20kV 中壓配電電壓等級應用研究

丁永清 王大鵬 柯 乾

（國網池州供電公司，安徽 池州247000）

0 引言

隨著我國城市經濟的高速發展和城市建設不斷深化，城市電力需求也在大幅增長。城市電網作為城市的重要基礎設施，有必要通過合理配置電壓等級以更好地滿足城市經濟發展的需要。

目前國內城市主要采用10kV 作為中壓配電網的電壓等級，技術和管理經驗較為成熟。然而，隨著負荷密度不斷增長，10kV 配電網建設運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，進而引發了變電站站址選擇和線路走廊出線困難等一系列問題，逐漸成為配電網發展的瓶頸。

實踐證明，在高負荷密度地區，配電網采用20kV 電壓等級不僅從技術上可以提高輸電能力，改善電壓質量，降低電能損耗，而且落實到工程實踐上，也可大大減少中壓配電線路占用的線行通道，同時有效節省電網建設投資。在電網負荷密度較高的大城市中心區、工業密集區采用20kV 電壓供電，對解決10kV 供電能力有限、線行通道難落實等問題，不失為一種既經濟又有效的途徑。蘇州的新加坡工業園區1996年在全國率先采用20kV 供電［1－2］，在規劃、建設、運行和維護 等方面積累了豐富的經驗。多年的運行實踐表明，20kV 相對10kV 在高負荷密度區域，具有供電能力大、電壓質量高、電網損耗低等明顯的優勢［3］。

本文通過技術、經濟分析，研究20kV 引入的可行性。對20kV、10kV 兩個電壓等級進行比較，并提出20kV 配電網的主要技術原則，以合理配置電壓等級，促進中壓配電網的和諧發展。

1 20kV 引入的可行性分析

1.1 20kV 對中壓配電網的影響

由理論分析可知，相比于10kV 中壓配電電壓等級，20kV具有減少電壓損失、增大輸送功率、擴大供電范圍、降低線損、節約有色金屬等技術優勢［4－5］。此外，采用20kV 取代10kV電壓等級，還可以減少主變低壓側的短路電流。

1.2 20kV 可行性分析

20kV 作為中壓配電電壓等級，在技術性能上較10kV 存在一定的優勢［6－8］。然而，只有技術上可行，才能保證20kV 的廣泛使用。一方面，20kV 的電氣設備應該具備生產能力且造價合理；另一方面，對于20kV 的運行和管理經驗需要不斷積累。

目前，20kV 設備的生產技術比較成熟，依靠國內水平生產供應20kV 設備是完全有保障的；20kV 設備的造價比10kV設備有所增加，總體增加幅度在5%～15%的范圍內。在20kV運行管理方面，國內對于20kV 線路升壓改造、過電壓保護、防雷問題、繼電保護方案等都有成熟的運行方案。所以，在我國城市電網采用20kV 作為中壓配電電壓等級，在技術上是可行的。

2 20kV 技術經濟分析

2.1 技術經濟分析原則

合理的電壓序列事關電網運行的可靠性、經濟性和安全性。負荷水平、存量資產、技術約束、廊道資源等都是影響電壓等級選取的重要因素，同時，還要考慮其對電力用戶和社會的影響。因此，20kV 技術經濟評價的主要原則包括：

（1）滿足飽和負荷階段對安全可靠、優質供電的要求，必須在供電能力、供電可靠性、電壓質量等相關技術指標上滿足要求。

（2）在技術可行的前提下，充分考慮經濟的合理性，以全生命周期最優為原則，全面分析所有建設成本與運行成本。

2.2 邊界條件

中壓配電電壓等級技術經濟比較的邊界條件如下：

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

（2）中壓配電網接線模式按電纜線路單環網接線，線路負載率控制在50%以內。

（3）區域負荷密度指標為5～50 MW/km2，供電區域內負荷均勻分布。

（4）配電網呈放射狀網絡結構，各個高壓變電站的供電范圍為圓形。

（5）主變容量臺數：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 計算方法

可靠性計算采用故障遍歷法［9－10］，即逐個假設電網中的元件（包括母線、線路、環網柜/開關柜、配電變壓器）故障，求出每個元件故障時用戶停電時戶數，最終求出供電可靠性水平。

衡量可靠性的指標主要采用供電可靠率（RS），計算公式為：

式中，Nz為系統中總用戶數；Ni為故障時受影響的用戶數，與平均年停運時間Ui相對應；8 760為一年的小時數。

2.3.2 計算結果

采用上述方法和基本參數，計算4種配電方案的供電可靠性水平，結果如圖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 經濟性比較

2.4.1 計算方法

選用單位負荷年費用作為4種配電方案的經濟性比較的依據［11－12］。單位負荷年費用包括送電、變電和配電設備建設投資的等年值、維修運行費和電能損耗費，即：

式中，F0為單位負荷年費用；Fd為送變電設備建設投資的等年值，Fd＝KdZ，Kd為投資等年值系數，Z 為單位面積建設投資；Fv為維修運行費，Fv＝KvZ，Kv為設備年維護率（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為單位負荷電能損耗。

2.4.2 計算結果

4種配電方案的單位負荷年費用如圖2所示。

圖2 4種配電方案年費用比較

根據計算結果可以看出：

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

（2）在負荷密度σ≥10 MW/km2的情況下，4種配電方案中以220/20kV 配電方案的年費用最小，20kV 電壓等級的經濟優勢開始顯現。

2.4.3 經濟比較結論

（1）對于新建區尤其是負荷密度較高的新區，中壓配電電壓等級采用20kV 具有較好的經濟性，簡化110kV 電壓等級的方案也具有較好的經濟性，可以優先選擇220/20kV 配電方案。

（2）對于改造區，由于改造和過渡費用所占比重較大，可以結合電網現狀與飽和電網的負荷密度，測算電壓序列優化的經濟性。如飽和負荷密度低于現狀的3倍，可以維持現有電壓序列；如飽和負荷密度高于現狀的3倍，采用20kV 的經濟性更優。

3 20kV 配電網技術原則分析

3.1 20kV 網架結構

3.1.1 供電半徑

高負荷密度區，供電半徑宜控制在3km 以內；中等負荷密度區，供電半徑宜控制在5km 以內；低負荷密度區，根據負荷實際情況核算電壓降，供電半徑可以適當放大，一般不宜超過10km。

3.1.2 架空系統網架結構

架空線路可采用手拉手接線或多分段適度聯絡接線。

20kV 架空線路應依據線路長度、負荷水平和裝接配變情況進行分段，一般分為3～4段，每個分段裝接配變容量4 000～6 000kVA。支線接入配變超過5臺或接入容量超過3 000kVA時應裝設分支斷路器。

3.1.3 電纜系統網架結構

電纜線路主要采用單環網、雙環網、雙放射或N 供一備接線。

3.2 20kV 中性點接地

20kV 電纜配電網中性點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，中性點接地電阻為20Ω。

20kV 架空線路可采用可自動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?？蛇x取4×75 MVA、4×100 MVA、4×150 MVA。

220kV 側一般采用雙母線雙分段接線，6～8回220kV 出線；110kV 側一般采用雙母分段接線，10～12回110kV 出線；20kV 側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?？蛇x取4×75 MVA、4×100 MVA。

220kV 側一般采用雙母線雙分段接線，4～6回220kV 出線；20kV 側一般采用單母分段接線，每段母線10～12回20kV出線。

3.4 20kV 導 線

20kV 架空線路應采用鋁芯絕緣導線，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。主干線導線截面應核算電壓降不大于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，公變容量宜選擇1 250kVA 以下。

（2）20kV 配電變壓器的接線組別：Dyn11。

（3）可根據環境需要選用柱上變壓器、組合式箱變或干式變壓器。柱上油浸配變容量不宜超過315kVA，應選用全密封結構；組合式箱變中油浸配變容量不宜超過630kVA；干式配變容量不宜超過1 000kVA。

3.6 繼電保護

（1）20kV 饋線及主變20kV 側均配置反映接地故障的零序保護：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 側零序保護電流取自主變20kV 中性點或接地變中性點電流互感器。

（2）220/110/20kV 三圈變的20kV 側應配置反映相間故障的復合電壓閉鎖過流保護，當主變20kV 側采用雙分支開關時，為了保證選擇性，復合電壓閉鎖過流保護應在每個分支上均配置，電流分別取自對應的分支CT，電壓取自分支對應的母線PT。

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

4 結語

本文對20kV 引入中壓配電電壓等級進行論證，從技術、經濟兩個主要方面，選用供電可靠率和單位負荷年費用指標，對10kV 和20kV 中壓配電電壓等級進行了系列比較。通過分析可以看出，20kV 電壓等級在經濟、技術上都存在著一定的優勢。

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

［1］姜祥生，唐德光.蘇州工業園區配電網電壓等級論證［J］.供用電，1995（1）：18－21.

［2］姜祥生.蘇州工業園區20kV 配電工程簡介［J］.華東電力，1997，25（10）：21－23.

［3］范明天，張祖平，劉思革.城市電網電壓等級的合理配置［J］.電網技術，2006，30（10）：64－68.

［4］陳瑾，李宏偉，王建興.中壓配電網采用20kV 電壓等級的可行性分析［J］.云南水力發電，2006，22（5）：91－94.

［5］賈志杰.中壓配電網采用20kV 電壓等級的可行性研究［D］.西安：西安交通大學，2003.

［6］孫西驊，樊祥榮.城市中壓配電網改造應首選20kV 電壓等級［J］.浙江電力，1996，15（6）：6－10.

［7］孫西驊，許穎.關于城市電網改造與推廣20kV 中壓配電的問題［J］.電網技術，1996，20（3）：58－60.

［8］于嶠.中壓配電網電壓等級問題的探討［J］.黑龍江電力，2006，28（4）：244－247.

［9］別朝紅，王錫凡.配電系統的可靠性分析［J］.中國電力，1997，30（5）：10－13.

［10］陸志峰，周家啟.計及開關和母線故障的配電系統可靠性評估［J］.電網技術，2002，26（4）：26－29.

［11］謝瑩華，王成山，葛少云，等.城市配電網接線模式經濟性和可靠性分析［J］.電力自動化設備，2005，25（7）：12－17.

［12］王成山，王賽一，葛少云.中壓配電網不同接線模式經濟性和可靠性分析［J］.電力系統自動化，2002，26（24）：34－39.