丁永清 王大鹏 柯乾
（国网池州供电公司，安徽 池州 247000）
摘要：对20 kV电压等级的技术、经济性能进行分析，对城市中压配电网引入20 kV中压配电电压等级进行了研究。合理配置电压等级，对于国内配电网的建设和发展，具有重大理论和实践意义。
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关键词 ：20 kV中压配电电压等级；技术经济分析；单位负荷年费用
0引言
随着我国城市经济的高速发展和城市建设不断深化，城市电力需求也在大幅增长。城市电网作为城市的重要基础设施，有必要通过合理配置电压等级以更好地满足城市经济发展的需要。
目前国内城市主要采用10 kV作为中压配电网的电压等级，技术和管理经验较为成熟。然而，随着负荷密度不断增长，10 kV配电网建设运行也遇到了新的问题。10 kV线路供电半径短、供电容量小的矛盾越来越突出，进而引发了变电站站址选择和线路走廊出线困难等一系列问题，逐渐成为配电网发展的瓶颈。
实践证明，在高负荷密度地区，配电网采用20 kV电压等级不仅从技术上可以提高输电能力，改善电压质量，降低电能损耗，而且落实到工程实践上，也可大大减少中压配电线路占用的线行通道，同时有效节省电网建设投资。在电网负荷密度较高的大城市中心区、工业密集区采用20 kV电压供电，对解决10 kV供电能力有限、线行通道难落实等问题，不失为一种既经济又有效的途径。苏州的新加坡工业园区1996年在全国率先采用20 kV供电［1?2］，在规划、建设、运行和维护等方面积累了丰富的经验。多年的运行实践表明，20 kV相对10 kV在高负荷密度区域，具有供电能力大、电压质量高、电网损耗低等明显的优势［3］。
本文通过技术、经济分析，研究20 kV引入的可行性。对20 kV、10 kV两个电压等级进行比较，并提出20 kV配电网的主要技术原则，以合理配置电压等级，促进中压配电网的和谐发展。
120 kV引入的可行性分析
1.120 kV对中压配电网的影响
由理论分析可知，相比于10 kV中压配电电压等级，20 kV具有减少电压损失、增大输送功率、扩大供电范围、降低线损、节约有色金属等技术优势［4?5］。此外，采用20 kV取代10 kV电压等级，还可以减少主变低压侧的短路电流。
1.220 kV可行性分析
20 kV作为中压配电电压等级，在技术性能上较10 kV存在一定的优势［6?8］。然而，只有技术上可行，才能保证20 kV的广泛使用。一方面，20 kV的电气设备应该具备生产能力且造价合理；另一方面，对于20 kV的运行和管理经验需要不断积累。
目前，20 kV设备的生产技术比较成熟，依靠国内水平生产供应20 kV设备是完全有保障的；20 kV设备的造价比10 kV设备有所增加，总体增加幅度在5%～15%的范围内。在20 kV运行管理方面，国内对于20 kV线路升压改造、过电压保护、防雷问题、继电保护方案等都有成熟的运行方案。所以，在我国城市电网采用20 kV作为中压配电电压等级，在技术上是可行的。
220 kV技术经济分析
2.1技术经济分析原则
合理的电压序列事关电网运行的可靠性、经济性和安全性。负荷水平、存量资产、技术约束、廊道资源等都是影响电压等级选取的重要因素，同时，还要考虑其对电力用户和社会的影响。因此，20 kV技术经济评价的主要原则包括：
（1） 满足饱和负荷阶段对安全可靠、优质供电的要求，必须在供电能力、供电可靠性、电压质量等相关技术指标上满足要求。
（2） 在技术可行的前提下，充分考虑经济的合理性，以全生命周期最优为原则，全面分析所有建设成本与运行成本。
2.2边界条件
中压配电电压等级技术经济比较的边界条件如下：
（1） 中压配电电压等级的变压层次主要包括220/20 kV、110/20 kV、110/10 kV和110/35/10 kV 4种形式。
（2） 中压配电网接线模式按电缆线路单环网接线，线路负载率控制在50%以内。
（3） 区域负荷密度指标为5～50 MW/km2，供电区域内负荷均匀分布。
（4） 配电网呈放射状网络结构，各个高压变电站的供电范围为圆形。
（5） 主变容量台数：220/20 kV（2×120 MVA），110/20 kV（2×80 MVA），110/10 kV（2×50 MVA），35/10 kV（2×20 MVA）。
2.3可靠性比较
2.3.1计算方法
可靠性计算采用故障遍历法［9?10］，即逐个假设电网中的元件（包括母线、线路、环网柜/开关柜、配电变压器）故障，求出每个元件故障时用户停电时户数，最终求出供电可靠性水平。
衡量可靠性的指标主要采用供电可靠率（RS），计算公式为：
RS=用户用电小时数/用户需电小时数=Nz×8 760-∑UiNi/Nz×8 760（1）
式中，Nz为系统中总用户数；Ni为故障时受影响的用户数，与平均年停运时间Ui相对应；8 760为一年的小时数。
2.3.2计算结果
采用上述方法和基本参数，计算4种配电方案的供电可靠性水平，结果如图1所示。
可以看出，4种配电方案中220/20 kV和110/20 kV电压序列的供电可靠性最高，110/10 kV电压序列的供电可靠性次之，110/35/10 kV电压序列的供电可靠性最低。
2.4经济性比较
2.4.1计算方法
选用单位负荷年费用作为4种配电方案的经济性比较的依据［11?12］。单位负荷年费用包括送电、变电和配电设备建设投资的等年值、维修运行费和电能损耗费，即：
F0=Fd+Fv+Fs（2）
式中，F0为单位负荷年费用；Fd为送变电设备建设投资的等年值，Fd=KdZ，Kd为投资等年值系数，Z为单位面积建设投资；Fv为维修运行费，Fv=KvZ，Kv为设备年维护率（本文变电站取为10%，高压配电线路取为4%，中压配电线路取为3%）；Fs为单位负荷电能损耗。
2.4.2计算结果
4种配电方案的单位负荷年费用如图2所示。
根据计算结果可以看出：
（1） 在负荷密度σ＜5 MW/km2的情况下，4种配电方案的年费用相差不大，110/10 kV配电方案的年费用较小。
（2） 在负荷密度σ≥10 MW/km2的情况下，4种配电方案中以220/20 kV配电方案的年费用最小，20 kV电压等级的经济优势开始显现。
2.4.3经济比较结论
（1） 对于新建区尤其是负荷密度较高的新区，中压配电电压等级采用20 kV具有较好的经济性，简化110 kV电压等级的方案也具有较好的经济性，可以优先选择220/20 kV配电方案。
（2） 对于改造区，由于改造和过渡费用所占比重较大，可以结合电网现状与饱和电网的负荷密度，测算电压序列优化的经济性。如饱和负荷密度低于现状的3倍，可以维持现有电压序列；如饱和负荷密度高于现状的3倍，采用20 kV的经济性更优。
320 kV配电网技术原则分析
3.120 kV网架结构
3.1.1供电半径
高负荷密度区，供电半径宜控制在3 km以内；中等负荷密度区，供电半径宜控制在5 km以内；低负荷密度区，根据负荷实际情况核算电压降，供电半径可以适当放大，一般不宜超过10 km。
3.1.2架空系统网架结构
架空线路可采用手拉手接线或多分段适度联络接线。
20 kV架空线路应依据线路长度、负荷水平和装接配变情况进行分段，一般分为3～4段，每个分段装接配变容量4 000～6 000 kVA。支线接入配变超过5台或接入容量超过3 000 kVA时应装设分支断路器。
3.1.3电缆系统网架结构
电缆线路主要采用单环网、双环网、双放射或N供一备接线。
3.220 kV中性点接地
20 kV电缆配电网中性点接地方式可采用小电阻接地方式，单相故障接地电流不大于600 A，中性点接地电阻为20 Ω。
20 kV架空线路可采用可自动跟踪的消弧线圈接地方式。
3.3变电站
3.3.1220/110/20 kV变电站
220 kV变电站主变最终规模可选取4×75 MVA、4×100 MVA、4×150 MVA。
220 kV侧一般采用双母线双分段接线，6～8回220 kV出线；110 kV侧一般采用双母分段接线，10～12回110 kV出线；20 kV侧一般采用单母分段接线，每段母线10～12回20 kV出线。
3.3.2220/20 kV变电站
220 kV变电站主变最终规模可选取4×75 MVA、4×100 MVA。
220 kV侧一般采用双母线双分段接线，4～6回220 kV出线；20 kV侧一般采用单母分段接线，每段母线10～12回20 kV出线。
3.420 kV导线
20 kV架空线路应采用铝芯绝缘导线，主干线截面宜选用240 mm2，支线截面宜选用150 mm2，最小线径不宜小于90 mm2。主干线导线截面应核算电压降不大于5%。
20 kV电缆主干线宜选用3×400-300 mm2的铜芯电缆，支线截面应不小于120 mm2。
3.5配电变压器
（1） 20 kV配电变压器容量在30～1 600 kVA之间，公变容量宜选择1 250 kVA以下。
（2） 20 kV配电变压器的接线组别：Dyn11。
（3） 可根据环境需要选用柱上变压器、组合式箱变或干式变压器。柱上油浸配变容量不宜超过315 kVA，应选用全密封结构；组合式箱变中油浸配变容量不宜超过630 kVA；干式配变容量不宜超过1 000 kVA。
3.6继电保护
（1） 20 kV馈线及主变20 kV侧均配置反映接地故障的零序保护：馈线零序电流宜取自套在间隔出线电缆上的穿芯式CT；主变20 kV侧零序保护电流取自主变20 kV中性点或接地变中性点电流互感器。
（2） 220/110/20 kV三圈变的20 kV侧应配置反映相间故障的复合电压闭锁过流保护，当主变20 kV侧采用双分支开关时，为了保证选择性，复合电压闭锁过流保护应在每个分支上均配置，电流分别取自对应的分支CT，电压取自分支对应的母线PT。
（3） 配电变压器容量为500 kVA及以下时采用熔丝保护时，熔丝熔断特性应满足200 A电流下熔断时间小于60 ms；考虑到零序电流保护整定值很难与熔断器的熔断曲线配合，当配电变压器容量在630 kVA及以上时，配电变压器应配置反映相间故障的电流保护和反映接地故障的零序保护。
4结语
本文对20 kV引入中压配电电压等级进行论证，从技术、经济两个主要方面，选用供电可靠率和单位负荷年费用指标，对10 kV和20 kV中压配电电压等级进行了系列比较。通过分析可以看出，20 kV电压等级在经济、技术上都存在着一定的优势。
研究结果说明，在我国城市电网采用20 kV中压配电电压等级，在理论上和技术上都是可行的。本文的研究成果可以为我国中压配电网电压等级的配置提供理论依据。
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收稿日期：2015?08?28
作者简介：丁永清（1965—），男，安徽池州人，工程师，主要从事电网规划、配网规划等方面的研究工作。
王大鹏（1969—），男，安徽池州人，高级工程师，主要从事电网规划、配网规划等方面的研究工作。
柯乾（1981—），男，安徽池州人，工程师，主要从事电网规划、配网规划等方面的研究工作。