城鄉(xiāng)配電網(wǎng)由10kV改為20kV供電的方案研究

魏慶海

摘要：新中國成立以來，特別是改革開放后，我國電力系統(tǒng)發(fā)展迅速，截至2020年，全國發(fā)電總裝機(jī)容量已高達(dá)16億千瓦，居世界首位。輸電電壓等級不斷提高，已建成投產(chǎn)的±1100千伏直流和1000千伏交流輸變電網(wǎng)絡(luò)也創(chuàng)造了全球之最，在全國區(qū)域范圍內(nèi)實現(xiàn)了西電東送、北電南送、南北互供的合理格局，為節(jié)約能源、減少排放、治理污染、構(gòu)建人居環(huán)境的綠水青山做出了貢獻(xiàn)。

40年來，全國用電年均增速在10%左右，隨著城鄉(xiāng)供電負(fù)荷密度的增加，可比口徑的供電半徑在縮短，電能質(zhì)量難以保證，配電損失越來越大，嚴(yán)重影響了向城鄉(xiāng)居民和工商用戶的可靠供電。

本文就全國10kV配電網(wǎng)絡(luò)與快速負(fù)荷增加的不適應(yīng)問題，提出提高配電網(wǎng)電壓等級，在改造和建設(shè)資金不會大幅增加的前提下，將現(xiàn)10kV配電網(wǎng)改為由20kV電壓再降壓向用戶供電，從而增加了供電半徑，降低了損失，減少了110kV（66kV）變電所的密度和數(shù)量，優(yōu)化了城鄉(xiāng)供電環(huán)境，提高了向用戶供電的可靠性和安全性。

一、全國電網(wǎng)輸配電壓等級現(xiàn)狀

建國70年來，城鄉(xiāng)配電網(wǎng)的電壓等級一直延續(xù)10kV/0.4kV未變，而輸電網(wǎng)電壓等級逐步提高，最高電壓已由60年代的220kV（154kV），提高到±1100kV（直流）和1000kV（交流），致使最高輸電電壓與配電網(wǎng)之間多達(dá)5-6個電壓等級【特高壓±1100kV（±800kV）和1000kV;超高壓（750kV和500kV）;330kV（220kV）輸電網(wǎng);154kV（110kV）輸電網(wǎng)，66kV（35kV）輸電網(wǎng)以及10kV配電網(wǎng)】，見圖1。

±1100kV（±800kV）特高壓電網(wǎng)是跨區(qū)輸電的主通道。從規(guī)劃的角度，區(qū)域電網(wǎng)和省級電網(wǎng)正向～1000kV（交流）同步電網(wǎng)的方向發(fā)展，～500kV至66kV（35kV）正呈現(xiàn)開環(huán)輸電運(yùn)行的趨勢。

10kV/0.4kV配電模式在全國基本是一致的，這與歷史沿革（10kV）及國家用電側(cè)電器標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)，所以0.4kV（0.22kV）的用電電壓標(biāo)準(zhǔn)不會輕易改變。歐美國家的用電電器標(biāo)準(zhǔn)，決定了這些國家的用電電壓為0.11kV。

二、存在的主要問題

（一）1000kV與500kV交流電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行問題突出，如不能提前做到規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)的三統(tǒng)一，未來將因解開500kV電磁環(huán)網(wǎng)付出更大的經(jīng)濟(jì)代價，造成不必要的浪費(fèi)。

（二）500kV至10kV配電網(wǎng)之間（本文即將提出20kV配電網(wǎng)電壓等級）的電壓等級應(yīng)進(jìn)一步簡化，以降低輸變電損失和電網(wǎng)建設(shè)費(fèi)用。

（三）針對前文提及的配電網(wǎng)負(fù)荷密度大的諸多問題，亟待將配電網(wǎng)供電電壓由10kV改升至20kV供電，這也是本文研究的核心。

三、10kV配電網(wǎng)改由20kV供電的意義

（一）擴(kuò)大配網(wǎng)供電半徑。由于電壓等級提高一倍，同一輸送容量的供電半徑擴(kuò)大一倍（功率是電壓與電流的乘積，電壓提高一倍，電流減小一倍）。

（二）減少變電站數(shù)量，節(jié)約城市土地占用。由于供電半徑的擴(kuò)大，輸送容量的提高，可使城市變電站的密度適當(dāng)減少，從而節(jié)約了占地面積，提高了土地使用效率。

（三）充分利用現(xiàn)有線路，提高輸送能力。配網(wǎng)電壓升高為20kV供電，現(xiàn)有配電桿塔和導(dǎo)線均不需更換，配電和變電所的變壓器也只需改造。因此，在輸送能力提高的前提下，投資并沒有成比例上升，產(chǎn)出大于投入。

（四）有利于城鄉(xiāng)環(huán)境，形成輸電與景觀的協(xié)調(diào)。20kV城鄉(xiāng)配網(wǎng)供電方案，對于居民來說，會覺得新的配電設(shè)施給人們帶來了美感。這是因為線路上20kV瓷瓶與原桿塔的形狀、長度、體積配合十分融洽，只有電力系統(tǒng)的專業(yè)人士，才知道這是為現(xiàn)代電網(wǎng)的安全穩(wěn)定而施行的舉措。

四、升壓方案的有關(guān)研究

城鄉(xiāng)10kV配網(wǎng)升壓20kV供電的技術(shù)方案與實施研究表明，這種供電系統(tǒng)形成后，能夠解決目前經(jīng)濟(jì)發(fā)展與電力供應(yīng)的諸多矛盾，是一個投資少、見效大，深受行業(yè)和用戶歡迎的舉措。但是，由于全國配電網(wǎng)目前都是10kV供電體系，而且該配電網(wǎng)又是直接與用戶相聯(lián)的主體，要全部實現(xiàn)20kV供電確實是一個龐大的系統(tǒng)工程，必須用統(tǒng)一規(guī)劃、分區(qū)管理、逐步實施的原則才能得以實現(xiàn)。

（一）實施城鄉(xiāng)變電站由110（66、35）kV/10kV通過改造或輪替更換的方法，使二次電壓升高到20kV，變壓器二次線圈的△接線方式不變，20kV配電網(wǎng)仍采用無中性點(diǎn)或配電變壓器中性點(diǎn)不接地方式運(yùn)行。

（二）更換或改造城鄉(xiāng)變電站二次側(cè)的開關(guān)柜，由10kV升壓至20kV，實施開關(guān)設(shè)備改造與更換并舉即可實現(xiàn)這一目的。

（三）完全利用原有10kV桿塔，通過更換瓷瓶的方式，便形成了20kV配電的格局，利用原有導(dǎo)線，輸送能力提高一倍。隨著負(fù)荷的發(fā)展調(diào)整導(dǎo)線截面。

（四）現(xiàn)有10kV配電臺（箱柜）需升壓成20kV/0.4kV電壓等級。技術(shù)和經(jīng)濟(jì)分析表明這不是一件難事，將現(xiàn)有10kV/0.4kV變壓器改造成20kV/0.4kV變壓器，其造價基本不變。原10kV配電臺（箱柜）的其他金具等設(shè)備還能夠得到充分的利用。

五、城鄉(xiāng)10kV配網(wǎng)升壓20kV供電的組織方案與實施

根據(jù)我國10kV配網(wǎng)現(xiàn)狀，欲升壓20kV供電，既是一個技術(shù)課題、經(jīng)濟(jì)問題，又是一個組織和管理問題，必須引起國家、省、市、縣、鄉(xiāng)各級政府部門以及電力行業(yè)的足夠重視，將其列入國家電網(wǎng)系統(tǒng)重點(diǎn)改造項目，經(jīng)過幾年的努力，才能得以實現(xiàn)。

（一）堅持統(tǒng)一規(guī)劃、系統(tǒng)設(shè)計、分步分區(qū)實施的基本原則。由國家電網(wǎng)行業(yè)層面統(tǒng)一組織，地方政府大力支持，形成設(shè)計、制造、施工企業(yè)的相互協(xié)調(diào)，充分利用市場機(jī)制，調(diào)動各級主體的積極性。

（二）堅持改造與新建相結(jié)合，輪換與更換相結(jié)合，變電與配電系統(tǒng)相結(jié)合。形成上下一體、橫向貫通的技術(shù)改造機(jī)制和組織實施機(jī)制，完成這個全球領(lǐng)先的20kV配電網(wǎng)絡(luò)格局。

（三）充分考慮和估計形成20kV配電網(wǎng)絡(luò)中的其他技術(shù)問題。研究表明，20kV與10kV配電網(wǎng)不同的是電容電流不能忽視，這也與即將形成的大規(guī)模配電網(wǎng)電纜線路有關(guān)。因此小電流接地系統(tǒng)的單相接地消弧問題必須在設(shè)計施工中一并納入，采取相應(yīng)的補(bǔ)償措施。

（四）大膽引用歐美國家家庭用電方案。目前我國城鄉(xiāng)居民用電已由過去的單一照明向現(xiàn)在的全家用電器化方向發(fā)展，高峰時，每個家庭用電容量在6-8kw左右，未來也許會更高。因此，在配用電網(wǎng)絡(luò)中，對家庭來說采用20kV/0.22kV單向變壓的供電是一個發(fā)展的趨勢，應(yīng)納入20kV配電網(wǎng)改造和形成過程中。

六、結(jié)論

經(jīng)過研究，結(jié)合我國電網(wǎng)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀和用電負(fù)荷增長水平，得出結(jié)論。

（一）在全國范圍內(nèi)，實施建設(shè)20kV配電網(wǎng)絡(luò)，對用戶采取20kV/0.4kV三相和20kV/0.22kV單相供電方案，切實可行，非常必要，應(yīng)盡早實施。

（二）附帶結(jié)論。我國在大力發(fā)展區(qū)域1000kV交流同步電網(wǎng)建設(shè)的過程中，應(yīng)同步考慮500kV及以下電網(wǎng)開環(huán)運(yùn)行問題。

（三）附帶結(jié)論。未來的電網(wǎng)電壓等級應(yīng)在目前500kV、330（220）kV、110（66kV）、35kV的基礎(chǔ)上做進(jìn)一步的簡化。