在配電網(wǎng)中推行20kV配電電壓的可行性研究

鄭孝東 鄒 剛

（1.華北科技學(xué)院機(jī)電工程系，河北 三河 065201；

2.珠海市供電局，廣東 珠海 519000）

1 引言

在電力系統(tǒng)中，中壓配電網(wǎng)起著承上啟下的作用，好的中壓配電網(wǎng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)配電網(wǎng)的功能，將電能從發(fā)電廠輸送到電力負(fù)荷中心實(shí)現(xiàn)再分配，而且還可以減少投資和運(yùn)行費(fèi)用并提高配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益，所以建設(shè)一個(gè)好的中壓配電網(wǎng)對(duì)發(fā)揮電力系統(tǒng)的功能十分重要。在各種中壓配電網(wǎng)中以20kV配電網(wǎng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能相對(duì)最好，目前 20kV配電網(wǎng)在國外應(yīng)用的較多，如法國巴黎自20世紀(jì)70年代就開始在使用20kV配電網(wǎng)至今已運(yùn)行近40年，運(yùn)行效果較好。德國在1960年前曾將5～6kV配電網(wǎng)改造成l0kV電壓等級(jí)配電的中壓配電網(wǎng)，但很快停止了這一做法，而決定將其改為20kV。其他歐洲國家如意大利、澳地利、保加利亞等80%的地區(qū)也大都采用20～25kV作為中壓配電。俄羅斯 1900年開始建立l0kV線路，1904年便有了20kV電壓等級(jí)，1960年后，配電網(wǎng)除少數(shù)大城市l(wèi)0kV等級(jí)尚未改造之外，幾乎都改成了20kV等級(jí)。我國20kV配電網(wǎng)發(fā)展不快，目前只是在不多的地區(qū)應(yīng)用，如蘇州工業(yè)園區(qū)、遼寧本溪農(nóng)村地區(qū)和河北滄州渤海新區(qū)等地區(qū)。

2 在配電網(wǎng)中采用20kV配電電壓的優(yōu)越性

（1）增加供電半徑，減少配電網(wǎng)投資

圖120 kV和10kV供電能力比較

如圖1所示，在同樣的供電半徑條件下，應(yīng)用相同截面的20kV線路的輸送功率可比10kV導(dǎo)線大1倍；在相同的負(fù)荷密度下，則20kV的供電半徑幾乎是10kV供電半徑的1.26倍，供電面積約是10kV的1.6倍，這樣一來，可減少變電所的個(gè)數(shù)，據(jù)有關(guān)資料介紹，蘇州工業(yè)園區(qū)配電網(wǎng)采用20kV配電電壓需設(shè)17個(gè)110kV變電站，而采用10kV配電電壓，則需設(shè)32個(gè)110kV變電站。20kV配電網(wǎng)比10kV配電網(wǎng)可節(jié)約用地41.6%，約66.5畝，大大減少了電網(wǎng)建設(shè)的投資費(fèi)用。據(jù)測(cè)算，輸送同等功率，20kV供電線路比10kV線路的有色金屬耗量可以減少50%左右，節(jié)約建設(shè)投資約40%左右。

（2）降低電網(wǎng)的電壓損失和線損率，提高電能質(zhì)量

全國電網(wǎng)的線損率最近幾年呈上升趨勢(shì)，據(jù)有關(guān)部門研究發(fā)現(xiàn)，線損升高的主要原因是 10kV及以下配電網(wǎng)線損率呈上升趨勢(shì)。采用 20kV配電網(wǎng)取代 10kV配電網(wǎng)是一個(gè)減少配電網(wǎng)線損率的一個(gè)好的措施，據(jù)有關(guān)資料介紹在總負(fù)荷是12MW的情況下采用 20kV供電電纜線路和架空線路電壓損失百分?jǐn)?shù)分別為1.2%和0.6%，線損率分別為0.82%和0.405%；而在總負(fù)荷是 6MW 的情況下采用 10kV供電電纜線路和架空線路電壓損失百分?jǐn)?shù)分別為1.5%和0.76%，線損率分別為0.95%和0.47%；由此可見，采用20kV供電線路電能質(zhì)量高于10kV供電線路。

（3）降低電網(wǎng)的電能損耗，提高電網(wǎng)效益

據(jù)計(jì)算，我國配電網(wǎng)絡(luò)年損耗達(dá)180億kW·h，如能減少一個(gè)百分點(diǎn)，則能節(jié)電1.8億kW·h，可取得較好的節(jié)電效益。采用 20kV配電網(wǎng)可大大減少配電網(wǎng)的電能損耗，據(jù)有關(guān)資料介紹在總負(fù)荷是12MW的情況下采用20kV供電電纜線路和架空線路有功損耗分別為0.098/MW和0.0243/MW；而在總負(fù)荷是6MW的情況下采用10kV供電電纜線路和架空線路有功損耗分別為0.057/MW和0.0141/MW，由此可見，采用20kV供電線路電能損耗小于10kV供電線路。據(jù)測(cè)算，以2010年蘇州20kV供電區(qū)域預(yù)計(jì)年用電量 6.675×109kW·h來計(jì)算，每年可以減少電能損耗 0.048×109kW·h，相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約1.9×104t。

（4）滿足高負(fù)荷密度供電的需求

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，許多大城市負(fù)荷增加較快，出現(xiàn)了很多高負(fù)荷區(qū)域，如蘇州工業(yè)園區(qū)最高負(fù)荷密度可達(dá) 12.5MW/km2，無錫太湖新城負(fù)荷密度規(guī)劃值已達(dá)30MW/km2，再如上海市虹橋開發(fā)區(qū)2003年負(fù)荷密度已達(dá)到 115.35MW/km2，并且負(fù)荷密度還保持上升趨勢(shì)；而這些地區(qū)又處于市中心，站點(diǎn)選址、線路走廊以及上級(jí)供電電源的引入都非常困難，所以急需采用20kV配電電壓以解決上述問題。

3 在配電網(wǎng)中采用20kV配電電壓的可行性

3.120 kV配電網(wǎng)的供電可靠性問題

20kV配電網(wǎng)的供電可靠性應(yīng)通過兩方面來保證，一是通過配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)來保證，二是通過各種保護(hù)來保證。為了保證20kV配電網(wǎng)的可靠性，常采用的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)有手拉手結(jié)構(gòu)和多電源供電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。采用手拉手方式提高供電可靠性的措施如下：①使單條線路合理分段，相鄰線路“手拉手”，形成網(wǎng)格型結(jié)線；②合理布局線路上的柱上斷路器，通過配合變電所出線開關(guān)和重合閘合理控制故障影響范圍；③選擇合適的配網(wǎng)自動(dòng)化功能，通過故障指示儀、分?jǐn)嚅_關(guān)及其分布式通信功能的使用，縮短故障查找時(shí)間，以提高和滿足供電可靠性要求。采用手拉手網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)后可以保證配電網(wǎng)不出現(xiàn)單向受電的孤立線段。多電源供電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是通過合理規(guī)劃線路的供電容量裕度和采用配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)和自動(dòng)化控制設(shè)備來提高供電的可靠性的。但由于我國10kV配電網(wǎng)應(yīng)用較為普遍，建成的20kV配電網(wǎng)難免出現(xiàn)孤島效應(yīng)，這個(gè)因素客觀上也影響了20kV配電網(wǎng)的供電可靠性。20kV配電網(wǎng)常見的故障有過電壓、過電流和單相接地故障等，由于單相接地故障約在各種故障的 80%以上，再加上20kV配電網(wǎng)的接地電流高于10kV配電網(wǎng)，其安全隱患較10kV配電網(wǎng)嚴(yán)重，所以如能提高單相接地故障保護(hù)動(dòng)作的可靠性，就能大大提高20kV配電網(wǎng)的供電可靠性。單相接地故障保護(hù)動(dòng)作可靠性的問題可采用一體化處理技術(shù)加以解決。一體化處理技術(shù)有兩個(gè)解決方案：①快速消弧加快速選線模式和消弧線圈并聯(lián)小電阻模式；②采用快速消弧加快速選線模式能避免目前其他各類選線技術(shù)存在的相關(guān)問題，如避免了應(yīng)用傳統(tǒng)零序采樣選線原理準(zhǔn)確度難以提高的問題和應(yīng)用高次諧波（如5次諧波）法選線原理應(yīng)用效果不理想的問題；③采用消弧線圈并聯(lián)小電阻模式能解決長期以來困擾供電部門的相關(guān)問題，如解決了小電阻接地中跳閘率高的缺點(diǎn)和解決了諧振接地系統(tǒng)由于接地殘流小，隔離線路故障困難的缺點(diǎn)[2]。

3.2 國內(nèi)20kV設(shè)備的制造能力

20kV電網(wǎng)采用的設(shè)備有架空線路（架空絕緣導(dǎo)線）、電纜、環(huán)網(wǎng)柜（分支箱）和真空開關(guān)柜。通過對(duì)廠商調(diào)研，國內(nèi)已經(jīng)完全掌握相關(guān)的制造技術(shù)。

（1）變壓器。在國內(nèi)尚未制定20kV變壓器的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[4]，但國內(nèi)廠家已具備 110/20kV 主變和20/0.4kV配變?cè)O(shè)計(jì)和生產(chǎn)能力，如上海、河南和東北等地的多家企業(yè)生產(chǎn)的變壓器已銷往海外，部分廠家變壓器已通過了型式試驗(yàn)；另外也可通過變壓器改造來獲20kV取變壓器，以10/0.4變壓器改造為例，只要減少導(dǎo)線截面為原先的一半，匝數(shù)增加為原先的一倍，再把出線套管更換為 20kV即可，增加的成本不到5%。

（2）開關(guān)。國內(nèi)的開關(guān)設(shè)備廠家已經(jīng)具備20kV開關(guān)設(shè)備的生產(chǎn)能力，如上海華通開關(guān)廠和北京開關(guān)廠，并且已在國內(nèi)電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，部分產(chǎn)品也遠(yuǎn)銷海外。

（3）架空線路絕緣線。20kV架空絕緣線的絕緣厚度沒有國家標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi) 20kV系統(tǒng)采用架空絕緣線絕緣厚度的選擇和接地方式有關(guān)，接地方式不同絕緣厚度也不同，但絕緣厚度最終確定還要進(jìn)一步研究論證。20kV電纜的相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)頒布，電纜廠家完全具備相關(guān)的生產(chǎn)能力。

3.320 kV配電網(wǎng)的投資問題

圖2是20kV、35/10kV、35kV和110/10kV配電網(wǎng)在不同供電面積情況下的投資比較，由圖可見在相同供電面積情況下采用20kV配電網(wǎng)投資最少。

圖2 四種電壓等級(jí)配電網(wǎng)在不同供電面積情況下投資比較

配電網(wǎng)電氣設(shè)備投資的具體分析如下：

（1）架空線路：據(jù)測(cè)算，輸送同等功率，20kV供電線路的有色金屬消耗昔較10kV可減少50%，特別是近年來有色金屬價(jià)格飛漲，有色金屬消耗占工程造價(jià)的比例大幅度提高，所以采用 20kV供電線路可大大減少工程造價(jià)。

（2）變壓器：同樣容量的配變以表2中給出的三種ABB S一11M型為例，20kV變壓器較10kV變壓器平均參考價(jià)格只增加了 28%[3]。如采用改造的辦法，只需把 10kV變壓器導(dǎo)線截面減少一半，匝數(shù)增加一倍，提高出線套管電壓等級(jí)為 20kV即可，改造成本增加不到5%。

（3）開關(guān)、互感器及避雷器等：一些開關(guān)廠對(duì)價(jià)格作了分析，認(rèn)為20kV開關(guān)的成本比10kV增加約30%，大規(guī)模生產(chǎn)后會(huì)降低。一些廠家也引進(jìn)了20kV電壓等級(jí)的電氣設(shè)備和配電裝置，且已有產(chǎn)品供應(yīng)。開關(guān)柜以ABBsafe系列充氣環(huán)網(wǎng)柜為例，進(jìn)線柜價(jià)格相同。計(jì)量柜價(jià)格 20kV每間隔約增加30%，間隔6萬元。計(jì)量柜價(jià)格20kV每間隔約增加30%[3]。電力電纜：以廣東電纜廠 YⅣ22型電纜為例，規(guī)格為 12120，絕緣厚度都是 5.5mm，產(chǎn)品參數(shù)和安全截流量都一樣，價(jià)格也一樣。有些廠家生產(chǎn)的20kV電纜價(jià)格還要低于10kV電纜價(jià)格。

表1 10kV與20kV配變參考價(jià)格對(duì)照表

4 在配電網(wǎng)中推廣20kV配電電壓存在的主要問題

4.1 試點(diǎn)地區(qū)的選擇

試點(diǎn)地區(qū)的選擇應(yīng)充分考慮到試點(diǎn)地區(qū)是否具備 20kV配電網(wǎng)推廣的條件，同時(shí)又要考慮到試點(diǎn)區(qū)域的經(jīng)濟(jì)承受能力，對(duì)于配電網(wǎng)改造還要考慮到改造后的供電可靠性。對(duì)于城市地區(qū)，考慮到在老區(qū)進(jìn)行配電網(wǎng)改造困難多，在城市的新建區(qū)域新建配電網(wǎng)困難少，在選擇試點(diǎn)區(qū)域時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮新建區(qū)域，高新技術(shù)開發(fā)區(qū)、開發(fā)區(qū)這類地區(qū)由于具有現(xiàn)有電網(wǎng)比較薄弱，負(fù)荷密度發(fā)展空間較大的特點(diǎn)，更適合發(fā)展 20kV配電網(wǎng)，所以新建區(qū)域中又應(yīng)以這類區(qū)域?yàn)橹鳎缣K州工業(yè)園區(qū)就是一個(gè)典型的案例。對(duì)于已建成的供電能力較強(qiáng)的10kV城市配網(wǎng)，如預(yù)計(jì)未來用電負(fù)荷增加較多，且變電站站址及線路走廊選擇確有困難，可以進(jìn)行升壓改造論證，但由于存在施工難度大和施工周期長等問題，升壓改造可能要用較長時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)。另外對(duì)于現(xiàn)有電網(wǎng)具有一定規(guī)模，但供電能力和設(shè)備狀態(tài)需進(jìn)一步提高來滿足發(fā)展需求的地區(qū)，可結(jié)合自身需要適時(shí)進(jìn)行改造。對(duì)于農(nóng)村地區(qū)，由于具有負(fù)荷密度低，線路供電半徑大的特點(diǎn)，采用 10kV配電網(wǎng)難以滿足電壓質(zhì)量，采用 35kV配電網(wǎng)又存在在負(fù)荷發(fā)展到一定水平后提升電壓水平的問題，所以適合采用試點(diǎn)，這樣即可以減少電網(wǎng)投資，又可以增加電網(wǎng)建設(shè)的彈性，可以較好地提高農(nóng)村配電網(wǎng)建設(shè)的投資效益，是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，如遼寧本溪農(nóng)村電網(wǎng)的改造就是一個(gè)很好的案例。為了保證改造后 20kV配電網(wǎng)優(yōu)越性的充分發(fā)揮，選擇的試點(diǎn)區(qū) 10kV配電網(wǎng)的配電范圍不宜太小，同時(shí)為了保證改造后的配電網(wǎng)的可靠性實(shí)現(xiàn) 20kV互聯(lián)，試點(diǎn)區(qū)規(guī)劃新建的變電站不能太少應(yīng)至少2座。

4.2 升級(jí)改造后配電網(wǎng)運(yùn)行需注意的問題

（1）應(yīng)根據(jù)20kV配電網(wǎng)的線路架設(shè)方式劃分若干供電區(qū)域。

（2）為了便于不同變電站之間線路的聯(lián)絡(luò)和轉(zhuǎn)供負(fù)荷的需要，在同一供電區(qū)域應(yīng)盡量統(tǒng)一變電站主變中壓側(cè)中性點(diǎn)接地方式。

（3）如供電區(qū)域間的中性點(diǎn)接地方式不同，則最好不要合環(huán)運(yùn)行。

（4）不同接地方式的供電區(qū)域最好不要互聯(lián)，如小電阻接地方式的供電區(qū)域最好不要和消弧線圈接地方式或不接地方式的供電區(qū)域互聯(lián)，但有些接地方式的供電區(qū)域可短時(shí)互聯(lián)，如不接地方式的供電區(qū)域和消弧線圈接地方式的供電區(qū)域。

4.3 配電網(wǎng)中性點(diǎn)運(yùn)行方式的確定

配電網(wǎng)中性點(diǎn)運(yùn)行方式的選擇涉及系統(tǒng)過電壓水平、設(shè)備絕緣水平、過電壓保護(hù)元件選擇、繼電保護(hù)的靈敏性、系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性等多個(gè)因素，其中最主要的因素是設(shè)備絕緣水平。20kV配電網(wǎng)中性點(diǎn)不同運(yùn)行方式對(duì)線路和設(shè)備絕緣水平的要求如表3所示。根據(jù)表3所示不同運(yùn)行方式電容電流值，可確定配電網(wǎng)中性點(diǎn)運(yùn)行方式的選擇辦法。具體選擇辦法如下：先對(duì)線路電容電流進(jìn)行估算，再根據(jù)電容電流進(jìn)行選擇。對(duì)于電容電流小于10A的配電網(wǎng)應(yīng)選擇中性點(diǎn)不接地方式。對(duì)于電容電流高于10A但小于150A的配電網(wǎng)，應(yīng)選擇中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式；對(duì)于電容電流高于150A的配電網(wǎng)，應(yīng)選擇中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式。具體的來說，對(duì)于純架空線路，可采用不接地方式和消弧線圈接地方式，但采用消弧線圈接地方式時(shí)，要根據(jù)國際要求，提升設(shè)備對(duì)地絕緣水平到65kV；對(duì)于純電纜線路或者少數(shù)絕緣架空線路，可采用小電阻接地方式；對(duì)于混合線路類型，則應(yīng)根據(jù)混合線路中架空線路和電纜線路的長度比例來選擇中性點(diǎn)接地方式。如考慮到多條電纜同溝敷設(shè)和電纜的長期安全運(yùn)行可采用消弧線圈并聯(lián)小電阻接地方式，但單相接地故障持續(xù)時(shí)間不太長，否則對(duì)電纜中間接頭運(yùn)行不利。另外中性點(diǎn)接地方式的選擇還要考慮系統(tǒng)的過電壓水平。

表2 20kV配電網(wǎng)中性點(diǎn)不同運(yùn)行方式對(duì)線路和設(shè)備絕緣水平的要求

4.4 原10kV配電網(wǎng)設(shè)備的再利用問題

對(duì)于 10kV配電網(wǎng)改造原有設(shè)備的再利用問題是一個(gè)值得注意的問題，如原有設(shè)備得到再利用則可節(jié)省投資，還可以解決設(shè)備閑置問題。采用不接地和經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng) 10kV配電網(wǎng)的絕緣水平和采用小電阻接地系統(tǒng)的 20kV配電網(wǎng)的絕緣水平大致相同，因此 10kV配電網(wǎng)絕大部分架空線路和電纜線路可以用于 20kV配電網(wǎng)，但對(duì)于架空線路要做一些簡單改造，具體改造措施如下：桿塔的線間距離需從0.9m增至1.15m，并調(diào)換橫擔(dān)和瓷瓶；絕大部分配電變壓器也可用于 20kV系統(tǒng)，但也需做一些改造，具體辦法如下：將兩臺(tái)同參數(shù)同容量的一次側(cè)串聯(lián)、二次側(cè)并聯(lián)；少數(shù)開關(guān)設(shè)備、避雷器、互感器通過試驗(yàn)也可再用于 20kV系統(tǒng)。據(jù)有關(guān)資料介紹：南京就進(jìn)行過10kV架空線路和10kV電纜升壓到 20kV運(yùn)行的試驗(yàn)，試驗(yàn)效果較好。蘇州工業(yè)園某配電所也實(shí)施過10kV電纜升壓至20kV工程，投運(yùn)成功。

4.520 kV的電價(jià)問題

合理制定20kV電價(jià)可以滿足電力部門和電力用戶對(duì)經(jīng)濟(jì)性的要求，能提高用戶對(duì)升壓改造的積極性，它關(guān)系到電力部門和電力用戶投資的信心，直接影響到20kV配電網(wǎng)的推廣。因此20kV電價(jià)的合理確定很重要。蘇州工業(yè)園區(qū)是我國第一個(gè)20kV配電網(wǎng)的試點(diǎn)區(qū)，剛開始采用的是35kV電價(jià)，經(jīng)過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)這個(gè)電價(jià)對(duì)電網(wǎng)的影響是不利的。后來在 2008年采用了20kV電價(jià)才改變了這一局面。20kV配電網(wǎng)電價(jià)的合理制定與電網(wǎng)的投資、運(yùn)行成本和現(xiàn)行35kV和10kV電價(jià)等因素有關(guān)，其中運(yùn)行成本因素是主要因素，具體制定時(shí)可參照35kV和10kV電價(jià)，再綜合考慮電網(wǎng)的投資和運(yùn)行成本等因素來確定。一般來說應(yīng)是35kV電價(jià)低于20kV電價(jià)，20kV電價(jià)低于10kV電價(jià)，據(jù)有關(guān)資料介紹中壓電價(jià)定在以下值較為合理：10kV為0.562元/kW·h；20kV為0.547～0.562元/kW·h；35kV為0.547元/kW·h[5]。對(duì)于10kV配電網(wǎng)改造為20kV配電網(wǎng)，電力用戶節(jié)省的電費(fèi)可補(bǔ)償投資增加的費(fèi)用，補(bǔ)償結(jié)束后就可享受20kV電價(jià)帶來的好處。從長遠(yuǎn)觀點(diǎn)看城區(qū)建設(shè)和改造20kV電網(wǎng)后電價(jià)的變化用戶總體上是受益的。

5 結(jié)論

配電網(wǎng)中采用 20kV電壓相對(duì)其他電壓具有明顯的優(yōu)勢(shì)：增加供電半徑、降低電網(wǎng)的電壓損失和線損率、降低電網(wǎng)的電能損耗和滿足高負(fù)荷密度供電的要求等；20kV配電電壓的推廣在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上是可行的：供電可靠性可以通過配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和各種保護(hù)來保證，20kV配電設(shè)備的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)能力國內(nèi)廠家已具備，20kV配電網(wǎng)的投資較其他配電電壓要少；推廣需注意的問題有：試點(diǎn)區(qū)域的合理選擇、運(yùn)行中需注意的問題、中性點(diǎn)運(yùn)行方式的合理選擇、原有 10kV配電設(shè)備的再利用問題和電價(jià)的合理制定。由此可見，我國已具備應(yīng)用 20kV配電網(wǎng)的能力和條件，但考慮到 10kV配電網(wǎng)在我國已有相當(dāng)基礎(chǔ)，大面積推廣20kV配電電壓還存在很多困難，所以現(xiàn)在只適合在具備條件的地區(qū)試點(diǎn)。

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