20kV 中压配电电压等级应用研究

丁永清 王大鹏 柯 乾

（国网池州供电公司，安徽 池州247000）

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10kV 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，10kV 配电网建设运行也遇到了新的问题。10kV 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20kV 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20kV 电压供电，对解决10kV 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20kV 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，20kV 相对10kV 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20kV 引入的可行性。对20kV、10kV 两个电压等级进行比较，并提出20kV 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。

1 20kV 引入的可行性分析

1.1 20kV 对中压配电网的影响

由理论分析可知，相比于10kV 中压配电电压等级，20kV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20kV 取代10kV电压等级，还可以减少主变低压侧的短路电流。

1.2 20kV 可行性分析

20kV 作为中压配电电压等级，在技术性能上较10kV 存在一定的优势［6－8］。然而，只有技术上可行，才能保证20kV 的广泛使用。一方面，20kV 的电气设备应该具备生产能力且造价合理；另一方面，对于20kV 的运行和管理经验需要不断积累。

目前，20kV 设备的生产技术比较成熟，依靠国内水平生产供应20kV 设备是完全有保障的；20kV 设备的造价比10kV设备有所增加，总体增加幅度在5%～15%的范围内。在20kV运行管理方面，国内对于20kV 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20kV 作为中压配电电压等级，在技术上是可行的。

2 20kV 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，20kV 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220/20kV、110/20kV、110/10kV 和110/35/10kV 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：220/20kV（2×120 MVA），110/20kV（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：

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。

图1 4种配电方案的供电可靠性水平

可以看出，4种配电方案 中220/20kV 和110/20kV 电压序列的供电可靠性最高，110/10kV 电压序列的供电可靠性次之，110/35/10kV 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：

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。

图2 4种配电方案年费用比较

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，110/10kV 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220/20kV 配电方案的年费用最小，20kV 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20kV 具有较好的经济性，简化110kV 电压等级的方案也具有较好的经济性，可以优先选择220/20kV 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20kV 的经济性更优。

3 20kV 配电网技术原则分析

3.1 20kV 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3km 以内；中等负荷密度区，供电半径宜控制在5km 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10km。

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。

20kV 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 000kVA。支线接入配变超过5台或接入容量超过3 000kVA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。

3.2 20kV 中性点接地

20kV 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600A，中性点接地电阻为20Ω。

20kV 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

3.3.1 220/110/20kV 变电站

220kV 变电站主变最终规模可选取4×75 MVA、4×100 MVA、4×150 MVA。

220kV 侧一般采用双母线双分段接线，6～8回220kV 出线；110kV 侧一般采用双母分段接线，10～12回110kV 出线；20kV 侧一般采用单母分段接线，每段母线10～12回20kV 出线。

3.3.2 220/20kV 变电站

220kV 变电站主变最终规模可选取4×75 MVA、4×100 MVA。

220kV 侧一般采用双母线双分段接线，4～6回220kV 出线；20kV 侧一般采用单母分段接线，每段母线10～12回20kV出线。

3.4 20kV 导 线

20kV 架空线路应采用铝芯绝缘导线，主干线截面宜选用240mm2，支线截面宜选用150 mm2，最小线径不宜小于90mm2。主干线导线截面应核算电压降不大于5%。

20kV 电缆主干线宜选用3×400－300mm2的铜芯电缆，支线截面应不小于120mm2。

3.5 配电变压器

（1）20kV 配电变压器容量在30～1 600kVA 之间，公变容量宜选择1 250kVA 以下。

（2）20kV 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315kVA，应选用全密封结构；组合式箱变中油浸配变容量不宜超过630kVA；干式配变容量不宜超过1 000kVA。

3.6 继电保护

（1）20kV 馈线及主变20kV 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20kV 侧零序保护电流取自主变20kV 中性点或接地变中性点电流互感器。

（2）220/110/20kV 三圈变的20kV 侧应配置反映相间故障的复合电压闭锁过流保护，当主变20kV 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500kVA 及以下时采用熔丝保护时，熔丝熔断特性应满足200A 电流下熔断时间小于60ms；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630kVA 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20kV 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10kV 和20kV 中压配电电压等级进行了系列比较。通过分析可以看出，20kV 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20kV 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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