孙秀兵　段玉峰　全宏达

摘 要：针对低负荷密度的农村地区，10kV电源站点比较少、线损率较高、供电距离大、电压质量不能满足要求等问题，提出了20kV中压配电网。20kV架空网络主要接线方式是手拉手式和单电源辐射式，其能够提高电能的输送容量，降低线损，增大配电网的供电半径。通过研究20kV配电网运行技术特性，在主变压器和配电变压器、中性点接地、防雷问题等方面提出规划技术原则，并通过中压配电网升压改造的机会，构建稳定的农村低密度区供电网络。

关键词：20kV；单电源辐射式；手拉手式；升压改造

中图分类号：TM726 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）36-0162-03

引言

当前，我国城乡已逐步建立了220kV、330kV、500kV的高压配电网，而把10kV作为农村地区的主要中压配电电压。国内外配电网发展表明，随着负荷的逐渐增加，提高中压配电等级，符合电力发展的规律。由于农村用电量的增加，在负荷密度低的农村地区，10kV电源站点比较少、线损率较高、供电距离大、电压质量不能满足要求等问题[1]。另外，对比国外的中压配电网，我国农村的配电网依然有较大的差距，其原因主要是中压配电网的灵活性不足，运转能力不强，通过升压改造，构建稳定的农村低密度区供电网络，为提高我国农村低密度区的供电稳定性和可靠性打下坚实的基础。

1 采用20kV电压的优势

现今我国大部分农村地区仍采用10kV的中压配电网，但在低负荷密度的农村，采用较高的中压配电网更加经济。采用高于10kV配电网的优点是：

（1）传输相同的容量所需线路数量更少。

（2）在负荷相同时，电压损耗更低。

在农村电网引入新的电压等级需要考虑如何保持压降，由于在地广人稀的农村地区建造新变电站，当供电能力达到10km以上时，以现有的负载率，很难维持电压降水平。考虑到经济因素，新采用的电压等级不宜太高，研究结果表明：对于农村电网，配电电压以22kV为边界，能够满足长距离、低密度供电条件下的压降水平，且供电经济[2]。

2 农村低密度区的方案评估

方案从两种电压等级序列出发500/220/110/35/10/0.4和500/220/110/20/0.4，根据我国农村电网的现状，只考虑架空线路这种架设方式；考虑到目前我国农村电网负荷密度分布的不均衡性，选择4种具有代表性的负荷密度400、800、1500和2000kW/km2，因此备选方案为2个，计算方案为8个；由于负荷发展速度的不确定性因素太多，方案只做静态分析，不考虑时间年限的影响，典型的供电面积为100km2；选取配变容量100kVA和315kVA比较具有代表性[3]。

根据参考文献[4]的估算模型和计算分析，我们可以对两种电压等级序列进行经济和技术上的评估，具体结论如下：

（1）静态投资：500/220/110/20/0.4kV方案的静态投资总是最低的，只有500/220/110/35/10/0.4kV方案的40%～54%。

（2）電能损耗：500/220/110/20/0.4kV方案的电能损耗仅占500/220/110/35/10/0.4kV方案的48%～67%。

（3）单位负荷密度：500/220/110/20/0.4kV方案的单位负荷投资明显低于500/220/110/35/10/0.4kV方案。

（4）功率损耗：在总功率损耗上，500/220/110/20/0.4kV序列的总功率损耗只占500/220/110/35/10/0.4kV序列的48%～68%，中压采用20kV后，高中压线损率降低了1.84%～3.84%。

依据分析结果，我国华东、华中和华北地区农村电网的备选方案为500/220/110/20/0.4kV。

3 农村低密度区升压改造

在农网改造中，是分阶段，分步骤进行的。改造时需要对存量资产合理利用，不能直接把10kV升到20kV，而是逐步实现的。

3.1 分阶段改造原则

分3个阶段对配电网进行改造：

（1）改造初期：从开始到完成总工程的25%，这个阶段是确定各种升压改造的方案，积累升压改造经验。

（2）改造中期：从改造初期到完成总工程的50%，这个阶段主要是制定各种升压改造的过渡措施。

（3）改造末期：从改造中期到完成升压改造，这个阶段是进行全面的升压改造。

对负荷密度小于2000kW/km2，可以缓慢进行升压改造。对于现有供电充足，用电设备没有达到工作年限，不管是否增加新负荷，不更改现有10kV电压等级。对于供电不足，且有新增加的负荷，用电设备也已经达到工作年限，就需要把电压为10kV的旧设备更换成20kV的新设备， 升压等级为20kV配电网。

3.2 10kV配电设备利用原则

对10kV设备进行可行的升压改造，能够划分为直接利用、不可直接利用、经改造后方可利用等3类设备：

（1）可直接利用设备：对使用寿命没有达到规定工作年限的10kV配电设备、经过测试表明符合20kV电压等级运行要求，如果满足升压要求，可直接升至20kV电压等级运行。

（2）不可直接利用设备：全部更换适合20kV的用电设备，在改造初期，若不具有升压条件，先降到10kV电压等级运行，等升压完成后再以20kV电压运行，更换新设备应选用体积小、可靠性高、维护工作量少的新型设备。

（3）经改造后方可利用的设备：未达到规定工作年限的设备，通过技术改造，并满足经济性要求，能够按照20kV的电压等级运行。

3.3 农村低负荷密度区升压改造方案

在农村地区主要是35/10kV变电站送出的10kV电压线路进行供电，要对35/10kV变电站的改造问题进行考虑。农村区域供电情况如图1所示。endprint

方案一：用20kV直接供电，将上级电源改造成20kV，让20kV线路送电，而不使用35kV/10kV变电站。缺点：比较大的供电半径。

方案二：将35kV/10kV变电站改造成为20kV等级电压，原来的35kV/10kV改造成20kV/10kV联络，然后给农村地区供电，等各方面条件都成熟，再按照方案一进行改造。

方案二方法不论改造费用、还是供电半径的大小，都优于第一种方案，因此建议选择方案二进行农村区域的升压改造。

4 农村低密度区20kV配电网运行特性

农村低密度区采用20kV配电网，应充分研究其运行的运行特性，本文从以下几点具体研究其运行特性：

4.1 主变压器和配电变压器

变电站主变压器容量的选择会受到主变二次侧短路电流的影响，各电压等级母线短路电流限值见表1所示。

表1 各电压等级短路电流限值

各级主变器的容量是根据短路电流限值选出的，220/110kV主变和220/110/20kV主变容量选择120MVA、180MVA和240MVA，110kV侧出线送电到农村低密度区再降为20kV电压等级供电，110（60）/20kV主变容量根据负荷密度需求选择31.5～100MVA，在低密度区可选择较低容量变压器，一般选择YNd11作为主变联结组别，这种接线能够有效减弱3次谐波对系统的影响，当主变一次、二次都选择星形接法，需要在铁柱上增加一个三角形绕组，为3次谐波电流提供通路[6]。

受低压侧短路容量限制，20/0.4kV配电变压器最大容量可达到3000kVA，由于受电压降限制，正常条件下低压0.4kV线路的短路供电半径仅为100～200m，因此配电变压器容量选择在30～1600kVA，20kV配电变压器的联结组别通常是Dyn11，短路阻抗序列是5.5%、6%、7%。

20/10kV联络变压器在配电网起过渡期间供电和联络作用，容量小于1条10kV线路供电容量，选择2000～8000kVA对于10kV供电，外围已经形成20kV供电网络，容量选择为2000～3000kVA。在20kV和10kV电源侧变压器联结组别和接地方式都相同情况下，使用自耦变压器以降低损耗。

4.2 中性点接地方式

在20kV配电网中，电容电流是中性点接地方式的基本依据之一。针对20kV电网，电容电流可通过式（1）求得：

（1）

式中：Un为而定电压；Co为单向对地电容；l是线路长度，因为农村低密度区采用架空线路，所以架空线路的电容电流式子可简化为：

Ic=（2.7～3.3）Unl×10-3 （2）

20kV配电网中，不同中性点接地方式是由电容电流的大小决定的， 3种接地方式下的电容电流大小如表2所示。

表2 不同接地方式的电容电流大小

4.3 防雷技术

架空绝缘线的防雷措施：

（1）避雷线的保护：避雷線一般用在变电站进线段的进线保护上，在雷电频繁地区，可在变电站进线1～2km线路上架设避雷线，用以保护变电站内部的设备。在情况允许时，可以架设改善杆塔的接地设施及耦合地线[7]。

（2）线路避雷器的保护：为提高线路的耐雷水平，沿20kV架空线路可装设避雷器，当线路有串联间隙时，避雷器额定电压应不低于1.1倍的最高系统电压。

（3）其他措施：改善配电架空线上电缆头、避雷器等设备的接地，调整继电保护整定措施，加强防雷监控等。

配电变压器的防雷措施：

（1）配电变压器的防雷：装设避雷器保护，在配电变压器的低压侧和高压侧均装设避雷器，防止配电变压器被击穿。

（2）配电站的防雷：在配电站的母线、进线及出线上装设避雷器，对于有串联间隙的金属氧化物避雷器，它的额定电压不小于1.1倍的最高系统电压。

（3）线路开关设备的防雷：装设避雷器保护，对于负荷开关和断路器，应装设避雷器进行保护，开关设备的金属外壳应与避雷器的接地线相连。

4.4 无功补偿

在功率因数低的20kV架空线路上安装容器，其容量可按线路上配电变压器总容量的7%～10%来选择。无功补偿装置应根据便于调整电压和就地平衡的原则进行相关的配置，采用集中补偿和分散相结合的方法。

中压用户的电容器可以分散安装，也可以集中安装，前者要安装于被补偿的旁，和设备同时自动投切，后者能够按需要进行自动切换，功率因数应达到0.95以上，两者中分散安装的方法比较好[8]。在进行无功补偿装置的安装时，应考虑谐波的治理措施，20kV谐波电压的总谐波畸变率不应高于4.0%。

4.5 继电保护技术

除了在电流互感器、电压互感器以及一次设备需要调整外，变电站的20kV馈线继电保护在二次保护装置及整定原则和10kV基本一致。通常采用微机型保护装置，保护类型包括速断、过流保护等，选择重合闸装置用于架空裸导线。

220/110/20kV三绕组变压器的20kV侧都装配复合电压闭锁过流保护装置用以反映相间故障，户外配电变压器容量为500kVA以下时用熔丝保护，当容量在630kVA以上时，装配反映相间故障的电流保护和反映接地故障的零序保护。

4.6 通道资源利用问题

架空线路的通道宽度按式子（3），得：

L=2×（L1+L2+L3） （3）

式中，L表示通道宽度，L1表示横担长度，L2表示风偏，L3表示安全距离。可以在10kV的基础上改造成20kV，根据式（3）计算得出表3。由于20kV线路走廊宽度与10kV相差不大，因此可以利用现有10kV通道。而对于20kV绝缘架空线路，目前没有电力行业方面的规定，尚有待进一步研究。endprint

4.7 架空网络接线方式

根据农村低密度区供电安全需求，20kV架空网络接线方式主要是单电源辐射式和手拉手式接线方式，如图2、图3所示。前者优点是高压开关和配电线路数量少、投资小，新增负荷时也方便。但其缺点也比较明显，主要是供电可靠性较差，故障影响范围较大。后者是在单电源辐射式基础上形成的，使联络开关断开，以辐射式方式运行。如果某段线路发生故障或需要检修，通过断开联络开关，能起到隔离作用；果某段母线退出运行，合上联络开关会恢复对失电段的供电。一般手拉手式接线方式线路备用容量大于50%。

农村低密度区架空网络发展趋势是单电源辐射式向手拉手式过渡，手拉手式根据需要逐步过渡到多分段多联络过渡。

5 结束语

从我国农村低密度区发展和负荷增长来看，中压配电网采用20kV等级电压都具有的必然性和实际可操作性。从经济和技术方面考虑，20kV系统增大了配电网的供电半径、降低线损，提高了电能的输送容量，20kV系统更能满足配电网快速发展的需求。农村低密度区应根据具体升压改造时机，分阶段进行升压改造，对于新建设区，应根据当地经济情况，率先采用20kV系统，对于现行的10kV系统，根据区域进行升压改造。通过研究20kV配电网运行技术特性，在主变压器和配电变压器、中性点接地、防雷问题等方面提出规划技术原则，通过升压改造的机会，构建稳定的农村低密度区供电网络，为提高我国农村低密度区的供电稳定性和可靠性打下坚实的基础。

参考文献：

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[7]Obrad M.Mikic Mathematical Dynamic Model for Long-tem Distribion System Planning[C].IEEE Transaction Systems.1996（1）：35-40.

[8]黄伟，张建华，文俊，等.配电网络供电能力评估系统及方案设计[J].现代电力，2001（4）：60-65.endprint