中壓配電電壓序列技術特性分析

徐慶華，鞏保峰，穆永保，陳 寧，劉 航，王 攀

(國網河北省電力公司邯鄲供電分公司，河北 邯鄲 056035)

中壓配電電壓序列技術特性分析

徐慶華，鞏保峰，穆永保，陳 寧，劉 航，王 攀

(國網河北省電力公司邯鄲供電分公司，河北 邯鄲 056035)

從線路傳輸容量、供電電壓質量、供電半徑及傳輸距離、線路功率損耗4個方面對中壓配電電壓序列10 kV，20 kV，35 kV進行了技術特性分析，得出結論：中壓配電網采用較高的電壓等級，可以提高線路輸送功率、降低電壓損耗、增大供電半徑、減少線路走廊。

中壓配電網；電壓序列；供電半徑；線路走廊

0 引言

合理配置電壓序列、簡化電壓序列不僅可以提高城市電網的整體供電能力，擴大電網對不同性質及不同密度負荷的適應性，同時還可以降低網絡損耗，節省有限的空間資源，減少電網建設和運行成本。以下分析中壓配電電壓序列10?kV，20?kV，35?kV的技術特性，為中壓電壓序列優化研究和應用提供參考。

1 我國中壓電壓序列現狀

我國大部分地區現行中壓配電網以10?kV為主要電壓等級，少數地區以35?kV和20?kV進行配電。隨著經濟發展，用戶用電水平提高，負荷密度隨之上升，特別是城市電力負荷密度增加更快，供電范圍也不斷擴大，一些地區10?kV配電網絡已經不能適應負荷增長需求，主要表現為：供電半徑不足，難以擴建發展，難以滿足高負荷密度用戶用電需求，配電線損大，電能質量差等。

近年來，隨著電網的發展，在北京、天津、上海、重慶、南京、武漢等大型城市中，220?kV終端變電站已深入負荷中心，逐漸承擔起高壓配電的功能，與110?kV變電站出現部分功能重疊。中壓配電網電壓序列的選擇直接影響到供電質量、電網能量損耗、電網建設投資和電網年運行費用等一系列問題。此外，電網建設的外部制約因素也愈加突顯，如變電站占地、線路走廊問題等。

因此，能否增大配電網容量已成為目前電網面臨的突出問題。在電網建設方面，應采取提高和簡化電網電壓等級，根據地區用電特點選擇合適的電壓序列等措施。傳統的10?kV供電方式的安全性、可靠性問題凸現，突出的問題是供電距離、供電能力和線路損耗難以適應負荷發展的需要。20?kV電壓等級的出現，正是為了提高中壓配電電壓，適應負荷密度增長和電網發展的需求。而目前有些地區，也已將35?kV電壓直接作為低壓配電電壓供電，以滿足日益增長的負荷需要。

2 中壓電壓序列技術特性分析

2.1 線路輸送容量分析

電力線路的經濟輸送容量取決于線路的經濟電流密度，其經濟輸送容量為

式中：SJ為線路的經濟輸送容量；Ue為線路額定電壓；IJ為電力線路的經濟負載電流；J為線路經濟電流密度；M為線路導線截面積；cosφ為線路功率因數。

我國公布的不同材質導線的經濟電流密度如表1所示。

表1 導線經濟電流密度 A/mm2

在電壓等級不同、經濟負載電流IJ相同的情況下，線路輸送功率關系為:

這說明線路的輸送功率與電壓成正比。

在導線材質和截面相同(導線單位阻抗Z相同），輸電距離L、電壓損耗百分比ΔU%也相同的條件下，對不同電壓序列有:

由ΔU1=I1ZL，ΔU2=I2ZL得:

在上述條件下，不同電壓序列輸送功率有如下關系：

式(6)表明在導線材質和截面、輸電距離、電壓損耗百分值相同條件下，電壓等級U1的輸送功率是電壓等級U2輸送功率的(U1/U2)2倍。

綜上可知，提高電壓等級可有效提高線路輸送功率，即輸送相同功率時，高電壓等級可減少出線回路數，有利于解決線路走廊緊張的問題。

2.2 供電電壓質量分析

“電壓損耗”是指輸電線路首端和末端電壓的絕對值之差。對于某電壓等級的供電線路，由于線路阻抗的作用，當有負荷電流通過時，在線路上會產生電壓損耗。電壓損耗計算公式如下：

式中：ΔU為電壓損耗，kV；P，Q為負荷有功、無功功率，kW，kvar；Rl，Xl為線路單位長度電阻、電抗，Ω；S為線路輸送容量，kW；L為供電距離，km；UN為線路(電網)額定電壓，kV；cosφ為功率因數。

由式(7)，在負荷相同、導線參數相同時，電壓損耗率之比如下：

由此可知，對于10?kV，20?kV，35?kV電壓等級，在負荷、線路參數相同的情況下，10?kV電壓等級電壓損耗最高，20?kV，35?kV電壓等級電壓損耗分別比10?kV降低75?%，92?%。當輸送相同功率時，采用高一級電壓等級更有利于保證電壓質量。

2.3 供電半徑及輸送距離分析

供電半徑是從電源點開始到供電最遠負荷點之間的線路距離。由于輸電線路在輸送功率時，沿線會產生電壓降，因此不同電壓等級的線路，按受電端電能質量的要求，有最大供電距離(即供電半徑)的限制。經濟供電半徑是基于規劃期限內，單位供電面積所需總計算費用最低的線路供電范圍，此供電半徑具有最佳的經濟效益。總計算費用包括:送變電工程與線路工程建設投資，各項工程的折舊維護費用和運行壽命期的電能損耗費用。經濟供電半徑指標與負荷密度密切相關。同時，供電距離的大小與運行的經濟性、穩定性有很大的關系，在滿足一定負荷密度水平下進行供電距離的計算是十分必要的。

2.3.1 ??約束條件

由前述分析，電壓損耗與輸送距離成正比，輸送距離越大，電壓降越大，這不僅會造成損耗的增加，嚴重時還會威脅到電網的穩定運行。依據《電能質量?供電電壓偏差》(GB/T?12325—2008)中供電電壓偏差限值：35?kV及以上供電電壓正負偏差絕對值之和不超過標稱電壓的10?%(注：如供電電壓上下偏差同號——均為正或負時，按較大的偏差絕對值作為衡量依據)；20?kV及以下三相供電電壓偏差為標稱電壓的±7?%。

因此，按照上述規定，選擇10?kV，20?kV等級的電壓降為7?%，35?kV等級的電壓降為5?%作為約束條件，分析在不同負荷密度情況下，各電壓等級的供電距離。

除滿足電壓降約束條件外，為保證線路經濟運行，還需考慮線路的經濟輸送距離約束。計算如下：

用經濟輸送容量Sj替代式(7)中的S，即可得到電力線路的經濟輸送距離Lj，即：

將式(8)中ΔU用電壓損耗百分數ΔU%(ΔU% =ΔU/UN×100?%)替代，則電力線路的經濟輸送距離Lj可表示如下：

我國各電壓等級線路輸電能力如表2所示。

表2 各電壓等級線路輸電能力統計

2.3.2 ??計算模型

假定某供電區域由圓形區域單元組成，其中：圓形區域半徑為r；圓形區域面積為S；負荷密度為σ；每條線路所供負荷為p。據此可得，圓形供電區域面積為S=πr2，該區域負荷為P=σS，則該區域需建設線路回路數為(取整)，每條線路所供負荷p=P/n。

根據公式計算電壓降，當電壓降不滿足要求時，應適當減小供電距離，得出供電邊界距離。以此類推，改變區域內的負荷密度，得到不同負荷密度下各配電電壓的供電距離。確定供電距離的流程如圖1所示。

依據上述分析，在不同負荷密度區間，采用相同材質和截面的導線，在滿足電壓降、經濟輸送容量和經濟輸送距離的條件下，分別求取10?kV，20?kV，35?kV電壓等級的供電距離(見表3)。

通過以上分析，得到如下結論：

(1)?對于同一中壓電壓等級，采用同樣規格導線，在滿足電壓損耗、經濟傳輸容量和經濟傳輸距離的約束條件下，隨著負荷密度的增加，線路的供電距離逐漸縮短。

(2)?對于不同中壓電壓等級，采用同樣材質和截面的導線，電壓等級越高，供電半徑越大。當配電電壓由10?kV升至20?kV后，供電半徑增加約1倍，供電范圍增加約4倍；當配電電壓由10?kV升至35?kV后，供電半徑增加約3倍，供電范圍增加約9倍。

圖1 供電距離確定流程示意

表3 不同電壓等級的供電距離

2.4 線路功率損耗分析

線路功率損耗是電力網損的重要組成部分。對于一般輸電線路的功率損耗，若已知線路的負荷電流時，則該段線路有功功率損耗和無功功率損耗分別為:

若已知該段線路的負荷功率，則其有功功率和

無功功率損耗分別為:

由此，在導線規格、負荷功率和功率因數均相同的情況下，可得：

線路無功功率損耗關系與有功功率相同。

由此可見，在滿足一定條件下，電壓由10?kV升至20?kV，線路功率損耗降低約75?%；電壓由10?kV升至35?kV，線路功率損耗降低約92?%。在條件允許范圍內，適當提高電壓等級，可有效降低線路損耗，取得良好的經濟效益。

2.5 線路走廊分析

提升中壓配電電壓，不僅可以提高供電能力，而且可以節省線路走廊，特別是對于城市土地緊張地段具有重要意義。不同容量主變中壓線路回數如表4所示。

表4 不同容量主變中壓線路回數

以110/10?kV電壓等級容量50?MVA的主變為例，由表4可以看出：

(1)?升壓改造為63?MVA容量的110/20?kV變壓器，變電容量增加到原來的1.26倍，而線路回數由12回減少至8回，節約線路走廊近1/3。

(2)?升壓改造為80?MVA容量的110/20?kV主變壓器，變電容量增加1.6倍，而線路回數由12回減少至10回，節省線路走廊1/6。

(3)?升壓改造為100?MVA容量的110/20?kV主變壓器，出線回路數相同，但此時中壓網絡的輸送容量增加了1倍。

3 結束語

分析了中壓配電電壓序列研究內容，中壓配電網采用較高的電壓等級，可以提高線路輸送功率；降低電壓損耗，提高供電質量；增大供電半徑，增加輸送距離；降低配網功率損耗；減少線路走廊，節約土地資源。對于城市新區、工業園區等新建配電網,提升中壓配電電壓等級在技術上是合理的。

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陳??寧(1983—)，男，工程師，主要從事電網規劃管理工作。

劉??航(1986—)，男，工程師，主要從事電網規劃管理工作。

王??攀(1983—)，男，工程師，主要從事電網管理工作。

2016-10-26。

徐慶華(1983—)，男，工程師，主要從事電網規劃管理工作，email：13463007683@163.com。

鞏保峰(1979—)，男，高級工程師，主要從事電網規劃管理工作。

穆永保(1982—)，男，高級工程師，主要從事電網規劃管理工作。