河北省南部城市配電網(wǎng)升壓改造可行性分析

王得志,景 皓,路 磊，曹新宇

(1.河北省電力研究院，石家莊 050021；2.石家莊供電公司，石家莊 050051；3.河北省電力公司，石家莊 050021)

合理的中壓配電網(wǎng)電壓等級(jí)會(huì)直接影響到供電質(zhì)量、電網(wǎng)的能量損耗、電網(wǎng)建設(shè)的投資和電網(wǎng)的年運(yùn)行費(fèi)用等。當(dāng)前，由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展，生活水平和生產(chǎn)力的提高，對(duì)電力的需求直接表現(xiàn)為地區(qū)負(fù)荷密度上升，尤其是人口密集、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的城鎮(zhèn)，負(fù)荷水平上漲速度很快。目前，廣泛使用的10 kV中壓配電等級(jí)，已經(jīng)不能滿足未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，20 kV供電網(wǎng)絡(luò)已成未來發(fā)展趨勢(shì)，在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有很多升壓改造成功的先例。河北省電力公司所轄的河北省南部城市配電網(wǎng)，包含邯鄲、邢臺(tái)、石家莊、保定、滄州、衡水6個(gè)城市。截至2009年底，河北南部6個(gè)城市轄區(qū)供電面積1 530 km2，供電人口622萬，售電量385.9億kWh，其中10 kV以下綜合線損率5.98%，低壓線損率9.45%。若考慮躉售、自供區(qū)和工業(yè)大用戶的情況，實(shí)際線損率會(huì)更大一些。為了適應(yīng)河北省南部各城市未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，提高城市配電網(wǎng)供電能力和供電可靠性，建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)低碳的配電網(wǎng)，將配電網(wǎng)運(yùn)行電壓提升至20 kV，是最直接有效的途徑。

1 河北南部城市配電網(wǎng)現(xiàn)狀

我國(guó)城市電網(wǎng)的改造，經(jīng)歷了由2.3 kV、3.3 kV和6.3 kV多種較低配電電壓，逐步統(tǒng)一提高到10 kV配電電壓的過程。目前，河北省南部6個(gè)地市的城市配電網(wǎng)基本上以10 kV為主,線路和變壓器運(yùn)行狀況總體良好，且有一定裕度。但隨著河北省經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市的不斷擴(kuò)張和變化，對(duì)城市配電網(wǎng)提出了更多、更新的要求，目前城市配電網(wǎng)存在的問題也越來越多的暴露出來。

a. 配電網(wǎng)能耗較高，不能滿足節(jié)能減排、建設(shè)低碳經(jīng)濟(jì)的要求。2009年河北省南部城市配電網(wǎng)10 kV以下綜合線損率5.98%，低壓線損率9.45%。10 kV線損率降低1%，一年至少將會(huì)帶來3億kWh的電量節(jié)省，時(shí)間越長(zhǎng)，效果越好。截至2009年底，6個(gè)城市配電網(wǎng)有10 kV線路1 345條，共長(zhǎng)7 283.74 km，平均長(zhǎng)度5.21 km，其中長(zhǎng)度超過10 km的有25條，超過4 km的有134條，影響了供電質(zhì)量和供電效率。6個(gè)城市還有S7、S8系列及以下的高損耗變壓器2 432臺(tái)，占總數(shù)的19.3%。這些因素造成河北省南部配電網(wǎng)損耗過高。

b. 目前配電網(wǎng)總體容量雖較為富裕，但無法滿足未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。截至2009年底，河北省南部6個(gè)城市共有10 kV配電變壓器29 282臺(tái)，容量10 204.8 MVA，運(yùn)行年限10年以上的超過20%，2009年最大負(fù)載率平均值41.0%，變壓器負(fù)載率平均值36.7%，在合理范圍之內(nèi)。 “十二五”期間河北省南部電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)最大發(fā)購(gòu)電負(fù)荷年均增長(zhǎng)率為9.5%，預(yù)計(jì)2015年達(dá)到31 900 MW；“十三五”期間河北省南部電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)最大發(fā)購(gòu)電負(fù)荷年均增長(zhǎng)率為5.9%，2020年達(dá)到42 500 MW。短短10年內(nèi)，河北南網(wǎng)整體負(fù)荷將翻一番，這就需要對(duì)現(xiàn)有城市配電網(wǎng)進(jìn)行擴(kuò)建和改造。

c. 配電網(wǎng)無法滿足城市負(fù)荷集中發(fā)展的需要。目前，河北省大量高層建筑集中施工，這些高層建筑將會(huì)給城市配電網(wǎng)帶來新問題：高樓大廈屬于垂直供電，有限的面積內(nèi)有著極高的電力需求；高樓大廈一般處于經(jīng)濟(jì)中心，土地資源緊張，為變電站選址、上級(jí)電源進(jìn)線走廊、出線電纜走廊選擇帶來困難，需要及早規(guī)劃。

d. 配電網(wǎng)無法滿足供電可靠性和配電自動(dòng)化的要求。河北省南部城市配電網(wǎng)有相當(dāng)一部分采用輻射式供電，環(huán)網(wǎng)線路建設(shè)不完全，無法滿足城市配電網(wǎng)自動(dòng)化的要求。目前，河北省南部6個(gè)城市配電網(wǎng)的10 kV線路中：架空線輻射式比例13.6%，單聯(lián)絡(luò)比例31.7%，多聯(lián)絡(luò)比例54.7%；電纜線環(huán)網(wǎng)比例57.4%,雙射比例31.6%，單射比例11.0%。由于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)落后，對(duì)用戶不能實(shí)現(xiàn)多電源供電、負(fù)荷轉(zhuǎn)移等功能，無法實(shí)現(xiàn)配電自動(dòng)化，不能實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

2 20 kV配電網(wǎng)優(yōu)越性

為解決河北省南部城市配電網(wǎng)存在的問題，適應(yīng)未來發(fā)展需要，建議采用20 kV作為中壓配電等級(jí)。以20 kV進(jìn)行中壓配電，可以有效的降低線損、擴(kuò)大供電半徑、提高供電質(zhì)量、帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

2.1 提高線路傳輸能力

使用20 kV配電網(wǎng)可使線路的傳輸能力提高1倍。視在功率為，

式中：UN為額定電壓；IN為額定電流。

在負(fù)荷電流及功率因數(shù)不變時(shí)，

式中：S20和S10分別為20 kV和10 kV視在功率；U20和U10分別為20 kV和10 kV電壓等級(jí)；I20和I10分別為20 kV和10 kV的電流。

2.2 減少線路損耗

使用20 kV可以有效減少線路損耗。線路中功率損耗為，

ΔP=3I2R

式中：ΔP為線路損耗；I為線路電流；R為線路電阻。在負(fù)荷不變的條件下，

即電壓由10 kV升至20 kV后,在負(fù)荷不變的條件下,功率損耗降低了75%。

2.3 減少電壓損失

即20 kV電壓損失為10 kV的1/4。

2.4 擴(kuò)大供電范圍

整理可得經(jīng)濟(jì)供電半徑,

式中：α為功率因數(shù)。

在負(fù)荷不變的條件下,L20/L10=U20/U10=2,20 kV供電半徑增加了1倍。實(shí)際上，10 kV線路的輸送功率只有300～2 000 kW，一般供電距離為8～18 km，其經(jīng)濟(jì)供電半徑在負(fù)荷密度大于40～50 kW/km2時(shí)，最多不超過8 km。20 kV線路的輸送功率可達(dá)800～5 000 kW，一般供電距離為15～35 km，在負(fù)荷密度為60～70 kW/km2時(shí)，可以達(dá)到14～15 km以上。

2.5 節(jié)約有色金屬

經(jīng)濟(jì)電流密度為常量,在輸送容量S不變的情況下,導(dǎo)線截面A只隨電壓變化,即

則A20/A10=U10/U20=1/2。即在輸送容量不變的情況下，20 kV電壓等級(jí)有色金屬消耗減少50%。

2.6 減少變電站數(shù)目

20 kV比10 kV擴(kuò)大了供電范圍和供電能力，所以對(duì)于同樣的負(fù)荷，配電站的數(shù)目將顯著減少，而且降低了線路損耗，節(jié)約了能源，也減少了輸電成本。采用110/20/0.4 kV供電方式，降低了送變電工程投資和線路損耗，而且在負(fù)荷密度大、線路長(zhǎng)的地區(qū)，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。據(jù)統(tǒng)計(jì)，110/20 kV 變電站平均造價(jià)307元/ kVA，比 110/10 kV 變電站407 元/ kVA的平均造價(jià)低24.5%，而供電容量卻增大到1.58倍；供電半徑的增大減少了變電站和開閉所的數(shù)目，同時(shí)減少了電纜數(shù)量；20 kV供電可靠率略高于10 kV平均水平，線損率降低0.5%，設(shè)備故障率與10 kV相仿。

3 升壓改造可行性分析

20 kV雖然相對(duì)10 kV電壓值提高了1倍，但是依然屬于同一個(gè)絕緣水平。將10 kV設(shè)備進(jìn)行升壓改造不僅可行，而且改造成本有限，分析如下。

a. 12～20 kV同為中壓電纜，屬于同一個(gè)絕緣水平,產(chǎn)品數(shù)據(jù)和各項(xiàng)指標(biāo)基本一樣，價(jià)格也一樣。

b. 35 kV及以下配電變壓器一般采用同樣的絕緣材料，10 kV或20 kV在同一功率時(shí)，后者電流較小,所以導(dǎo)線截面積可以減少一半,但匝數(shù)增加1倍, 所以導(dǎo)線整體用量不變,鐵心大小也幾乎不變，而出線套管用于20 kV電壓等級(jí)時(shí)成本增加不大。

c. 絕緣子電壓分級(jí)比較明顯,P-10T與P-20T相比，20 kV絕緣子質(zhì)量增加，價(jià)格變化明顯，由于絕緣子價(jià)格較低,增加的總額有限。

d. 20 kV比10 kV線間距離及導(dǎo)線對(duì)絕緣子或桿塔的要求略大，只需要將線間距離由0.9 m增到1.15 m。

e. 10 kV配電網(wǎng)大部分是不接地的，部分經(jīng)消弧線圈接地。如果改為20 kV小電阻接地系統(tǒng),原來的架空線和電纜線路絕大部分可以用于20 kV系統(tǒng),原來的配電變壓器絕大部分也可將2臺(tái)同參數(shù)同容量的一次串接、二次并接用于20 kV系統(tǒng),少數(shù)開閉設(shè)備、避雷器、互感器通過試驗(yàn)也可繼續(xù)使用于20 kV系統(tǒng)。

f. 10～20 kV處于中壓配電等級(jí)內(nèi),設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)條件基本相同。

4 存在的問題與建議

a. 河北省電力公司配電網(wǎng)存量資產(chǎn)大、設(shè)備剩余壽命普遍較長(zhǎng)，老舊設(shè)備不多。一次性更換會(huì)造成資源的浪費(fèi)，也很難保證相應(yīng)的資金。所以，20 kV升壓改造應(yīng)充分利用現(xiàn)有的10 kV設(shè)備，進(jìn)行設(shè)備改造，這樣可以避免浪費(fèi)，也可以減少投入。

b. 10 kV設(shè)備改造為20 kV設(shè)備需要技術(shù)保證和資金支持。現(xiàn)在雖然可以借鑒一些其他地區(qū)升壓改造的經(jīng)驗(yàn)，但還是存在著不少的技術(shù)問題，而且配電網(wǎng)規(guī)模大、布點(diǎn)密，設(shè)備眾多，為最經(jīng)濟(jì)的實(shí)現(xiàn)大量配電設(shè)備的升壓改造，需要做好充分的技術(shù)儲(chǔ)備。

c. 20 kV升壓改造需要一個(gè)較長(zhǎng)的過渡期。在過渡期內(nèi)，城市內(nèi)存在10 kV和20 kV 2個(gè)電壓等級(jí)，這將對(duì)公司的優(yōu)質(zhì)服務(wù)、供電可靠性、電能質(zhì)量產(chǎn)生影響，尤其是升壓改造將會(huì)直接導(dǎo)致計(jì)劃停電時(shí)間大幅度增加。為了有效的開展工作，縮短過渡期，需要從管理上統(tǒng)籌規(guī)劃，充分準(zhǔn)備。

[1] 厲 達(dá).配電網(wǎng)應(yīng)用20 kV電壓等級(jí)的技術(shù)性研究[M].上海：上海交通大學(xué),2009.

[2] 倪 俊.太湖新城應(yīng)用20千伏電壓等級(jí)研究[M].上海：上海交通大學(xué),2009.

[3] 陳光捷.建設(shè)20 kV配電網(wǎng)提升城市電網(wǎng)供電能力[J],供用電，2009,26(4):77-79.

[4] 李子韻,姜 寧.20 kV電壓等級(jí)在南京中壓配電網(wǎng)的推廣應(yīng)用[J]，電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2008，32(20):104-107.