對國家電網末端中低壓側規劃的建議

張賀遠

(中國建筑設計院有限公司， 北京 100044)

對國家電網末端中低壓側規劃的建議

張賀遠

(中國建筑設計院有限公司， 北京 100044)

對目前國家電網的中低壓輸配電系統各級電壓的合理組合、地區電網規劃及變電站位置的設置提出了建議，淺述了“線損比”及入戶電壓的高、低，分析了中壓配電系統兩種接地形式的利弊及適用場所，以供設計人員參考。

變壓器變比 線損比 緊湊型變電設備 不接地系統

0 引言

降壓站、變電所深入負荷中心的重要性眾所周知，但真正做好并不容易，首先，需要因地置宜地布置降壓站、變電所的位置，合理規劃變電級數(變壓器的變比組合、線損比)以及入戶電壓，盡量縮小用戶變電所的建筑面積，克服各方面的困難和阻力。

另外，雖然許多規范條文(正確的與錯誤的并存，清晰的與含混的交織)規定了輸配電系統各級電壓的接地形式，但很多項目都未能很好地執行，實際做法較混亂、費工費料且安全性令人擔憂。目前需解決的關鍵問題是：相關決策者必須將高壓、中壓(尤其是包含低壓配電系統)作為整個輸配電系統的整體，將其變電級數及接地形式統一考慮，上、下級統籌兼顧，達到既節能又安全的目的。

1 輸配電電網現狀

輸配電包括從發電、升壓、輸電、降壓直至配電送至用戶等一系列的步驟，是一個龐大而復雜的系統，由國家電網公司統一管理，電網的末端供電給用戶。計費方式有兩種：一種是公共建筑(如商場、辦公樓、工業建筑等，簡稱“公建”)用電，在用戶變電所內的高壓側設專用計量柜計費，變電所由用戶自管，產權歸用戶；另一種是居民住宅用電(簡稱“低基”)，在低壓配電系統的末端每戶裝電表計費，變電所由供電公司管理，產權歸供電公司。

1.1 我國電網電壓等級的現狀及分段

1)電壓等級的現狀

在我國建國初期，國家電網的容量不大、電壓不高。經改革開放近40年的快速發展，我國在發電、輸電、超高壓技術等各方面都有了長足進步。隨著電網的不斷增容、改造，高壓電網的電壓也逐步升高。其最高電壓由110kV升至220kV、330 kV、500 kV、750 kV、1 000kV。

2)電壓等級分段

我國在2011年以前，電壓等級只分為高壓和低壓兩段(1 000V以上為高壓，1 000V及以下為低壓)，沒有明確設置中壓段。但在國際上尤其是發達國家都設有中壓段，既方便使用，又安全、節能。因此自2011年以后，我國也將電壓等級分為高壓、中壓、低壓三段。

1.2 各級電壓的合理組合方案

輸配電電網變壓器的變比(上下級電壓的級差)不宜太大或太小。若電壓級差過大會造成變電設備困難、低壓出線回路過多、低壓側送出困難等，且送電距離越長、損耗越大；反之，若級差太小，會造成變電層次多，導致不必要的重復變電，增加電網設備運行費用。有文獻資料針對國家高壓電網變比過小的問題，提出“舍二求三”原則，即高壓電網各相鄰電壓級間的倍數(變壓器變比)應“力求接近或超過3”，舍棄倍數僅為2或接近2、甚至小于2的兩級中的某一級。

1.3 我國各級電壓組合的現狀

1)電網電壓級差(變壓器變比)過小

因為國家電網的設備是隨著最高電壓的逐步升高而逐步更換的，電壓每升高一級，變壓器的變比一般僅為2。但變電級數的不斷增多會使供電系統越來越復雜。所以目前國家電網的新舊變電站共存現象普遍，許多變電站的變壓器變比還是220/110kV。

有資料顯示，根據我國電網的現狀，可供優選的高/中/壓級電壓組合的方案有6種：220/110/10kV、220/110/20kV、220/110/35kV、220/110/35/10kV、220/60/10kV、220/60/20kV，其中有4種組合方案的變壓器變比是220/110kV，變比僅為2，顯然不合理。故筆者建議，在新建或改建的電網中，不要再繼續沿用上述不合理的變比方案。

2)電壓組合方案不合理

目前高壓輸電的電壓組合方案級差(變壓器變比)過小，但用戶變電所內的變壓器變比(10/0.4/0.23kV)卻已達到25，過大。而且，現在某些地區要求將入戶電壓提高到20kV，反而會導致有的變壓器變比(20/0.4/0.23kV)高達50。這種變壓器變比過大和過小并存的現象是不合理的，但目前仍普遍存在。

3)電壓等級的分段

(1)高壓電網主要電壓等級標準分別是：35(66)kV、110kV、220kV、330kV、500kV、750kV、1 000kV。

(2)中壓電網主要電壓等極標準為：6kV、10kV、20kV(根據負荷增長可擴展至35kV)。

(3)低壓電網(即供用戶內使用的低壓的電壓)主要電壓等級標準為：0.4/0.23kV(380/220V)。

(4)安全電壓主要電壓等級標準為：50V、25(24)V、12V。

4)規范的變化

需要說明的是，GB 50053-2013《20kV及以下變電所設計規范》中用20kV取代10kV僅僅是該規范適用范圍的擴大，并不意味著入戶電壓都要用20kV取代10kV。規范的變化不應影響各級電壓的組合方案，不應因此造成各級電壓組合方案的不合理。

1.4 常用電壓的合理組合方案

1)220/35kV、110/35kV、110/10kV、35/10/0.4/0.23kV、10/0.4/0.23kV這5種中壓組合方案符合“舍二求三”原則以及“中壓”變“低壓”的組合方案變壓器變比為10～25。

符合以上兩條原則的電壓組合方案，可以減少輸電線路的線損，減少變配電設備的規格，便于管理，降低造價。

2)如果在用戶變電所內采用高電壓的用電設備，可直接將高電壓的電能轉化為機械能，節能效果最佳。

目前，采用10kV的入戶電壓已經不低，且在大型民用(如高層、超高層的商業、辦公、酒店、公寓等)10萬m2以上的“公建”中(除特殊情況外)，以常用的10kV電壓入戶較為合理。

3)對于某一項具體的工程而言，究竟采用哪個電壓等級入戶更合理，應由供電公司、工程建設方、工程設計的電氣、暖通專業等多方協商，因地制宜地確定。

4)不同電壓等級的“線損比”，是指在導體截面、傳輸功率相同的條件下，不同電壓在線路上的電能損失(I2R)之比。因為采用不同的電壓傳輸相同的功率時，采用導體的截面必然不同。所以，“線損比”應該是“低壓側電流與高壓電流之比”與“低壓側導體截面與高壓側導體截面之比”的乘積。

變壓器的變比只要大于10，上下級的“線損比”就小于1%，因此，與低壓側的線損相比，高壓側的線損可以忽略。

當用戶的入戶電壓為10kV時，其變壓器的變比為25，高低壓側線路的“線損比”即為0.16%。此時，假若變電所偏離負荷中心，則0.4kV線路延長1m，其線損就相當于10kV線路延長625～692m(用400V～380V計算)；假如用戶10kV/0.4kV變電所偏離負荷中心50m，則相當于10kV變電站偏離負荷中心31～34.6km。

當用戶的入戶電壓為20kV時，變壓器的變比為50，則上、下級線路的“線損比”為0.04%。此時，若用戶變電所偏離負荷中心，則低壓線路每增長1m，其線損就相當于20kV線路延長2.5～2.77km。綜上所述，將低壓用戶變電所深入負荷中心才是最重要的。

5)可通過提高入戶電壓的方法，提高供電能力，但不宜采用單臺容量大的變壓器，因為它會增大短路電流，提高對斷路器分斷能力的要求，弊病很多；也不宜集中設置多臺變壓器，會加長低壓線路的供電半徑，增加電能損失。其仍需分區設置小型變電所，以縮短低壓供電半徑、減少線路電能損失。

總之，對于新建或改造的國家電網(或稱為“公網”)，只有統籌兼顧其高壓、中壓、低壓的各級變壓器變比的組合，才能達到既安全又節能的目的。

2 中、低壓輸配電系統變電站位置的設置原則

如上所述，必須在建筑物群總體規劃設計的基礎上，按照自下而上推進的原則，進行區域降壓站及用戶變電所位置的設計。首先必須將用戶變電所的位置設置在用戶的負荷中心，再將上級降壓站設置在以用戶變電所為負荷中心的位置。這樣，既確定變電所及變電站的位置，又使國家電網真正達到安全、節能的目的。

為了更有效地使用戶變電所深入負荷中心，需要縮小用戶變電所面積。在這方面，我國與發達國家相比存在很大差距：在歐洲、美國、日本等國家，都采用緊湊型成套變配電設備，將變配電設備設置在公建或住宅樓內，一個小型的單臺變壓器變電所占地面積僅為25～40m2，兩臺變壓器的變電所面積可<80m2，為變電所深入負荷中心創造有利條件；按照中國的變電所設計規范，對變電所內設備的布置有各種距離的要求，變電所的占地面積很難縮小(例如占地面積最小的方案：兩臺800kVA以下的變壓器，高壓采用環網柜、無值班室，面積約需100m2；如果兩臺變壓器容量大、高壓采用中置柜、有值班室，變電所占地面積約為250m2)，而且常常是多臺變壓器安裝在一起(每臺變壓器的容量也比較大，變電所面積更大)，供電范圍大，使變電所嚴重地偏離了負荷中心。

近幾年來，中國已經有廠家生產緊湊型成套變配電設備(類似室外“箱變”去掉外殼安裝在室內)。這種定型產品(已生產多年)只要征得當地供電部門同意便可在工程中實施，使變電所深入負荷中心。

現在，世界上的發達國家均采用低電壓的小容量變壓器入戶，變壓器真正深入了負荷中心，節能效果非常顯著(有資料介紹，現在某些發達國家的單位GDP能耗僅為我國的1/10)。

3 中壓系統兩種接地形式比較

3.1 中壓配電系統采用小電阻接地形式(也稱有效接地)

1)中壓側采用小電阻接地，相線一旦發生接地故障，保護裝置便迅速切斷電源，供電連續性差。

2)若用戶變電所設在建筑物內，變壓器外殼的保護接地與低壓配電系統的工作接地不能分開。當變壓器的高壓側發生接地故障時(一般10kV電源側的接地電阻為10Ω，低壓側的接地電阻為0.5Ω)，接地短路電流約為550A，則低壓側接地電阻上的電壓降約為250V，使低壓配電系統的PE線對大地有250V的電壓(即10kV電源側的短路電流在低壓配電系統接地電阻上形成的電壓降為250V)，很不安全。為解決觸電風險，采用總等電位聯結。

3)解決總等電位(含局部等電位，輔助等電位等)聯結問題時，由于存在認識上和技術上的難點，很容易出現錯誤。有時認為已經“等電位”了，其實仍存在危險。例如“民規”10.9.3條中規定：安裝于室外景觀照明中距建筑物外墻20m以內的設施，應與室內系統的接地形式一致，距建筑物外墻大于20m宜采用TT接地形式。并沒有考慮中壓配電系統接地型式的不同對低壓系統的影響。

“設計規范”尚有這樣的疏漏，工程設計中就更難避免中壓配電系統采用小電阻接地時對低壓用戶安全的嚴重影響了。因為小電阻接地時對建筑物內等電位聯結的要求很高。在許多情況下(例如，獨立樁基的單層大跨度廠房，需要費工費料去做等電位聯結網)，即使投入了很多人力物力，其等電位的效果也不一定很好，仍存在人身電擊危險。

4)當變電所獨立設置時，低壓配電系統的工作接地與高壓設備及變壓器外殼的保護接地可分開設置。當高壓側發生接地故障時，其保護接地電阻上的電壓不會傳到低壓側的PE線上，但接地極的占地面積需要加大。而且建筑物內的接地在仍必須采用TN-S(或需要TN與TT混用)系統的情況下，出現問題或疏漏的幾率也會增加。

若低壓配電系統采用TT接地形式，當中壓側發生接地故障時，保護電器切斷電源的時間<5s，則按絕緣配合要求的電壓提高到1 200V，電源側由10kV改為20kV，其線路和設備的投資會增加。

3.2 中壓側不接地(或消弧線圈接地、諧振接地等)系統的特點

1)一旦發生單相接地故障，輸配電系統是一點接地，不形成回路。僅有很小的接地故障電容電流及線路接地故障監視電壓互感器的短路電流，可以只報警不斷電，不影響用戶用電，供電連續性好。

雖然當發生單相接地故障時，其他兩相對地電壓會升高，需要加強線路和設備的絕緣，但與其優點相比，利大于弊。

此接地系統形式，特別適用于不允許中斷供電的重要設備及場所，例如，實時計算機系統及煤礦、軍工、醫院手術室等。

2)由于技術的迅速進步，中壓配電系統可設置絕緣監視裝置。當系統絕緣電阻下降到一定值時，絕緣監視裝置便可及時報警，提醒配電系統的管理人員及時檢查處理(有無大短路電流、有無電磁干擾)，不中斷供電。

3)PE線、接地體及設備的外露可導電部分上，不會出現危險的電擊電壓，很安全。

4)中壓側不接地系統的各類用戶變電所(含戶內變電所、附設式變電所、獨立變電所或預裝式變電站等)的接地，均可將低壓配電系統的工作接地與保護接地(變壓器及用電設備的外露可導電部分等)合用接地裝置。將變壓器低壓側的中性點一點直接接地，其接地電阻值只要≤4Ω(若為滿足電訊系統的要求，接地電阻值可降到≤1Ω)即可，且這樣的接地電阻值在一般民用建筑中就能做到。

5)按絕緣配合要求，中壓側不接地(或消弧線圈接地、諧振接地等)，低壓配電系統可采用450/750V的導體，對設備的絕緣要求也低一些。

6)我國自建國以來，中壓輸配電系統按照蘇聯規范，一直采用中性點不接地系統，尤其是對于山區或農村，輸電線路采用架空方式(電容電流很小)，發生接地故障時，電擊電壓低，安全實用、節約投資。

7)對于供電連續性要求不高的一般用戶，當配電系統發生接地故障時，可以既報警又斷電。對于小容量的一般用戶，因其供電范圍小，斷電影響小，其供電連續性與中壓側小電阻接地相同，故管理簡單，且具備不接地系統的電擊電壓低等優點。

4 結束語

綜上所述，筆者認為采用合理的電壓組合方案；縮小變電所的面積，使變電所深入負荷中心；采用合理的入戶電壓；合理的接地形式等一系列的措施會是整個國家電網(“公網”與“非公網”)趨向更加合理的重要方面。

例如，110kV及以上的高壓輸電系統及0.4/0.23kV低壓配電系統(除特殊情況外)均采用直接接地形式；中壓輸電系統采用不接地系統；用中壓系統的不接地，將高壓輸電系統的直接接地與低壓配電系統直接接地隔開，使低壓配電系統的接地不受上級配電系統接地的影響(當高壓輸電系統發生接地故障時，不會在低壓系統接地的PE線上產生很高的電擊電壓)，使低壓配電系統更安全。

供、用電系統的合理、安全、節能，是業內人士的終極目標和追求。筆者僅從工程技術應用的角度，直言不諱的談些看法，難免片面，望批評指正。

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充電樁的通信方式

電動汽車充電樁屬于配電網側，其通信方式往往和配電網自動化一起綜合考慮。通信 是配電網自動化的一個重點和難點，區域不同、條件不同，可應用的通信方式也不同，具體到電動汽車充電樁，其通信方式主要有有線方式和無線方式。

1、有線方式

有線方式主要有：有線以太網(RJ45 線、光纖)、工業串行總線(RS485、RS232、 CAN 總線)。

有線以太網主要優點是數據傳輸可靠、網絡容量大，缺點是布線復雜、擴展性差、施工成本高、靈活性差。

工業串行總線(RS485、RS232、CAN 總線)優點是數據傳輸可靠，設計簡單，缺點是布網復雜、擴展性差、施工成本高、靈活性差、通信容量低。

2、無線方式

無線方式主要采用移動運營商的移動數據接入業務，如：GRPS、EVDO、CDMA 等。

采用移動運營商的移動數據業務需要將電動汽車充電樁這一電網內部設備接入移動運 營商的移動數據網絡，需要支付昂貴的月租和年費，隨著充電樁數量的增加費用將越來越大；同時數據的安全性和網絡的可靠性都受到移動運營商的限制，不利于設備的安全運行；其次，移動運營商的移動接入帶寬屬共享帶寬，當局部區域有大量設備接入時，其接入的可靠性和每個用戶的平均帶寬會惡化，不利于充電樁群的密集接入、大數據量的數據傳輸。

來源：電力電子網

Recommendations for the Medium and Low-voltage Side Planning at the end of the National Grid

Zhang Heyuan

The reasonable combination of voltage at all levels, regional power network planning and substation location in the middle and low-voltage transmission and distribution systems of the national grid are put forward, the "line loss ratio" and the high or low voltage of household voltage are discussed, the advantages and disadvantages of the two grounding forms of the medium voltage distribution system and the suitable place are analyzed, which for designers to reference.

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