在配电网中推行20kV配电电压的可行性研究

郑孝东 邹 刚

（1.华北科技学院机电工程系，河北 三河 065201；

2.珠海市供电局，广东 珠海 519000）

1 引言

在电力系统中，中压配电网起着承上启下的作用，好的中压配电网不仅能够实现配电网的功能，将电能从发电厂输送到电力负荷中心实现再分配，而且还可以减少投资和运行费用并提高配电网的经济效益，所以建设一个好的中压配电网对发挥电力系统的功能十分重要。在各种中压配电网中以20kV配电网的技术经济性能相对最好，目前 20kV配电网在国外应用的较多，如法国巴黎自20世纪70年代就开始在使用20kV配电网至今已运行近40年，运行效果较好。德国在1960年前曾将5～6kV配电网改造成l0kV电压等级配电的中压配电网，但很快停止了这一做法，而决定将其改为20kV。其他欧洲国家如意大利、澳地利、保加利亚等80%的地区也大都采用20～25kV作为中压配电。俄罗斯 1900年开始建立l0kV线路，1904年便有了20kV电压等级，1960年后，配电网除少数大城市l0kV等级尚未改造之外，几乎都改成了20kV等级。我国20kV配电网发展不快，目前只是在不多的地区应用，如苏州工业园区、辽宁本溪农村地区和河北沧州渤海新区等地区。

2 在配电网中采用20kV配电电压的优越性

（1）增加供电半径，减少配电网投资

图120 kV和10kV供电能力比较

如图1所示，在同样的供电半径条件下，应用相同截面的20kV线路的输送功率可比10kV导线大1倍；在相同的负荷密度下，则20kV的供电半径几乎是10kV供电半径的1.26倍，供电面积约是10kV的1.6倍，这样一来，可减少变电所的个数，据有关资料介绍，苏州工业园区配电网采用20kV配电电压需设17个110kV变电站，而采用10kV配电电压，则需设32个110kV变电站。20kV配电网比10kV配电网可节约用地41.6%，约66.5亩，大大减少了电网建设的投资费用。据测算，输送同等功率，20kV供电线路比10kV线路的有色金属耗量可以减少50%左右，节约建设投资约40%左右。

（2）降低电网的电压损失和线损率，提高电能质量

全国电网的线损率最近几年呈上升趋势，据有关部门研究发现，线损升高的主要原因是 10kV及以下配电网线损率呈上升趋势。采用 20kV配电网取代 10kV配电网是一个减少配电网线损率的一个好的措施，据有关资料介绍在总负荷是12MW的情况下采用 20kV供电电缆线路和架空线路电压损失百分数分别为1.2%和0.6%，线损率分别为0.82%和0.405%；而在总负荷是 6MW 的情况下采用 10kV供电电缆线路和架空线路电压损失百分数分别为1.5%和0.76%，线损率分别为0.95%和0.47%；由此可见，采用20kV供电线路电能质量高于10kV供电线路。

（3）降低电网的电能损耗，提高电网效益

据计算，我国配电网络年损耗达180亿kW·h，如能减少一个百分点，则能节电1.8亿kW·h，可取得较好的节电效益。采用 20kV配电网可大大减少配电网的电能损耗，据有关资料介绍在总负荷是12MW的情况下采用20kV供电电缆线路和架空线路有功损耗分别为0.098/MW和0.0243/MW；而在总负荷是6MW的情况下采用10kV供电电缆线路和架空线路有功损耗分别为0.057/MW和0.0141/MW，由此可见，采用20kV供电线路电能损耗小于10kV供电线路。据测算，以2010年苏州20kV供电区域预计年用电量 6.675×109kW·h来计算，每年可以减少电能损耗 0.048×109kW·h，相当于节约标准煤约1.9×104t。

（4）满足高负荷密度供电的需求

随着经济的发展，许多大城市负荷增加较快，出现了很多高负荷区域，如苏州工业园区最高负荷密度可达 12.5MW/km2，无锡太湖新城负荷密度规划值已达30MW/km2，再如上海市虹桥开发区2003年负荷密度已达到 115.35MW/km2，并且负荷密度还保持上升趋势；而这些地区又处于市中心，站点选址、线路走廊以及上级供电电源的引入都非常困难，所以急需采用20kV配电电压以解决上述问题。

3 在配电网中采用20kV配电电压的可行性

3.120 kV配电网的供电可靠性问题

20kV配电网的供电可靠性应通过两方面来保证，一是通过配电网结构来保证，二是通过各种保护来保证。为了保证20kV配电网的可靠性，常采用的配电网结构有手拉手结构和多电源供电拓扑结构。采用手拉手方式提高供电可靠性的措施如下：①使单条线路合理分段，相邻线路“手拉手”，形成网格型结线；②合理布局线路上的柱上断路器，通过配合变电所出线开关和重合闸合理控制故障影响范围；③选择合适的配网自动化功能，通过故障指示仪、分断开关及其分布式通信功能的使用，缩短故障查找时间，以提高和满足供电可靠性要求。采用手拉手网络结构后可以保证配电网不出现单向受电的孤立线段。多电源供电拓扑结构是通过合理规划线路的供电容量裕度和采用配网自动化系统和自动化控制设备来提高供电的可靠性的。但由于我国10kV配电网应用较为普遍，建成的20kV配电网难免出现孤岛效应，这个因素客观上也影响了20kV配电网的供电可靠性。20kV配电网常见的故障有过电压、过电流和单相接地故障等，由于单相接地故障约在各种故障的 80%以上，再加上20kV配电网的接地电流高于10kV配电网，其安全隐患较10kV配电网严重，所以如能提高单相接地故障保护动作的可靠性，就能大大提高20kV配电网的供电可靠性。单相接地故障保护动作可靠性的问题可采用一体化处理技术加以解决。一体化处理技术有两个解决方案：①快速消弧加快速选线模式和消弧线圈并联小电阻模式；②采用快速消弧加快速选线模式能避免目前其他各类选线技术存在的相关问题，如避免了应用传统零序采样选线原理准确度难以提高的问题和应用高次谐波（如5次谐波）法选线原理应用效果不理想的问题；③采用消弧线圈并联小电阻模式能解决长期以来困扰供电部门的相关问题，如解决了小电阻接地中跳闸率高的缺点和解决了谐振接地系统由于接地残流小，隔离线路故障困难的缺点[2]。

3.2 国内20kV设备的制造能力

20kV电网采用的设备有架空线路（架空绝缘导线）、电缆、环网柜（分支箱）和真空开关柜。通过对厂商调研，国内已经完全掌握相关的制造技术。

（1）变压器。在国内尚未制定20kV变压器的相关标准[4]，但国内厂家已具备 110/20kV 主变和20/0.4kV配变设计和生产能力，如上海、河南和东北等地的多家企业生产的变压器已销往海外，部分厂家变压器已通过了型式试验；另外也可通过变压器改造来获20kV取变压器，以10/0.4变压器改造为例，只要减少导线截面为原先的一半，匝数增加为原先的一倍，再把出线套管更换为 20kV即可，增加的成本不到5%。

（2）开关。国内的开关设备厂家已经具备20kV开关设备的生产能力，如上海华通开关厂和北京开关厂，并且已在国内电力系统中得到广泛应用，部分产品也远销海外。

（3）架空线路绝缘线。20kV架空绝缘线的绝缘厚度没有国家标准。国内 20kV系统采用架空绝缘线绝缘厚度的选择和接地方式有关，接地方式不同绝缘厚度也不同，但绝缘厚度最终确定还要进一步研究论证。20kV电缆的相关国家标准已经颁布，电缆厂家完全具备相关的生产能力。

3.320 kV配电网的投资问题

图2是20kV、35/10kV、35kV和110/10kV配电网在不同供电面积情况下的投资比较，由图可见在相同供电面积情况下采用20kV配电网投资最少。

图2 四种电压等级配电网在不同供电面积情况下投资比较

配电网电气设备投资的具体分析如下：

（1）架空线路：据测算，输送同等功率，20kV供电线路的有色金属消耗昔较10kV可减少50%，特别是近年来有色金属价格飞涨，有色金属消耗占工程造价的比例大幅度提高，所以采用 20kV供电线路可大大减少工程造价。

（2）变压器：同样容量的配变以表2中给出的三种ABB S一11M型为例，20kV变压器较10kV变压器平均参考价格只增加了 28%[3]。如采用改造的办法，只需把 10kV变压器导线截面减少一半，匝数增加一倍，提高出线套管电压等级为 20kV即可，改造成本增加不到5%。

（3）开关、互感器及避雷器等：一些开关厂对价格作了分析，认为20kV开关的成本比10kV增加约30%，大规模生产后会降低。一些厂家也引进了20kV电压等级的电气设备和配电装置，且已有产品供应。开关柜以ABBsafe系列充气环网柜为例，进线柜价格相同。计量柜价格 20kV每间隔约增加30%，间隔6万元。计量柜价格20kV每间隔约增加30%[3]。电力电缆：以广东电缆厂 YⅣ22型电缆为例，规格为 12120，绝缘厚度都是 5.5mm，产品参数和安全截流量都一样，价格也一样。有些厂家生产的20kV电缆价格还要低于10kV电缆价格。

表1 10kV与20kV配变参考价格对照表

4 在配电网中推广20kV配电电压存在的主要问题

4.1 试点地区的选择

试点地区的选择应充分考虑到试点地区是否具备 20kV配电网推广的条件，同时又要考虑到试点区域的经济承受能力，对于配电网改造还要考虑到改造后的供电可靠性。对于城市地区，考虑到在老区进行配电网改造困难多，在城市的新建区域新建配电网困难少，在选择试点区域时应优先考虑新建区域，高新技术开发区、开发区这类地区由于具有现有电网比较薄弱，负荷密度发展空间较大的特点，更适合发展 20kV配电网，所以新建区域中又应以这类区域为主，如苏州工业园区就是一个典型的案例。对于已建成的供电能力较强的10kV城市配网，如预计未来用电负荷增加较多，且变电站站址及线路走廊选择确有困难，可以进行升压改造论证，但由于存在施工难度大和施工周期长等问题，升压改造可能要用较长时间才能实现。另外对于现有电网具有一定规模，但供电能力和设备状态需进一步提高来满足发展需求的地区，可结合自身需要适时进行改造。对于农村地区，由于具有负荷密度低，线路供电半径大的特点，采用 10kV配电网难以满足电压质量，采用 35kV配电网又存在在负荷发展到一定水平后提升电压水平的问题，所以适合采用试点，这样即可以减少电网投资，又可以增加电网建设的弹性，可以较好地提高农村配电网建设的投资效益，是一个不错的选择，如辽宁本溪农村电网的改造就是一个很好的案例。为了保证改造后 20kV配电网优越性的充分发挥，选择的试点区 10kV配电网的配电范围不宜太小，同时为了保证改造后的配电网的可靠性实现 20kV互联，试点区规划新建的变电站不能太少应至少2座。

4.2 升级改造后配电网运行需注意的问题

（1）应根据20kV配电网的线路架设方式划分若干供电区域。

（2）为了便于不同变电站之间线路的联络和转供负荷的需要，在同一供电区域应尽量统一变电站主变中压侧中性点接地方式。

（3）如供电区域间的中性点接地方式不同，则最好不要合环运行。

（4）不同接地方式的供电区域最好不要互联，如小电阻接地方式的供电区域最好不要和消弧线圈接地方式或不接地方式的供电区域互联，但有些接地方式的供电区域可短时互联，如不接地方式的供电区域和消弧线圈接地方式的供电区域。

4.3 配电网中性点运行方式的确定

配电网中性点运行方式的选择涉及系统过电压水平、设备绝缘水平、过电压保护元件选择、继电保护的灵敏性、系统运行的安全性和可靠性等多个因素，其中最主要的因素是设备绝缘水平。20kV配电网中性点不同运行方式对线路和设备绝缘水平的要求如表3所示。根据表3所示不同运行方式电容电流值，可确定配电网中性点运行方式的选择办法。具体选择办法如下：先对线路电容电流进行估算，再根据电容电流进行选择。对于电容电流小于10A的配电网应选择中性点不接地方式。对于电容电流高于10A但小于150A的配电网，应选择中性点经消弧线圈接地方式；对于电容电流高于150A的配电网，应选择中性点经小电阻接地方式。具体的来说，对于纯架空线路，可采用不接地方式和消弧线圈接地方式，但采用消弧线圈接地方式时，要根据国际要求，提升设备对地绝缘水平到65kV；对于纯电缆线路或者少数绝缘架空线路，可采用小电阻接地方式；对于混合线路类型，则应根据混合线路中架空线路和电缆线路的长度比例来选择中性点接地方式。如考虑到多条电缆同沟敷设和电缆的长期安全运行可采用消弧线圈并联小电阻接地方式，但单相接地故障持续时间不太长，否则对电缆中间接头运行不利。另外中性点接地方式的选择还要考虑系统的过电压水平。

表2 20kV配电网中性点不同运行方式对线路和设备绝缘水平的要求

4.4 原10kV配电网设备的再利用问题

对于 10kV配电网改造原有设备的再利用问题是一个值得注意的问题，如原有设备得到再利用则可节省投资，还可以解决设备闲置问题。采用不接地和经消弧线圈接地系统 10kV配电网的绝缘水平和采用小电阻接地系统的 20kV配电网的绝缘水平大致相同，因此 10kV配电网绝大部分架空线路和电缆线路可以用于 20kV配电网，但对于架空线路要做一些简单改造，具体改造措施如下：杆塔的线间距离需从0.9m增至1.15m，并调换横担和瓷瓶；绝大部分配电变压器也可用于 20kV系统，但也需做一些改造，具体办法如下：将两台同参数同容量的一次侧串联、二次侧并联；少数开关设备、避雷器、互感器通过试验也可再用于 20kV系统。据有关资料介绍：南京就进行过10kV架空线路和10kV电缆升压到 20kV运行的试验，试验效果较好。苏州工业园某配电所也实施过10kV电缆升压至20kV工程，投运成功。

4.520 kV的电价问题

合理制定20kV电价可以满足电力部门和电力用户对经济性的要求，能提高用户对升压改造的积极性，它关系到电力部门和电力用户投资的信心，直接影响到20kV配电网的推广。因此20kV电价的合理确定很重要。苏州工业园区是我国第一个20kV配电网的试点区，刚开始采用的是35kV电价，经过实践发现这个电价对电网的影响是不利的。后来在 2008年采用了20kV电价才改变了这一局面。20kV配电网电价的合理制定与电网的投资、运行成本和现行35kV和10kV电价等因素有关，其中运行成本因素是主要因素，具体制定时可参照35kV和10kV电价，再综合考虑电网的投资和运行成本等因素来确定。一般来说应是35kV电价低于20kV电价，20kV电价低于10kV电价，据有关资料介绍中压电价定在以下值较为合理：10kV为0.562元/kW·h；20kV为0.547～0.562元/kW·h；35kV为0.547元/kW·h[5]。对于10kV配电网改造为20kV配电网，电力用户节省的电费可补偿投资增加的费用，补偿结束后就可享受20kV电价带来的好处。从长远观点看城区建设和改造20kV电网后电价的变化用户总体上是受益的。

5 结论

配电网中采用 20kV电压相对其他电压具有明显的优势：增加供电半径、降低电网的电压损失和线损率、降低电网的电能损耗和满足高负荷密度供电的要求等；20kV配电电压的推广在技术和经济上是可行的：供电可靠性可以通过配电网结构和各种保护来保证，20kV配电设备的设计和生产能力国内厂家已具备，20kV配电网的投资较其他配电电压要少；推广需注意的问题有：试点区域的合理选择、运行中需注意的问题、中性点运行方式的合理选择、原有 10kV配电设备的再利用问题和电价的合理制定。由此可见，我国已具备应用 20kV配电网的能力和条件，但考虑到 10kV配电网在我国已有相当基础，大面积推广20kV配电电压还存在很多困难，所以现在只适合在具备条件的地区试点。

[1] 侯义明,汲亚飞.江苏省20kV配电网改造的中性点接地方式的研究[C].20kV电压等级配电技术论文集:162-164.

[2] 刘味果,莫春恬.20kV配电网单相接地故障一体化处理技术[C]. 20kV电压等级配电技术论文集:170-172.

[3] 牛全保,邢军.20kV 电压等级在陕西电网应用的探讨[J].陕西电力,2008,38(11):18-20.

[4] 王强,李皑.在山西电网引入20kV电压等级的可行性分析[J].山西电力,2009(3):1-4,14.

[5] 李妍.城市电网改造若干问题讨论——采用 20kV电压等级技术经济分析.20kV电压等级配电技术论文集:192-194.