中压配电网电压比较研究

魏运军，董家读

(1.中机国际工程设计研究院有限责任公司，湖南长沙 410007;2.佛山供电局，广东佛山 528000)

1 引言

在电网规划工作中，电力网络电压等级的选择不仅关系到电网建设的经济性和可靠性，而且对整个电力工业的发展以及受电用户的需求都有非常重要的影响。我国现在采用的10kV中压配电电压等级，是在50年代中期开始到70年代中期结束的城网升压改造工程中，逐渐改造和标准化而来的。我国城市电网的改造，经历了多种较低的配电电压，如2.3kV，3.3kV和6.3kV，后来随着配电网的用电负荷不断增加，配电网中压配电网等级统一提高到10kV。通过此次对电网的改造，配电网的电压得到了很大的提高，不仅满足了经济发展对电量的需求，同时配电网技术也得到了提升。由于此次的配电网改造，不但大大提高了对用户需求侧的配电能力和供电能力，并且改善了供电质量和供电可靠性。此次改造，更为关键的是大幅降低了供配电系统的线路损耗，不仅使电能得到充分的利用，提高了能源的利用效率，降低了供电企业的运营成本，全国各个大中城市供电局线损率的平均水平从11%～12%降为7% ～8%，平均降低了3.5个百分点，效果非常明显。通过此次配电网改造实践证明，当时的这一重要举措不但有效的推进电力运行网络自身的发展，同时有效的为国家的经济建设发展提供了可靠的电力供应，而且此举也统一了设备的行业标准，简化了电力系统的运行，提高了系统运行的可靠性，降低了企业的运行成本，利于企业的可持续发展。实践证明，这一重要举措有力地加快了电网自身的发展［1－3］。

改革开放以来，随着经济建设的飞速发展以及城市居民生活水平的不断提高，城市用电水平以空前的速度增长，越来越明显地暴露出我国现有大中城市供配电网络已不适应经济发展和城市现代化建设的需要。不少工程技术专家就提出了对城市电网进行技术改造和提高一次配电电压的建议［4，5］。

2 采用10kV配电电压面临的问题

随着社会用电负荷的迅速增长，以10kV作为配电电压的局限性越来越突出，主要表现在:

(1)10kV供电半径不足。10kV线路供电半径，在负荷密度20～30kW/km2时为10～12km，当负荷密度达到30～50MW/km2时，每隔1.5～2.4km就要建设一座110/10kV变电站，导致变电站布点密度大，在土地资源紧张的经济发达地区变电站选址受到限制。无论从投资、管理、占地、节能、环境等方面来看，都存在不少问题。

(2)高负荷密度的供电难以满足。随着经济的发展，出现了许多机场、学校、商业、娱乐中心、厂矿以及高层建筑等高负荷密度的用户，若用电需求达到20～30MW，采用10kV供电则需要提供6～8回线路，占用大量资源。

(3)10kV线路输送容量相对较小，致使出线回路多、电缆敷设密度大，线路走廊受到限制。一座配置3×50MVA的110/10kV变电站一般需要30回出线或电缆，而一座配置3×80MVA的110/20kV变电站只需24回出线或电缆。

(4)线路负载重、损耗高，电压质量难以保证。由于建设困难，在高负荷密度地区电力设备往往处于重载运行状态，损耗较高。20世纪80年代以后全国线损率一直在8%左右徘徊。其中全国城网110kV及以下配电网线损电量约占总线损电量的60%，从目前情况来看，部分城市居高不下，在较发达地区，再增加220kV、110kV变电站布点，对降损效果不显著，因此降损关键在中压配电网。

3 中压配电网电压的选择

针对中压配电网采用10kV在当今出现的一系列问题，不少工程技术专家就提出了必须对城市电网进行技术改造和提高10kV一次配电电压的建议。经过讨论和酝酿逐步形成了一条改造城网的指导思想:提高输电电压，高压深入城市负荷中心，简化电压等级，减少中间变压层次，提高配电电压［6－8］。

对于提高配电电压，比10kV电压高的有20kV和35kV。但哪一种电压更适合未来的配电网，下面做对比分析。

3.1 10kV与20kV、35kV的技术比较

(1)线路输送能力

按照电网规划的原则，依经济电流密度选择截面A，则输送功率为:

则在不改变线路导线规格的情况下，三种电压的输送功率之比为:

即35kV输送功率是10kV的3.5倍，20kV输送功率是10kV的2倍。

(2)减小电压损失

电压降百分数为:

在负荷不变的条件下:

在电流不变的条件下:

由式(4)、(5)可知，在电压提高后，电压损耗可大大降低。

(3)供电半径

经济供电半径的计算公式为:

在负荷不变，电压损失不变的条件下

即，供电半径与电压成正比。

(4)线路损耗

线路中的损耗为

则

故，在负荷不变的情况下:

由式(11)可知，在电压提高后，功率损耗亦大大降低。

(5)主变降压容量

变压器低压侧电压等级的提高，使得在相同降压容量下，低压侧工作电流和短路电流减小，提高了变电站供电能力。在同样短路电流的限值下，低压侧采用20kV的电压，其主变容量可比采用10kV电压时提高1倍。如果采用35kV，则主变容量可再提升1倍，变电站供电能力成倍提高。

(6)线路杆塔主要技术参数

表1 线路杆塔主要技术参数

从上表可以看出，10kV和20kV在线路杆塔参数上相同，10kV杆塔可以不经改造直接用在20kV系统上，而35kV则与10kV不一样。

(7)电缆技术参数对比

表2 电缆技术参数对比

根据表2可知，10kV电缆的最高运行电压值、工频耐压值比20kV电缆分别低6.5kV，10kV，其绝缘厚度相差0.5mm。由此可见，10kV电缆须经耐压试验检验合格后方可用于20kV系统，而35kV各相技术参数比10kV高很多，10kV设备不能用于35kV系统。

3.2 10kV与20kV和35kV的经济比较

电压等级的不同选择方案对供电区域的影响是综合性的，需要对整个供电区域的规划方案进行比较。

以某工业园区为例，规划负荷3500MW，采用(110/20)kV供电方案的总体造价最低，分别为10kV和35kV供电方案的83%和87%。表3为该工业园供电方案比较表。

表3 某工业园供电方案比较表

从上表可以看出，中压配电电压采用20kV，尽管变电站和配电所个数不是最少，比35kV略多，但总投资是最少的，20kV配网和35kV配网的投资分别为10kV配网的84.3%和96.13%。

3.3 20kV电压等级是中压配电网的首选

目前的10kV配电线路已经不能完全适应现代社会的负荷增长和电力供应，以上分析了20kV、35kV与10kV的优缺点。

从提高电能质量和供电能力、降低损耗的角度来说，提高一次配电的电压有利于大幅降低损耗，35kV比20kV有更好的效果。但是，由于低压短路容量的限制，现阶段我国生产的35kV直降至低压的变压器不能做的太大，否则短路电流太大，容易引发事故。实际应用中，35kV电压需要分别降至10kV和0.38kV，2级降压再行分配。这样造成电压层级多、电网结线复杂，不利于电网的优化运行。

从以上几个表可以看出，采用35kV比20kV投资大。35kV设备造价昂贵，变电站和线路走廊占用空间大，投资规模高于 20kV。而20kV供电容量高于10kV，20kV设备及线路走廊占用的空间与10kV基本相当，造价又低于10kV，20kV的投资最省。其次，10kV升级为35kV的优势低于升级为20kV。35kV绝缘水平是10kV的2倍以上，必须将现有设备全部更换为35kV电压等级设备，投资巨大，而20kV的绝缘水平较10kV提升不大，部分设备可以保留。

经过以上分析，采用20kV的配电网有如下优点:

(1)20kV设备价格与10kV设备价格相差无几，而性能上又与35kV相当，节约了投资，提高了设备的性价比。

(2)20kV配电网不但提高和扩大了10kV配电层的功能，同时减少了35kV中间的多次变压，简化了电压层级。

(3)20kV集升压与简化电压等级于一身，收扩容改造与降损节能于一体。

综合上述各种因素考虑，20kV电压等级是中压配电网改造的首选，尤其是经济发

达城市以及用电负荷密度高的地区，将有利电能的有效利用，提高电能质量。

4 采用20kV电压应注意的问题

(1)中性点接地方式

配电网中性点接地方式的选择问题是20kV配电网改造过程中所面临的关键技术问题之一。在配电网改造过程中，中性点接地方式与设备绝缘水平以及设备经济密切相关，中性点接地方式的选择直接影响20kV配电网改造过程中相关设备的选型和投资预算。

研究表明，当系统电容电流小于10A时，单相故障电流较小，可采用不接地方式;当电容电流大于10A时，单相故障电流产生间歇电弧，导致非故障相产生间歇电弧过电压，这种情况下应采用消弧线圈接地方式;当电容电流更大时，应采用小电阻接地方式。各种接地方式的电容电流范围如表4所示。

(2)配电网的发展模式问题。目前配电系统主要以10kV电压等级构成的网架为主(部分大客户采用6kV供电)，从10kV改造为20kV的过程可能要经历20～30年甚至更长时间。在此期间，多数供电区域内都将存在10kV和20kV两种电压等级，因此在20kV发展规划中必须认真考虑改造时机、改造模式、系统互联等问题。

表4 20kV配电网不同接地方式电容电流范围

(3)现有设备存量的利用问题。我国配电网现有设备存量基本为10kV设备，要尽量利用现有设备存量，充分考虑现有设备的运行年限，不宜对设备运行年限较短、负荷没有较大发展的区域进行较大规模的改造。

5 结论

本文对我国中压配电网电压等级进行了回顾，指出了10kV供电存在的问题。比较了中压配电网分别采用10kV、20kV和35kV的优缺点，指出采用20kV配电网更符合我国未来的发展趋势。由于存在与其他区域电网配合困难等问题，因此20kV的大范围使用还难以在短时间内推行。电压等级的调整是一个长期的过程，而且要结合经济发展和电网建设实际。目前，可以在有条件的区域进行20kV供电方案的试点，逐步积累运行管理经验，为20kV的推广使用做好准备。

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