農村低密度區采用20kV中壓配電網的研究

孫秀兵　段玉峰　全宏達

摘 要：針對低負荷密度的農村地區，10kV電源站點比較少、線損率較高、供電距離大、電壓質量不能滿足要求等問題，提出了20kV中壓配電網。20kV架空網絡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，增大配電網的供電半徑。通過研究20kV配電網運行技術特性，在主變壓器和配電變壓器、中性點接地、防雷問題等方面提出規劃技術原則，并通過中壓配電網升壓改造的機會，構建穩定的農村低密度區供電網絡。

關鍵詞：20kV；單電源輻射式；手拉手式；升壓改造

中圖分類號：TM726 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）36-0162-03

引言

當前，我國城鄉已逐步建立了220kV、330kV、500kV的高壓配電網，而把10kV作為農村地區的主要中壓配電電壓。國內外配電網發展表明，隨著負荷的逐漸增加，提高中壓配電等級，符合電力發展的規律。由于農村用電量的增加，在負荷密度低的農村地區，10kV電源站點比較少、線損率較高、供電距離大、電壓質量不能滿足要求等問題[1]。另外，對比國外的中壓配電網，我國農村的配電網依然有較大的差距，其原因主要是中壓配電網的靈活性不足，運轉能力不強，通過升壓改造，構建穩定的農村低密度區供電網絡，為提高我國農村低密度區的供電穩定性和可靠性打下堅實的基礎。

1 采用20kV電壓的優勢

現今我國大部分農村地區仍采用10kV的中壓配電網，但在低負荷密度的農村，采用較高的中壓配電網更加經濟。采用高于10kV配電網的優點是：

（1）傳輸相同的容量所需線路數量更少。

（2）在負荷相同時，電壓損耗更低。

在農村電網引入新的電壓等級需要考慮如何保持壓降，由于在地廣人稀的農村地區建造新變電站，當供電能力達到10km以上時，以現有的負載率，很難維持電壓降水平。考慮到經濟因素，新采用的電壓等級不宜太高，研究結果表明：對于農村電網，配電電壓以22kV為邊界，能夠滿足長距離、低密度供電條件下的壓降水平，且供電經濟[2]。

2 農村低密度區的方案評估

方案從兩種電壓等級序列出發500/220/110/35/10/0.4和500/220/110/20/0.4，根據我國農村電網的現狀，只考慮架空線路這種架設方式；考慮到目前我國農村電網負荷密度分布的不均衡性，選擇4種具有代表性的負荷密度400、800、1500和2000kW/km2，因此備選方案為2個，計算方案為8個；由于負荷發展速度的不確定性因素太多，方案只做靜態分析，不考慮時間年限的影響，典型的供電面積為100km2；選取配變容量100kVA和315kVA比較具有代表性[3]。

根據參考文獻[4]的估算模型和計算分析，我們可以對兩種電壓等級序列進行經濟和技術上的評估，具體結論如下：

（1）靜態投資：500/220/110/20/0.4kV方案的靜態投資總是最低的，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）單位負荷密度：500/220/110/20/0.4kV方案的單位負荷投資明顯低于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%。

依據分析結果，我國華東、華中和華北地區農村電網的備選方案為500/220/110/20/0.4kV。

3 農村低密度區升壓改造

在農網改造中，是分階段，分步驟進行的。改造時需要對存量資產合理利用，不能直接把10kV升到20kV，而是逐步實現的。

3.1 分階段改造原則

分3個階段對配電網進行改造：

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

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

（3）改造末期：從改造中期到完成升壓改造，這個階段是進行全面的升壓改造。

對負荷密度小于2000kW/km2，可以緩慢進行升壓改造。對于現有供電充足，用電設備沒有達到工作年限，不管是否增加新負荷，不更改現有10kV電壓等級。對于供電不足，且有新增加的負荷，用電設備也已經達到工作年限，就需要把電壓為10kV的舊設備更換成20kV的新設備， 升壓等級為20kV配電網。

3.2 10kV配電設備利用原則

對10kV設備進行可行的升壓改造，能夠劃分為直接利用、不可直接利用、經改造后方可利用等3類設備：

（1）可直接利用設備：對使用壽命沒有達到規定工作年限的10kV配電設備、經過測試表明符合20kV電壓等級運行要求，如果滿足升壓要求，可直接升至20kV電壓等級運行。

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

（3）經改造后方可利用的設備：未達到規定工作年限的設備，通過技術改造，并滿足經濟性要求，能夠按照20kV的電壓等級運行。

3.3 農村低負荷密度區升壓改造方案

在農村地區主要是35/10kV變電站送出的10kV電壓線路進行供電，要對35/10kV變電站的改造問題進行考慮。農村區域供電情況如圖1所示。endprint

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

方案二：將35kV/10kV變電站改造成為20kV等級電壓，原來的35kV/10kV改造成20kV/10kV聯絡，然后給農村地區供電，等各方面條件都成熟，再按照方案一進行改造。

方案二方法不論改造費用、還是供電半徑的大小，都優于第一種方案，因此建議選擇方案二進行農村區域的升壓改造。

4 農村低密度區20kV配電網運行特性

農村低密度區采用20kV配電網，應充分研究其運行的運行特性，本文從以下幾點具體研究其運行特性：

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受到主變二次側短路電流的影響，各電壓等級母線短路電流限值見表1所示。

表1 各電壓等級短路電流限值

各級主變器的容量是根據短路電流限值選出的，220/110kV主變和220/110/20kV主變容量選擇120MVA、180MVA和240MVA，110kV側出線送電到農村低密度區再降為20kV電壓等級供電，110（60）/20kV主變容量根據負荷密度需求選擇31.5～100MVA，在低密度區可選擇較低容量變壓器，一般選擇YNd11作為主變聯結組別，這種接線能夠有效減弱3次諧波對系統的影響，當主變一次、二次都選擇星形接法，需要在鐵柱上增加一個三角形繞組，為3次諧波電流提供通路[6]。

受低壓側短路容量限制，20/0.4kV配電變壓器最大容量可達到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配電變壓器的聯結組別通常是Dyn11，短路阻抗序列是5.5%、6%、7%。

20/10kV聯絡變壓器在配電網起過渡期間供電和聯絡作用，容量小于1條10kV線路供電容量，選擇2000～8000kVA對于10kV供電，外圍已經形成20kV供電網絡，容量選擇為2000～3000kVA。在20kV和10kV電源側變壓器聯結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 中性點接地方式

在20kV配電網中，電容電流是中性點接地方式的基本依據之一。針對20kV電網，電容電流可通過式（1）求得：

（1）

式中：Un為而定電壓；Co為單向對地電容；l是線路長度，因為農村低密度區采用架空線路，所以架空線路的電容電流式子可簡化為：

Ic=（2.7～3.3）Unl×10-3 （2）

20kV配電網中，不同中性點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

架空絕緣線的防雷措施：

（1）避雷線的保護：避雷線一般用在變電站進線段的進線保護上，在雷電頻繁地區，可在變電站進線1～2km線路上架設避雷線，用以保護變電站內部的設備。在情況允許時，可以架設改善桿塔的接地設施及耦合地線[7]。

（2）線路避雷器的保護：為提高線路的耐雷水平，沿20kV架空線路可裝設避雷器，當線路有串聯間隙時，避雷器額定電壓應不低于1.1倍的最高系統電壓。

（3）其他措施：改善配電架空線上電纜頭、避雷器等設備的接地，調整繼電保護整定措施，加強防雷監控等。

配電變壓器的防雷措施：

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

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

（3）線路開關設備的防雷：裝設避雷器保護，對于負荷開關和斷路器，應裝設避雷器進行保護，開關設備的金屬外殼應與避雷器的接地線相連。

4.4 無功補償

在功率因數低的20kV架空線路上安裝容器，其容量可按線路上配電變壓器總容量的7%～10%來選擇。無功補償裝置應根據便于調整電壓和就地平衡的原則進行相關的配置，采用集中補償和分散相結合的方法。

中壓用戶的電容器可以分散安裝，也可以集中安裝，前者要安裝于被補償的旁，和設備同時自動投切，后者能夠按需要進行自動切換，功率因數應達到0.95以上，兩者中分散安裝的方法比較好[8]。在進行無功補償裝置的安裝時，應考慮諧波的治理措施，20kV諧波電壓的總諧波畸變率不應高于4.0%。

4.5 繼電保護技術

除了在電流互感器、電壓互感器以及一次設備需要調整外，變電站的20kV饋線繼電保護在二次保護裝置及整定原則和10kV基本一致。通常采用微機型保護裝置，保護類型包括速斷、過流保護等，選擇重合閘裝置用于架空裸導線。

220/110/20kV三繞組變壓器的20kV側都裝配復合電壓閉鎖過流保護裝置用以反映相間故障，戶外配電變壓器容量為500kVA以下時用熔絲保護，當容量在630kVA以上時，裝配反映相間故障的電流保護和反映接地故障的零序保護。

4.6 通道資源利用問題

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表示橫擔長度，L2表示風偏，L3表示安全距離。可以在10kV的基礎上改造成20kV，根據式（3）計算得出表3。由于20kV線路走廊寬度與10kV相差不大，因此可以利用現有10kV通道。而對于20kV絕緣架空線路，目前沒有電力行業方面的規定，尚有待進一步研究。endprint

4.7 架空網絡接線方式

根據農村低密度區供電安全需求，20kV架空網絡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。前者優點是高壓開關和配電線路數量少、投資小，新增負荷時也方便。但其缺點也比較明顯，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上形成的，使聯絡開關斷開，以輻射式方式運行。如果某段線路發生故障或需要檢修，通過斷開聯絡開關，能起到隔離作用；果某段母線退出運行，合上聯絡開關會恢復對失電段的供電。一般手拉手式接線方式線路備用容量大于50%。

農村低密度區架空網絡發展趨勢是單電源輻射式向手拉手式過渡，手拉手式根據需要逐步過渡到多分段多聯絡過渡。

5 結束語

從我國農村低密度區發展和負荷增長來看，中壓配電網采用20kV等級電壓都具有的必然性和實際可操作性。從經濟和技術方面考慮，20kV系統增大了配電網的供電半徑、降低線損，提高了電能的輸送容量，20kV系統更能滿足配電網快速發展的需求。農村低密度區應根據具體升壓改造時機，分階段進行升壓改造，對于新建設區，應根據當地經濟情況，率先采用20kV系統，對于現行的10kV系統，根據區域進行升壓改造。通過研究20kV配電網運行技術特性，在主變壓器和配電變壓器、中性點接地、防雷問題等方面提出規劃技術原則，通過升壓改造的機會，構建穩定的農村低密度區供電網絡，為提高我國農村低密度區的供電穩定性和可靠性打下堅實的基礎。

參考文獻：

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