对国家电网末端中低压侧规划的建议

张贺远

(中国建筑设计院有限公司， 北京 100044)

对国家电网末端中低压侧规划的建议

张贺远

(中国建筑设计院有限公司， 北京 100044)

对目前国家电网的中低压输配电系统各级电压的合理组合、地区电网规划及变电站位置的设置提出了建议，浅述了“线损比”及入户电压的高、低，分析了中压配电系统两种接地形式的利弊及适用场所，以供设计人员参考。

变压器变比 线损比 紧凑型变电设备 不接地系统

0 引言

降压站、变电所深入负荷中心的重要性众所周知，但真正做好并不容易，首先，需要因地置宜地布置降压站、变电所的位置，合理规划变电级数(变压器的变比组合、线损比)以及入户电压，尽量缩小用户变电所的建筑面积，克服各方面的困难和阻力。

另外，虽然许多规范条文(正确的与错误的并存，清晰的与含混的交织)规定了输配电系统各级电压的接地形式，但很多项目都未能很好地执行，实际做法较混乱、费工费料且安全性令人担忧。目前需解决的关键问题是：相关决策者必须将高压、中压(尤其是包含低压配电系统)作为整个输配电系统的整体，将其变电级数及接地形式统一考虑，上、下级统筹兼顾，达到既节能又安全的目的。

1 输配电电网现状

输配电包括从发电、升压、输电、降压直至配电送至用户等一系列的步骤，是一个庞大而复杂的系统，由国家电网公司统一管理，电网的末端供电给用户。计费方式有两种：一种是公共建筑(如商场、办公楼、工业建筑等，简称“公建”)用电，在用户变电所内的高压侧设专用计量柜计费，变电所由用户自管，产权归用户；另一种是居民住宅用电(简称“低基”)，在低压配电系统的末端每户装电表计费，变电所由供电公司管理，产权归供电公司。

1.1 我国电网电压等级的现状及分段

1)电压等级的现状

在我国建国初期，国家电网的容量不大、电压不高。经改革开放近40年的快速发展，我国在发电、输电、超高压技术等各方面都有了长足进步。随着电网的不断增容、改造，高压电网的电压也逐步升高。其最高电压由110kV升至220kV、330 kV、500 kV、750 kV、1 000kV。

2)电压等级分段

我国在2011年以前，电压等级只分为高压和低压两段(1 000V以上为高压，1 000V及以下为低压)，没有明确设置中压段。但在国际上尤其是发达国家都设有中压段，既方便使用，又安全、节能。因此自2011年以后，我国也将电压等级分为高压、中压、低压三段。

1.2 各级电压的合理组合方案

输配电电网变压器的变比(上下级电压的级差)不宜太大或太小。若电压级差过大会造成变电设备困难、低压出线回路过多、低压侧送出困难等，且送电距离越长、损耗越大；反之，若级差太小，会造成变电层次多，导致不必要的重复变电，增加电网设备运行费用。有文献资料针对国家高压电网变比过小的问题，提出“舍二求三”原则，即高压电网各相邻电压级间的倍数(变压器变比)应“力求接近或超过3”，舍弃倍数仅为2或接近2、甚至小于2的两级中的某一级。

1.3 我国各级电压组合的现状

1)电网电压级差(变压器变比)过小

因为国家电网的设备是随着最高电压的逐步升高而逐步更换的，电压每升高一级，变压器的变比一般仅为2。但变电级数的不断增多会使供电系统越来越复杂。所以目前国家电网的新旧变电站共存现象普遍，许多变电站的变压器变比还是220/110kV。

有资料显示，根据我国电网的现状，可供优选的高/中/压级电压组合的方案有6种：220/110/10kV、220/110/20kV、220/110/35kV、220/110/35/10kV、220/60/10kV、220/60/20kV，其中有4种组合方案的变压器变比是220/110kV，变比仅为2，显然不合理。故笔者建议，在新建或改建的电网中，不要再继续沿用上述不合理的变比方案。

2)电压组合方案不合理

目前高压输电的电压组合方案级差(变压器变比)过小，但用户变电所内的变压器变比(10/0.4/0.23kV)却已达到25，过大。而且，现在某些地区要求将入户电压提高到20kV，反而会导致有的变压器变比(20/0.4/0.23kV)高达50。这种变压器变比过大和过小并存的现象是不合理的，但目前仍普遍存在。

3)电压等级的分段

(1)高压电网主要电压等级标准分别是：35(66)kV、110kV、220kV、330kV、500kV、750kV、1 000kV。

(2)中压电网主要电压等极标准为：6kV、10kV、20kV(根据负荷增长可扩展至35kV)。

(3)低压电网(即供用户内使用的低压的电压)主要电压等级标准为：0.4/0.23kV(380/220V)。

(4)安全电压主要电压等级标准为：50V、25(24)V、12V。

4)规范的变化

需要说明的是，GB 50053-2013《20kV及以下变电所设计规范》中用20kV取代10kV仅仅是该规范适用范围的扩大，并不意味着入户电压都要用20kV取代10kV。规范的变化不应影响各级电压的组合方案，不应因此造成各级电压组合方案的不合理。

1.4 常用电压的合理组合方案

1)220/35kV、110/35kV、110/10kV、35/10/0.4/0.23kV、10/0.4/0.23kV这5种中压组合方案符合“舍二求三”原则以及“中压”变“低压”的组合方案变压器变比为10～25。

符合以上两条原则的电压组合方案，可以减少输电线路的线损，减少变配电设备的规格，便于管理，降低造价。

2)如果在用户变电所内采用高电压的用电设备，可直接将高电压的电能转化为机械能，节能效果最佳。

目前，采用10kV的入户电压已经不低，且在大型民用(如高层、超高层的商业、办公、酒店、公寓等)10万m2以上的“公建”中(除特殊情况外)，以常用的10kV电压入户较为合理。

3)对于某一项具体的工程而言，究竟采用哪个电压等级入户更合理，应由供电公司、工程建设方、工程设计的电气、暖通专业等多方协商，因地制宜地确定。

4)不同电压等级的“线损比”，是指在导体截面、传输功率相同的条件下，不同电压在线路上的电能损失(I2R)之比。因为采用不同的电压传输相同的功率时，采用导体的截面必然不同。所以，“线损比”应该是“低压侧电流与高压电流之比”与“低压侧导体截面与高压侧导体截面之比”的乘积。

变压器的变比只要大于10，上下级的“线损比”就小于1%，因此，与低压侧的线损相比，高压侧的线损可以忽略。

当用户的入户电压为10kV时，其变压器的变比为25，高低压侧线路的“线损比”即为0.16%。此时，假若变电所偏离负荷中心，则0.4kV线路延长1m，其线损就相当于10kV线路延长625～692m(用400V～380V计算)；假如用户10kV/0.4kV变电所偏离负荷中心50m，则相当于10kV变电站偏离负荷中心31～34.6km。

当用户的入户电压为20kV时，变压器的变比为50，则上、下级线路的“线损比”为0.04%。此时，若用户变电所偏离负荷中心，则低压线路每增长1m，其线损就相当于20kV线路延长2.5～2.77km。综上所述，将低压用户变电所深入负荷中心才是最重要的。

5)可通过提高入户电压的方法，提高供电能力，但不宜采用单台容量大的变压器，因为它会增大短路电流，提高对断路器分断能力的要求，弊病很多；也不宜集中设置多台变压器，会加长低压线路的供电半径，增加电能损失。其仍需分区设置小型变电所，以缩短低压供电半径、减少线路电能损失。

总之，对于新建或改造的国家电网(或称为“公网”)，只有统筹兼顾其高压、中压、低压的各级变压器变比的组合，才能达到既安全又节能的目的。

2 中、低压输配电系统变电站位置的设置原则

如上所述，必须在建筑物群总体规划设计的基础上，按照自下而上推进的原则，进行区域降压站及用户变电所位置的设计。首先必须将用户变电所的位置设置在用户的负荷中心，再将上级降压站设置在以用户变电所为负荷中心的位置。这样，既确定变电所及变电站的位置，又使国家电网真正达到安全、节能的目的。

为了更有效地使用户变电所深入负荷中心，需要缩小用户变电所面积。在这方面，我国与发达国家相比存在很大差距：在欧洲、美国、日本等国家，都采用紧凑型成套变配电设备，将变配电设备设置在公建或住宅楼内，一个小型的单台变压器变电所占地面积仅为25～40m2，两台变压器的变电所面积可<80m2，为变电所深入负荷中心创造有利条件；按照中国的变电所设计规范，对变电所内设备的布置有各种距离的要求，变电所的占地面积很难缩小(例如占地面积最小的方案：两台800kVA以下的变压器，高压采用环网柜、无值班室，面积约需100m2；如果两台变压器容量大、高压采用中置柜、有值班室，变电所占地面积约为250m2)，而且常常是多台变压器安装在一起(每台变压器的容量也比较大，变电所面积更大)，供电范围大，使变电所严重地偏离了负荷中心。

近几年来，中国已经有厂家生产紧凑型成套变配电设备(类似室外“箱变”去掉外壳安装在室内)。这种定型产品(已生产多年)只要征得当地供电部门同意便可在工程中实施，使变电所深入负荷中心。

现在，世界上的发达国家均采用低电压的小容量变压器入户，变压器真正深入了负荷中心，节能效果非常显著(有资料介绍，现在某些发达国家的单位GDP能耗仅为我国的1/10)。

3 中压系统两种接地形式比较

3.1 中压配电系统采用小电阻接地形式(也称有效接地)

1)中压侧采用小电阻接地，相线一旦发生接地故障，保护装置便迅速切断电源，供电连续性差。

2)若用户变电所设在建筑物内，变压器外壳的保护接地与低压配电系统的工作接地不能分开。当变压器的高压侧发生接地故障时(一般10kV电源侧的接地电阻为10Ω，低压侧的接地电阻为0.5Ω)，接地短路电流约为550A，则低压侧接地电阻上的电压降约为250V，使低压配电系统的PE线对大地有250V的电压(即10kV电源侧的短路电流在低压配电系统接地电阻上形成的电压降为250V)，很不安全。为解决触电风险，采用总等电位联结。

3)解决总等电位(含局部等电位，辅助等电位等)联结问题时，由于存在认识上和技术上的难点，很容易出现错误。有时认为已经“等电位”了，其实仍存在危险。例如“民规”10.9.3条中规定：安装于室外景观照明中距建筑物外墙20m以内的设施，应与室内系统的接地形式一致，距建筑物外墙大于20m宜采用TT接地形式。并没有考虑中压配电系统接地型式的不同对低压系统的影响。

“设计规范”尚有这样的疏漏，工程设计中就更难避免中压配电系统采用小电阻接地时对低压用户安全的严重影响了。因为小电阻接地时对建筑物内等电位联结的要求很高。在许多情况下(例如，独立桩基的单层大跨度厂房，需要费工费料去做等电位联结网)，即使投入了很多人力物力，其等电位的效果也不一定很好，仍存在人身电击危险。

4)当变电所独立设置时，低压配电系统的工作接地与高压设备及变压器外壳的保护接地可分开设置。当高压侧发生接地故障时，其保护接地电阻上的电压不会传到低压侧的PE线上，但接地极的占地面积需要加大。而且建筑物内的接地在仍必须采用TN-S(或需要TN与TT混用)系统的情况下，出现问题或疏漏的几率也会增加。

若低压配电系统采用TT接地形式，当中压侧发生接地故障时，保护电器切断电源的时间<5s，则按绝缘配合要求的电压提高到1 200V，电源侧由10kV改为20kV，其线路和设备的投资会增加。

3.2 中压侧不接地(或消弧线圈接地、谐振接地等)系统的特点

1)一旦发生单相接地故障，输配电系统是一点接地，不形成回路。仅有很小的接地故障电容电流及线路接地故障监视电压互感器的短路电流，可以只报警不断电，不影响用户用电，供电连续性好。

虽然当发生单相接地故障时，其他两相对地电压会升高，需要加强线路和设备的绝缘，但与其优点相比，利大于弊。

此接地系统形式，特别适用于不允许中断供电的重要设备及场所，例如，实时计算机系统及煤矿、军工、医院手术室等。

2)由于技术的迅速进步，中压配电系统可设置绝缘监视装置。当系统绝缘电阻下降到一定值时，绝缘监视装置便可及时报警，提醒配电系统的管理人员及时检查处理(有无大短路电流、有无电磁干扰)，不中断供电。

3)PE线、接地体及设备的外露可导电部分上，不会出现危险的电击电压，很安全。

4)中压侧不接地系统的各类用户变电所(含户内变电所、附设式变电所、独立变电所或预装式变电站等)的接地，均可将低压配电系统的工作接地与保护接地(变压器及用电设备的外露可导电部分等)合用接地装置。将变压器低压侧的中性点一点直接接地，其接地电阻值只要≤4Ω(若为满足电讯系统的要求，接地电阻值可降到≤1Ω)即可，且这样的接地电阻值在一般民用建筑中就能做到。

5)按绝缘配合要求，中压侧不接地(或消弧线圈接地、谐振接地等)，低压配电系统可采用450/750V的导体，对设备的绝缘要求也低一些。

6)我国自建国以来，中压输配电系统按照苏联规范，一直采用中性点不接地系统，尤其是对于山区或农村，输电线路采用架空方式(电容电流很小)，发生接地故障时，电击电压低，安全实用、节约投资。

7)对于供电连续性要求不高的一般用户，当配电系统发生接地故障时，可以既报警又断电。对于小容量的一般用户，因其供电范围小，断电影响小，其供电连续性与中压侧小电阻接地相同，故管理简单，且具备不接地系统的电击电压低等优点。

4 结束语

综上所述，笔者认为采用合理的电压组合方案；缩小变电所的面积，使变电所深入负荷中心；采用合理的入户电压；合理的接地形式等一系列的措施会是整个国家电网(“公网”与“非公网”)趋向更加合理的重要方面。

例如，110kV及以上的高压输电系统及0.4/0.23kV低压配电系统(除特殊情况外)均采用直接接地形式；中压输电系统采用不接地系统；用中压系统的不接地，将高压输电系统的直接接地与低压配电系统直接接地隔开，使低压配电系统的接地不受上级配电系统接地的影响(当高压输电系统发生接地故障时，不会在低压系统接地的PE线上产生很高的电击电压)，使低压配电系统更安全。

供、用电系统的合理、安全、节能，是业内人士的终极目标和追求。笔者仅从工程技术应用的角度，直言不讳的谈些看法，难免片面，望批评指正。

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充电桩的通信方式

电动汽车充电桩属于配电网侧，其通信方式往往和配电网自动化一起综合考虑。通信 是配电网自动化的一个重点和难点，区域不同、条件不同，可应用的通信方式也不同，具体到电动汽车充电桩，其通信方式主要有有线方式和无线方式。

1、有线方式

有线方式主要有：有线以太网(RJ45 线、光纤)、工业串行总线(RS485、RS232、 CAN 总线)。

有线以太网主要优点是数据传输可靠、网络容量大，缺点是布线复杂、扩展性差、施工成本高、灵活性差。

工业串行总线(RS485、RS232、CAN 总线)优点是数据传输可靠，设计简单，缺点是布网复杂、扩展性差、施工成本高、灵活性差、通信容量低。

2、无线方式

无线方式主要采用移动运营商的移动数据接入业务，如：GRPS、EVDO、CDMA 等。

采用移动运营商的移动数据业务需要将电动汽车充电桩这一电网内部设备接入移动运 营商的移动数据网络，需要支付昂贵的月租和年费，随着充电桩数量的增加费用将越来越大；同时数据的安全性和网络的可靠性都受到移动运营商的限制，不利于设备的安全运行；其次，移动运营商的移动接入带宽属共享带宽，当局部区域有大量设备接入时，其接入的可靠性和每个用户的平均带宽会恶化，不利于充电桩群的密集接入、大数据量的数据传输。

来源：电力电子网

Recommendations for the Medium and Low-voltage Side Planning at the end of the National Grid

Zhang Heyuan

The reasonable combination of voltage at all levels, regional power network planning and substation location in the middle and low-voltage transmission and distribution systems of the national grid are put forward, the "line loss ratio" and the high or low voltage of household voltage are discussed, the advantages and disadvantages of the two grounding forms of the medium voltage distribution system and the suitable place are analyzed, which for designers to reference.

transformer ratio, line loss ratio, compact substation equipment, ungrounded system