?？蛇x取4×75 MVA、4×100 MVA、4×150 MVA。

220kV 側(cè)一般采用雙母線雙分段接線，6～8回220kV 出線；110kV 側(cè)一般采用雙母分段接線，10～12回110kV 出線；20kV 側(cè)一般采用單母分段接線，每段母線10～12回20kV 出線。

3.3.2 220/20kV 變電站

220kV 變電站主變最終規(guī)?？蛇x取4×75 MVA、4×100 MVA。

220kV 側(cè)一般采用雙母線雙分段接線，4～6回220kV 出線；20kV 側(cè)一般采用單母分段接線，每段母線10～12回20kV出線。

3.4 20kV 導(dǎo) 線

20kV 架空線路應(yīng)采用鋁芯絕緣導(dǎo)線，主干線截面宜選用240mm2，支線截面宜選用150 mm2，最小線徑不宜小于90mm2。主干線導(dǎo)線截面應(yīng)核算電壓降不大于5%。

20kV 電纜主干線宜選用3×400－300mm2的銅芯電纜，支線截面應(yīng)不小于120mm2。

3.5 配電變壓器

（1）20kV 配電變壓器容量在30～1 600kVA 之間，公變?nèi)萘恳诉x擇1 250kVA 以下。

（2）20kV 配電變壓器的接線組別：Dyn11。

（3）可根據(jù)環(huán)境需要選用柱上變壓器、組合式箱變或干式變壓器。柱上油浸配變?nèi)萘坎灰顺^315kVA，應(yīng)選用全密封結(jié)構(gòu)；組合式箱變中油浸配變?nèi)萘坎灰顺^630kVA；干式配變?nèi)萘坎灰顺^1 000kVA。

3.6 繼電保護(hù)

（1）20kV 饋線及主變20kV 側(cè)均配置反映接地故障的零序保護(hù)：饋線零序電流宜取自套在間隔出線電纜上的穿芯式CT；主變20kV 側(cè)零序保護(hù)電流取自主變20kV 中性點(diǎn)或接地變中性點(diǎn)電流互感器。

（2）220/110/20kV 三圈變的20kV 側(cè)應(yīng)配置反映相間故障的復(fù)合電壓閉鎖過流保護(hù)，當(dāng)主變20kV 側(cè)采用雙分支開關(guān)時(shí)，為了保證選擇性，復(fù)合電壓閉鎖過流保護(hù)應(yīng)在每個(gè)分支上均配置，電流分別取自對(duì)應(yīng)的分支CT，電壓取自分支對(duì)應(yīng)的母線PT。

（3）配電變壓器容量為500kVA 及以下時(shí)采用熔絲保護(hù)時(shí)，熔絲熔斷特性應(yīng)滿足200A 電流下熔斷時(shí)間小于60ms；考慮到零序電流保護(hù)整定值很難與熔斷器的熔斷曲線配合，當(dāng)配電變壓器容量在630kVA 及以上時(shí)，配電變壓器應(yīng)配置反映相間故障的電流保護(hù)和反映接地故障的零序保護(hù)。

4 結(jié)語

本文對(duì)20kV 引入中壓配電電壓等級(jí)進(jìn)行論證，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)兩個(gè)主要方面，選用供電可靠率和單位負(fù)荷年費(fèi)用指標(biāo)，對(duì)10kV 和20kV 中壓配電電壓等級(jí)進(jìn)行了系列比較。通過分析可以看出，20kV 電壓等級(jí)在經(jīng)濟(jì)、技術(shù)上都存在著一定的優(yōu)勢(shì)。

研究結(jié)果說明，在我國城市電網(wǎng)采用20kV 中壓配電電壓等級(jí)，在理論上和技術(shù)上都是可行的。本文的研究成果可以為我國中壓配電網(wǎng)電壓等級(jí)的配置提供理論依據(jù)。

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