20 kV配電網(wǎng)實(shí)施的關(guān)鍵問題探討*

胡祥飛， 徐星星， 張 春**

(1. 安徽工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000；2.國(guó)電銅陵發(fā)電有限公司，安徽 銅陵 244000)

目前我國(guó)中壓配電網(wǎng)電壓等級(jí)基本為10 kV，但隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，電力負(fù)荷呈迅猛增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)及城市工業(yè)區(qū)附近的負(fù)荷密度迅速增高，越來(lái)越明顯地暴露出我國(guó)現(xiàn)有大中城市供配電網(wǎng)絡(luò)己不適應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市現(xiàn)代化建設(shè)的需要.為了滿足不斷增加的負(fù)荷，電力系統(tǒng)的電壓也在不斷地提高，這已經(jīng)成為電力工業(yè)發(fā)展的規(guī)律.而20 kV電壓等級(jí)以其獨(dú)特的優(yōu)越性，成為目前中壓網(wǎng)絡(luò)一個(gè)很重要的選擇.

1 國(guó)內(nèi)外20 kV電網(wǎng)的應(yīng)用

目前，國(guó)外的中壓電網(wǎng)已普遍采用20 kV電壓等級(jí)，世界上已經(jīng)有數(shù)十個(gè)國(guó)家和地區(qū)將20 kV電壓等級(jí)作為中壓配電網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)電壓，并已列入IEC(國(guó)際電工委員會(huì))標(biāo)準(zhǔn)，具有非常成熟的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn).在歐洲，近80%的國(guó)家采用20～25 kV電壓等級(jí)作為中壓配電電壓，俄羅斯(前蘇聯(lián))在1902年便出現(xiàn)20 kV電壓等級(jí)，20世紀(jì)60年代以后除少數(shù)城市，幾乎都改成20 kV電壓等級(jí).法國(guó)和德國(guó)也在20世紀(jì)60年代開始統(tǒng)一將原有的10 kV配電網(wǎng)改造為20 kV配電網(wǎng)，其供電優(yōu)勢(shì)較10 kV電壓等級(jí)非常明顯.近60%的亞洲國(guó)家已采用20 kV電壓等級(jí)為城市供電，韓國(guó)于1996年開始將配電系統(tǒng)升壓為22.9 kV，整個(gè)韓國(guó)共185個(gè)供電局應(yīng)用20 kV電壓等級(jí)，配電線路共6 140條，全長(zhǎng)37 645 km[1，2].

在我國(guó)，20 kV電壓等級(jí)早在1993年就已經(jīng)被納入標(biāo)準(zhǔn)電壓等級(jí)，但迄今為止該電壓等級(jí)還沒有得到大規(guī)模的應(yīng)用.如在蘇州工業(yè)園區(qū)新合作區(qū)采用20 kV全電纜供電方式，是我國(guó)第一個(gè)20 kV電壓等級(jí)配電網(wǎng)項(xiàng)目，1996年投入運(yùn)行.10多年的運(yùn)行實(shí)踐表明，與10 kV相比，20 kV在經(jīng)濟(jì)性、可靠性等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì).采用20 kV配電電壓對(duì)一些大城市的高新開發(fā)區(qū)具有重大經(jīng)濟(jì)意義.目前除蘇州外，南京、福州、無(wú)錫、合肥等部分城區(qū)都已有應(yīng)用20 kV配電網(wǎng)的成功案例.

2 采用20 kV電網(wǎng)供電的優(yōu)點(diǎn)

在中壓網(wǎng)絡(luò)中，與10 kV配電網(wǎng)相比，20 kV電壓等級(jí)作為配電電壓具有諸多優(yōu)點(diǎn).

(1) 供電能力增強(qiáng).在同等導(dǎo)線截面積及電流密度的條件下，在輸送相同電功率時(shí)，20 kV有效供電半徑可增加近一倍.如果供電半徑不變，采用相同截面的導(dǎo)線，其輸送功率可增加一倍.

(2) 電網(wǎng)損耗得到降低.在傳送相同距離和相同功率電能的前提下，20 kV電壓等級(jí)的線路電流為10 kV的50%，且線路的電能損耗為原先的25%.近幾年我國(guó)電網(wǎng)的線損率呈逐年上升趨勢(shì)，據(jù)有關(guān)部門分析，線損升高主要是10 kV及以下配電網(wǎng)絡(luò)的線損的增加.

(3) 降低建設(shè)費(fèi)用，減少桿塔和變電站的布點(diǎn)密度，節(jié)約土地資源.采用20 kV電壓等級(jí)，可以減少變電站配電出線回路數(shù)的一半，可以避免負(fù)荷密集地區(qū)出線過(guò)多帶來(lái)的通道路徑困難等問題.在額定電流與短路電流相同的情況下，20 kV比10 kV可擴(kuò)大變電站容量一倍，在同一地區(qū)可使設(shè)置降壓變電站的數(shù)量減少一半.

3 20 kV 配電網(wǎng)實(shí)施的關(guān)鍵問題

20 kV配電網(wǎng)的實(shí)施有兩種情況，一是直接取代原先的35 kV電壓等級(jí)配電所，直接新建110/20 kV變電站，在用戶端設(shè)置20/0.4 kV配電所，如圖1所示.二是在20 kV配電網(wǎng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮與現(xiàn)有的10 kV供電網(wǎng)絡(luò)的兼容問題，由110/20 kV變電站給城市網(wǎng)絡(luò)供電，在終端設(shè)立20/10 kV變配電所，涉及到具體用戶時(shí)再由配電所進(jìn)行具體配電，如圖2所示.

圖1 直接配電方案

圖2 復(fù)合配電方案

3.1 20 kV配電網(wǎng)主要電氣設(shè)備選擇

采用20 kV配電電壓，必須提供24 kV開關(guān)設(shè)備，目前我國(guó)已有制造12 kV和40.5 kV開關(guān)設(shè)備的經(jīng)驗(yàn)，因此制造24 kV開關(guān)設(shè)備在技術(shù)上并不困難.但24 kV設(shè)備絕不是12 kV設(shè)備電壓等級(jí)的放大或40.5 kV設(shè)備電壓等級(jí)的縮小，而是要重新研究、重新設(shè)計(jì)，重新制造和重新做試驗(yàn)，才能研發(fā)出符合規(guī)定的24 kV開關(guān)設(shè)備.以江蘇電網(wǎng)為例，負(fù)荷開關(guān)耐壓參數(shù)如表1[3]所示.目前國(guó)內(nèi)相關(guān)廠家已經(jīng)解決20 kV開關(guān)設(shè)備研制問題(主要用于出口)，且對(duì)于一般供電用戶，20 kV開關(guān)設(shè)備的投資增加不會(huì)超過(guò)20%.

表1 20 kV負(fù)荷開關(guān)耐壓參數(shù)一覽表

3.2 配電變壓器選擇

根據(jù)圖1和圖2給出的兩種方案，引入20 kV配電網(wǎng)，用戶端需要應(yīng)用20/0.4 kV和20/10.5 kV兩種配電變壓器.目前20/0.4 kV配電變壓器根據(jù)實(shí)際情況通常選用干式、三相變壓器，冷卻方式為自冷型，線圈絕緣水平需滿足表2要求[4].對(duì)于20/10.5 kV變壓器，如果兩側(cè)變壓器聯(lián)結(jié)組相應(yīng)的中性點(diǎn)接地方式不同，則降壓變壓器必須具備隔離功能，不宜選用自耦變壓器，而應(yīng)選用普通的雙繞組變壓器.目前國(guó)內(nèi)20 kV電網(wǎng)只在少數(shù)城市試運(yùn)行，對(duì)于20/10.5 kV變壓器的選擇尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)可供借鑒，但其繞組內(nèi)部絕緣水平可參照表3選擇[4].

表2 20 kV配電變壓器絕緣水平 kV

表3 20/10.5 kV變壓器繞組絕緣水平 kV

3.3 20 kV配電柜選擇

20 kV配電柜可以采用充氣式開關(guān)柜和小車式開關(guān)柜兩種類型.主要選用2 500 A和1 250 A兩種，其中主變壓器進(jìn)線柜、分段斷路器柜選用2 500 A，出線柜選用1 250 A.但由于目前設(shè)備額定電流受國(guó)內(nèi)制造水平限制，沒有大電流柜可供選擇，因此主變壓器進(jìn)線應(yīng)采用雙分支形式，即將主變20 kV側(cè)通過(guò)兩臺(tái)進(jìn)線柜接至不同母線，以滿足大電流的要求.

3.4 防雷與接地

20 kV配電站防雷的主要措施是在配電站的進(jìn)線、出線及母線裝避雷器，有串聯(lián)間隙的金屬氧化物避雷器的額定電壓應(yīng)不小于1.1倍的系統(tǒng)最高電壓.另外，對(duì)于避雷器的耐受電壓，其值要高于20 kV開關(guān)設(shè)備的雷擊沖擊耐壓值，目前主要應(yīng)用20 kV復(fù)合外套交流無(wú)間隙金屬氧化物避雷器，避雷器的接地線應(yīng)與開關(guān)設(shè)備的金屬外殼連接.

圖3 改進(jìn)型靈活接地系統(tǒng)

20 kV配電網(wǎng)接地方式可采用消弧線圈并聯(lián)電阻的改進(jìn)型靈活接地方式，如圖3所示.該方式集合了消弧線圈和電阻接地方式的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地，根據(jù)控制器監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)電容電流，按照脫諧度調(diào)節(jié)消弧線圈到相應(yīng)的檔位，此時(shí)并聯(lián)電阻的開關(guān)斷開，電阻不投入電網(wǎng).當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，在接地初始階段，系統(tǒng)處于經(jīng)消弧線圈接地方式，由消弧線圈的電感電流補(bǔ)償系統(tǒng)的電容電流，熄滅瞬間接地電弧，使得瞬間接地故障消失，系統(tǒng)可連續(xù)工作.若為永久性接地故障，則經(jīng)一定的延時(shí)后，由控制器發(fā)出命令，合上電阻的開關(guān)，利于消除間歇性電弧過(guò)電壓，同時(shí)有較大的零序電流流過(guò)接地點(diǎn)，啟用零序保護(hù)動(dòng)作，跳開接地線路，隔離故障點(diǎn)[5].

3.5 20 kV配電所的繼電保護(hù)

對(duì)于20 kV配電所的出線保護(hù)，二次設(shè)備的保護(hù)裝置與10 kV配電所相同，不需要做出改變，但電流互感器、電壓互感器等與一次設(shè)備部分相連的裝置需與20 kV電壓等級(jí)配套，宜采用微機(jī)保護(hù)裝置，保護(hù)類型包括過(guò)流、速斷保護(hù)等，對(duì)于架空裸導(dǎo)線可選用重合閘裝置，對(duì)于小電阻接地系統(tǒng)應(yīng)增加零序電流保護(hù)[6].零序保護(hù)設(shè)備反應(yīng)20 kV的饋線和主變壓器20 kV側(cè)的接地故障，套在出線電纜上面的穿心式電流互感器應(yīng)該用于20 kV饋線的零序電流保護(hù).主變壓器20 kV中性點(diǎn)或者接地變壓器中性點(diǎn)電流互感器提供主變壓器的20 kV側(cè)零序保護(hù)電流.需要注意的是，由于20 kV的電纜網(wǎng)包括混合網(wǎng)，比10 kV的線路充電電流增加很多，因此對(duì)于中性點(diǎn)的零序電流值需要進(jìn)行調(diào)整，同10 kV的電纜網(wǎng)有所區(qū)別.配電變壓器容量為500 kV/A及以下時(shí)采用熔絲保護(hù)，熔絲熔斷特性應(yīng)滿足200 A電流下，熔斷時(shí)間小于60 ms；考慮到零序電流保護(hù)整定值很難與熔斷器的熔斷曲線配合，當(dāng)配電變壓器容量在639 kV/A及以上時(shí)，配電變壓器應(yīng)配置反映相間故障的電流保護(hù)和反映接地故障的零序保護(hù).

4 結(jié) 論

相比10 kV配電網(wǎng)，20 kV配電網(wǎng)不僅可以提高供電能力，增加輸送功率，而且損耗和建設(shè)費(fèi)用能得到明顯降低.但在我國(guó)中低壓配電網(wǎng)以10 kV為主的情況下，配電電壓等級(jí)要從10 kV過(guò)渡到20 kV將是一個(gè)長(zhǎng)遠(yuǎn)而艱難的過(guò)程，在20 kV配電網(wǎng)的改造和建設(shè)中，要綜合考慮20 kV配電網(wǎng)實(shí)施技術(shù)中的關(guān)鍵問題.

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