農(nóng)村低密度區(qū)采用20kV中壓配電網(wǎng)的研究

孫秀兵　段玉峰　全宏達(dá)

摘 要：針對(duì)低負(fù)荷密度的農(nóng)村地區(qū)，10kV電源站點(diǎn)比較少、線損率較高、供電距離大、電壓質(zhì)量不能滿足要求等問(wèn)題，提出了20kV中壓配電網(wǎng)。20kV架空網(wǎng)絡(luò)主要接線方式是手拉手式和單電源輻射式，其能夠提高電能的輸送容量，降低線損，增大配電網(wǎng)的供電半徑。通過(guò)研究20kV配電網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)特性，在主變壓器和配電變壓器、中性點(diǎn)接地、防雷問(wèn)題等方面提出規(guī)劃技術(shù)原則，并通過(guò)中壓配電網(wǎng)升壓改造的機(jī)會(huì)，構(gòu)建穩(wěn)定的農(nóng)村低密度區(qū)供電網(wǎng)絡(luò)。

關(guān)鍵詞：20kV；單電源輻射式；手拉手式；升壓改造

中圖分類(lèi)號(hào)：TM726 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）36-0162-03

引言

當(dāng)前，我國(guó)城鄉(xiāng)已逐步建立了220kV、330kV、500kV的高壓配電網(wǎng)，而把10kV作為農(nóng)村地區(qū)的主要中壓配電電壓。國(guó)內(nèi)外配電網(wǎng)發(fā)展表明，隨著負(fù)荷的逐漸增加，提高中壓配電等級(jí)，符合電力發(fā)展的規(guī)律。由于農(nóng)村用電量的增加，在負(fù)荷密度低的農(nóng)村地區(qū)，10kV電源站點(diǎn)比較少、線損率較高、供電距離大、電壓質(zhì)量不能滿足要求等問(wèn)題[1]。另外，對(duì)比國(guó)外的中壓配電網(wǎng)，我國(guó)農(nóng)村的配電網(wǎng)依然有較大的差距，其原因主要是中壓配電網(wǎng)的靈活性不足，運(yùn)轉(zhuǎn)能力不強(qiáng)，通過(guò)升壓改造，構(gòu)建穩(wěn)定的農(nóng)村低密度區(qū)供電網(wǎng)絡(luò)，為提高我國(guó)農(nóng)村低密度區(qū)的供電穩(wěn)定性和可靠性打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 采用20kV電壓的優(yōu)勢(shì)

現(xiàn)今我國(guó)大部分農(nóng)村地區(qū)仍采用10kV的中壓配電網(wǎng)，但在低負(fù)荷密度的農(nóng)村，采用較高的中壓配電網(wǎng)更加經(jīng)濟(jì)。采用高于10kV配電網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)是：

（1）傳輸相同的容量所需線路數(shù)量更少。

（2）在負(fù)荷相同時(shí)，電壓損耗更低。

在農(nóng)村電網(wǎng)引入新的電壓等級(jí)需要考慮如何保持壓降，由于在地廣人稀的農(nóng)村地區(qū)建造新變電站，當(dāng)供電能力達(dá)到10km以上時(shí)，以現(xiàn)有的負(fù)載率，很難維持電壓降水平?？紤]到經(jīng)濟(jì)因素，新采用的電壓等級(jí)不宜太高，研究結(jié)果表明：對(duì)于農(nóng)村電網(wǎng)，配電電壓以22kV為邊界，能夠滿足長(zhǎng)距離、低密度供電條件下的壓降水平，且供電經(jīng)濟(jì)[2]。

2 農(nóng)村低密度區(qū)的方案評(píng)估

方案從兩種電壓等級(jí)序列出發(fā)500/220/110/35/10/0.4和500/220/110/20/0.4，根據(jù)我國(guó)農(nóng)村電網(wǎng)的現(xiàn)狀，只考慮架空線路這種架設(shè)方式；考慮到目前我國(guó)農(nóng)村電網(wǎng)負(fù)荷密度分布的不均衡性，選擇4種具有代表性的負(fù)荷密度400、800、1500和2000kW/km2，因此備選方案為2個(gè)，計(jì)算方案為8個(gè)；由于負(fù)荷發(fā)展速度的不確定性因素太多，方案只做靜態(tài)分析，不考慮時(shí)間年限的影響，典型的供電面積為100km2；選取配變?nèi)萘?00kVA和315kVA比較具有代表性[3]。

根據(jù)參考文獻(xiàn)[4]的估算模型和計(jì)算分析，我們可以對(duì)兩種電壓等級(jí)序列進(jìn)行經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上的評(píng)估，具體結(jié)論如下：

（1）靜態(tài)投資：500/220/110/20/0.4kV方案的靜態(tài)投資總是最低的，只有500/220/110/35/10/0.4kV方案的40%～54%。

（2）電能損耗：500/220/110/20/0.4kV方案的電能損耗僅占500/220/110/35/10/0.4kV方案的48%～67%。

（3）單位負(fù)荷密度：500/220/110/20/0.4kV方案的單位負(fù)荷投資明顯低于500/220/110/35/10/0.4kV方案。

（4）功率損耗：在總功率損耗上，500/220/110/20/0.4kV序列的總功率損耗只占500/220/110/35/10/0.4kV序列的48%～68%，中壓采用20kV后，高中壓線損率降低了1.84%～3.84%。

依據(jù)分析結(jié)果，我國(guó)華東、華中和華北地區(qū)農(nóng)村電網(wǎng)的備選方案為500/220/110/20/0.4kV。

3 農(nóng)村低密度區(qū)升壓改造

在農(nóng)網(wǎng)改造中，是分階段，分步驟進(jìn)行的。改造時(shí)需要對(duì)存量資產(chǎn)合理利用，不能直接把10kV升到20kV，而是逐步實(shí)現(xiàn)的。

3.1 分階段改造原則

分3個(gè)階段對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行改造：

（1）改造初期：從開(kāi)始到完成總工程的25%，這個(gè)階段是確定各種升壓改造的方案，積累升壓改造經(jīng)驗(yàn)。

（2）改造中期：從改造初期到完成總工程的50%，這個(gè)階段主要是制定各種升壓改造的過(guò)渡措施。

（3）改造末期：從改造中期到完成升壓改造，這個(gè)階段是進(jìn)行全面的升壓改造。

對(duì)負(fù)荷密度小于2000kW/km2，可以緩慢進(jìn)行升壓改造。對(duì)于現(xiàn)有供電充足，用電設(shè)備沒(méi)有達(dá)到工作年限，不管是否增加新負(fù)荷，不更改現(xiàn)有10kV電壓等級(jí)。對(duì)于供電不足，且有新增加的負(fù)荷，用電設(shè)備也已經(jīng)達(dá)到工作年限，就需要把電壓為10kV的舊設(shè)備更換成20kV的新設(shè)備， 升壓等級(jí)為20kV配電網(wǎng)。

3.2 10kV配電設(shè)備利用原則

對(duì)10kV設(shè)備進(jìn)行可行的升壓改造，能夠劃分為直接利用、不可直接利用、經(jīng)改造后方可利用等3類(lèi)設(shè)備：

（1）可直接利用設(shè)備：對(duì)使用壽命沒(méi)有達(dá)到規(guī)定工作年限的10kV配電設(shè)備、經(jīng)過(guò)測(cè)試表明符合20kV電壓等級(jí)運(yùn)行要求，如果滿足升壓要求，可直接升至20kV電壓等級(jí)運(yùn)行。

（2）不可直接利用設(shè)備：全部更換適合20kV的用電設(shè)備，在改造初期，若不具有升壓條件，先降到10kV電壓等級(jí)運(yùn)行，等升壓完成后再以20kV電壓運(yùn)行，更換新設(shè)備應(yīng)選用體積小、可靠性高、維護(hù)工作量少的新型設(shè)備。

（3）經(jīng)改造后方可利用的設(shè)備：未達(dá)到規(guī)定工作年限的設(shè)備，通過(guò)技術(shù)改造，并滿足經(jīng)濟(jì)性要求，能夠按照20kV的電壓等級(jí)運(yùn)行。

3.3 農(nóng)村低負(fù)荷密度區(qū)升壓改造方案

在農(nóng)村地區(qū)主要是35/10kV變電站送出的10kV電壓線路進(jìn)行供電，要對(duì)35/10kV變電站的改造問(wèn)題進(jìn)行考慮。農(nóng)村區(qū)域供電情況如圖1所示。endprint

方案一：用20kV直接供電，將上級(jí)電源改造成20kV，讓20kV線路送電，而不使用35kV/10kV變電站。缺點(diǎn)：比較大的供電半徑。

方案二：將35kV/10kV變電站改造成為20kV等級(jí)電壓，原來(lái)的35kV/10kV改造成20kV/10kV聯(lián)絡(luò)，然后給農(nóng)村地區(qū)供電，等各方面條件都成熟，再按照方案一進(jìn)行改造。

方案二方法不論改造費(fèi)用、還是供電半徑的大小，都優(yōu)于第一種方案，因此建議選擇方案二進(jìn)行農(nóng)村區(qū)域的升壓改造。

4 農(nóng)村低密度區(qū)20kV配電網(wǎng)運(yùn)行特性

農(nóng)村低密度區(qū)采用20kV配電網(wǎng)，應(yīng)充分研究其運(yùn)行的運(yùn)行特性，本文從以下幾點(diǎn)具體研究其運(yùn)行特性：

4.1 主變壓器和配電變壓器

變電站主變壓器容量的選擇會(huì)受到主變二次側(cè)短路電流的影響，各電壓等級(jí)母線短路電流限值見(jiàn)表1所示。

表1 各電壓等級(jí)短路電流限值

各級(jí)主變器的容量是根據(jù)短路電流限值選出的，220/110kV主變和220/110/20kV主變?nèi)萘窟x擇120MVA、180MVA和240MVA，110kV側(cè)出線送電到農(nóng)村低密度區(qū)再降為20kV電壓等級(jí)供電，110（60）/20kV主變?nèi)萘扛鶕?jù)負(fù)荷密度需求選擇31.5～100MVA，在低密度區(qū)可選擇較低容量變壓器，一般選擇YNd11作為主變聯(lián)結(jié)組別，這種接線能夠有效減弱3次諧波對(duì)系統(tǒng)的影響，當(dāng)主變一次、二次都選擇星形接法，需要在鐵柱上增加一個(gè)三角形繞組，為3次諧波電流提供通路[6]。

受低壓側(cè)短路容量限制，20/0.4kV配電變壓器最大容量可達(dá)到3000kVA，由于受電壓降限制，正常條件下低壓0.4kV線路的短路供電半徑僅為100～200m，因此配電變壓器容量選擇在30～1600kVA，20kV配電變壓器的聯(lián)結(jié)組別通常是Dyn11，短路阻抗序列是5.5%、6%、7%。

20/10kV聯(lián)絡(luò)變壓器在配電網(wǎng)起過(guò)渡期間供電和聯(lián)絡(luò)作用，容量小于1條10kV線路供電容量，選擇2000～8000kVA對(duì)于10kV供電，外圍已經(jīng)形成20kV供電網(wǎng)絡(luò)，容量選擇為2000～3000kVA。在20kV和10kV電源側(cè)變壓器聯(lián)結(jié)組別和接地方式都相同情況下，使用自耦變壓器以降低損耗。

4.2 中性點(diǎn)接地方式

在20kV配電網(wǎng)中，電容電流是中性點(diǎn)接地方式的基本依據(jù)之一。針對(duì)20kV電網(wǎng)，電容電流可通過(guò)式（1）求得：

（1）

式中：Un為而定電壓；Co為單向?qū)Φ仉娙?；l是線路長(zhǎng)度，因?yàn)檗r(nóng)村低密度區(qū)采用架空線路，所以架空線路的電容電流式子可簡(jiǎn)化為：

Ic=（2.7～3.3）Unl×10-3 （2）

20kV配電網(wǎng)中，不同中性點(diǎn)接地方式是由電容電流的大小決定的， 3種接地方式下的電容電流大小如表2所示。

表2 不同接地方式的電容電流大小

4.3 防雷技術(shù)

架空絕緣線的防雷措施：

（1）避雷線的保護(hù)：避雷線一般用在變電站進(jìn)線段的進(jìn)線保護(hù)上，在雷電頻繁地區(qū)，可在變電站進(jìn)線1～2km線路上架設(shè)避雷線，用以保護(hù)變電站內(nèi)部的設(shè)備。在情況允許時(shí)，可以架設(shè)改善桿塔的接地設(shè)施及耦合地線[7]。

（2）線路避雷器的保護(hù)：為提高線路的耐雷水平，沿20kV架空線路可裝設(shè)避雷器，當(dāng)線路有串聯(lián)間隙時(shí)，避雷器額定電壓應(yīng)不低于1.1倍的最高系統(tǒng)電壓。

（3）其他措施：改善配電架空線上電纜頭、避雷器等設(shè)備的接地，調(diào)整繼電保護(hù)整定措施，加強(qiáng)防雷監(jiān)控等。

配電變壓器的防雷措施：

（1）配電變壓器的防雷：裝設(shè)避雷器保護(hù)，在配電變壓器的低壓側(cè)和高壓側(cè)均裝設(shè)避雷器，防止配電變壓器被擊穿。

（2）配電站的防雷：在配電站的母線、進(jìn)線及出線上裝設(shè)避雷器，對(duì)于有串聯(lián)間隙的金屬氧化物避雷器，它的額定電壓不小于1.1倍的最高系統(tǒng)電壓。

（3）線路開(kāi)關(guān)設(shè)備的防雷：裝設(shè)避雷器保護(hù)，對(duì)于負(fù)荷開(kāi)關(guān)和斷路器，應(yīng)裝設(shè)避雷器進(jìn)行保護(hù)，開(kāi)關(guān)設(shè)備的金屬外殼應(yīng)與避雷器的接地線相連。

4.4 無(wú)功補(bǔ)償

在功率因數(shù)低的20kV架空線路上安裝容器，其容量可按線路上配電變壓器總?cè)萘康?%～10%來(lái)選擇。無(wú)功補(bǔ)償裝置應(yīng)根據(jù)便于調(diào)整電壓和就地平衡的原則進(jìn)行相關(guān)的配置，采用集中補(bǔ)償和分散相結(jié)合的方法。

中壓用戶的電容器可以分散安裝，也可以集中安裝，前者要安裝于被補(bǔ)償?shù)呐裕驮O(shè)備同時(shí)自動(dòng)投切，后者能夠按需要進(jìn)行自動(dòng)切換，功率因數(shù)應(yīng)達(dá)到0.95以上，兩者中分散安裝的方法比較好[8]。在進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償裝置的安裝時(shí)，應(yīng)考慮諧波的治理措施，20kV諧波電壓的總諧波畸變率不應(yīng)高于4.0%。

4.5 繼電保護(hù)技術(shù)

除了在電流互感器、電壓互感器以及一次設(shè)備需要調(diào)整外，變電站的20kV饋線繼電保護(hù)在二次保護(hù)裝置及整定原則和10kV基本一致。通常采用微機(jī)型保護(hù)裝置，保護(hù)類(lèi)型包括速斷、過(guò)流保護(hù)等，選擇重合閘裝置用于架空裸導(dǎo)線。

220/110/20kV三繞組變壓器的20kV側(cè)都裝配復(fù)合電壓閉鎖過(guò)流保護(hù)裝置用以反映相間故障，戶外配電變壓器容量為500kVA以下時(shí)用熔絲保護(hù)，當(dāng)容量在630kVA以上時(shí)，裝配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)。

4.6 通道資源利用問(wèn)題

架空線路的通道寬度按式子（3），得：

L=2×（L1+L2+L3） （3）

式中，L表示通道寬度，L1表示橫擔(dān)長(zhǎng)度，L2表示風(fēng)偏，L3表示安全距離。可以在10kV的基礎(chǔ)上改造成20kV，根據(jù)式（3）計(jì)算得出表3。由于20kV線路走廊寬度與10kV相差不大，因此可以利用現(xiàn)有10kV通道。而對(duì)于20kV絕緣架空線路，目前沒(méi)有電力行業(yè)方面的規(guī)定，尚有待進(jìn)一步研究。endprint

4.7 架空網(wǎng)絡(luò)接線方式

根據(jù)農(nóng)村低密度區(qū)供電安全需求，20kV架空網(wǎng)絡(luò)接線方式主要是單電源輻射式和手拉手式接線方式，如圖2、圖3所示。前者優(yōu)點(diǎn)是高壓開(kāi)關(guān)和配電線路數(shù)量少、投資小，新增負(fù)荷時(shí)也方便。但其缺點(diǎn)也比較明顯，主要是供電可靠性較差，故障影響范圍較大。后者是在單電源輻射式基礎(chǔ)上形成的，使聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，以輻射式方式運(yùn)行。如果某段線路發(fā)生故障或需要檢修，通過(guò)斷開(kāi)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，能起到隔離作用；果某段母線退出運(yùn)行，合上聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)會(huì)恢復(fù)對(duì)失電段的供電。一般手拉手式接線方式線路備用容量大于50%。

農(nóng)村低密度區(qū)架空網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢(shì)是單電源輻射式向手拉手式過(guò)渡，手拉手式根據(jù)需要逐步過(guò)渡到多分段多聯(lián)絡(luò)過(guò)渡。

5 結(jié)束語(yǔ)

從我國(guó)農(nóng)村低密度區(qū)發(fā)展和負(fù)荷增長(zhǎng)來(lái)看，中壓配電網(wǎng)采用20kV等級(jí)電壓都具有的必然性和實(shí)際可操作性。從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)方面考慮，20kV系統(tǒng)增大了配電網(wǎng)的供電半徑、降低線損，提高了電能的輸送容量，20kV系統(tǒng)更能滿足配電網(wǎng)快速發(fā)展的需求。農(nóng)村低密度區(qū)應(yīng)根據(jù)具體升壓改造時(shí)機(jī)，分階段進(jìn)行升壓改造，對(duì)于新建設(shè)區(qū)，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)情況，率先采用20kV系統(tǒng)，對(duì)于現(xiàn)行的10kV系統(tǒng)，根據(jù)區(qū)域進(jìn)行升壓改造。通過(guò)研究20kV配電網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)特性，在主變壓器和配電變壓器、中性點(diǎn)接地、防雷問(wèn)題等方面提出規(guī)劃技術(shù)原則，通過(guò)升壓改造的機(jī)會(huì)，構(gòu)建穩(wěn)定的農(nóng)村低密度區(qū)供電網(wǎng)絡(luò)，為提高我國(guó)農(nóng)村低密度區(qū)的供電穩(wěn)定性和可靠性打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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