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24kV电压等级在我国电网发展中的应用及展望


20 kV电压等级在我国电网发展中的应用及展望

电工电气

(2011 No.8)





20 kV电压等级在我国电网发展中的应用及展望
刘沛清,滕欢
(四川大学 电气信息学院,四川 成都 610065) 摘 要: 随着国内经济的快速发展,用户负荷密度

增大,10 kV 配电网络容载比已不能满足负荷的增 长,严重影响供电可靠性。介绍了20 kV电压等级在国内外的应用情况,分析了其相对于10 kV、35 kV电压 等级的优势,指出20 kV电压等级在国内城网改造以及新规划的城市高负荷新区电网建设具有广泛的应用 前景。 关键词 : kV电压等级 ; 20 中压配电网 ; 线损 ; 供电半径 中图分类号:TM715 文献标识码:A 文章编号:1007-3175(2011)08-0001-04

Application and Prospect of 20 kV Voltage Grade in Power Grid Development of Our Country
LIU Pei-qing, TENG Huan (School of Electrical Engineering and Information, Sichuan University, Chengdu 610065, China) Abstract: With the rapid development of domestic economy and increasing of users load density, 10 kV power distribution network load carrying ratio had not met the growth of load, which seriously impacted on the reliability of power supply. Introduction was made to applications situation both at home and abroad, its advantages in contrast to 10 kV and 35 kV voltage grades analyzed. It is pointed out that 20 kV voltage grade is with broad applicable prospect for city power grid reformation and newly planned city’s high load new district power grid building at home. Key words: 20 kV voltage grade; medium-voltage power distribution network; line loss; power supply radius

0 引言
随着国民经济的快速发展,城市化进程的不断 加速,电力负荷大幅增加。同时,城市用电负荷密 度和供电半径也不断增大,这使得传统城市10 kV中 压配电越来越不能满足高负荷密度供电要求,导致 10 kV配电网的容载比越来越低,城市供电网的可靠 性受到严重影响。为了解决这一问题,20 kV电压等 级在中压配电网中的应用越来越受到人们的关注和 重视,国内也开始借鉴国外成熟经验并率先在苏州 工业园区开展试点并取得良好效果。文中首先介绍 了20 kV电压等级在国内外应用历史和现状,通过理 论分析对比了20 kV与35/10 kV电压等级的优势,进 而分析了20 kV电压等级在城农网改造和高密度负 荷新区应用可行性和现存问题并提出展望和建议。

1 国内外20 kV电压等级应用情况
目前,国外的中压电网已普遍采用20 kV电压等 级,世界上已经有数十个国家和地区将20 kV电压等 级作为中压配电网的标准电压,并已列入IEC(国际 电工委员会)标准, 具有非常成熟的技术和经验。 美 国自1984年开始部分采用20.8~24.9 kV电压,法国 和德国自20世纪60年代开始统一采用20 kV配电网, 巴 黎电网采用的225/20/0.4 kV电压系列是目前世界上 电压等级最简化的系列,其可靠性、经济性和运行 灵活性方面的优势非常突出。近80%的欧洲国家如 意大利、波兰等也大都采用20~25 kV作为中压配 电,俄罗斯自1904年出现20 kV电压等级以来,20 世纪60年代以后基本实现了20 kV供电。近60%的亚 洲国家,其中包括日本、新加坡、韩国等均已采用 20 kV电压等级为其城市供电[1-2]。

作者简介:刘沛清(1989- ),男,本科,研究方向为电气工程及其自动化; 滕欢(1964- ),女,高级工程师,硕士,研究方向为电力系统调度自动化及计算机信息处理。

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20 kV电压等级在我国电网发展中的应用及展望

在国内,新中国成立前及解放初期,山东、东 北等地曾经有20 kV电压等级,作为3 ~ 6/0.38 kV 一次配电与二次配电电压之上的一级供电电压出现 过,起到了重要作用。后来随着负荷密度的增长 和电网发展,基于国家当时的用电水平及相当一个 时期内的发展打算,保留了35 kV和10 kV电压等级, 20 kV被淘汰。后来,20 kV电压等级在国际上又以 新的功能出现,其作用是取代10 kV,直接向380 V 供电,以扩大供电半径,减少线路回数,降低网损。 目前国内在运行的20 kV中压配电系统有 : 苏州 (1) 工业园区青秋浦以东45 km工业园区全部采用20 kV, 已成功运行多年 ; 上海轨道交通、地铁和轻轨 (2) 均采用20 kV,实际运行状况良好 ; 昆山的南亚 (3) 公司使用的是20 kV配电电压等级 ; (4)2003年3月 27日,辽宁本溪南芬地区二次变电所重建后投入运 行,有6条20 kV配电线路运行,2台主变压器及199 台配电变压器, 运行以来未发生单行接地故障 ; (5) 2007年,江苏省电力公司建议全省主要城市在未来 1~2年至少将建立一个20 kV实验区,2008年迎峰度 夏前,苏州、无锡、南京等地区已有部分项目建成 投产并顺利接入电网,实现了可靠运行 。
[3]

用电负荷密度平均约60~70 kW/km2,一个几百平方 千米的县城,用10 kV线路供电时,由于受供电半径 的限制,要建设10余所35 kV变电站,除花费大量投 资及占地外,每年仅主变压器损耗就有百万千瓦时 之多[1]。
2 U 电压损耗百分比为Δ % =100(PR + QX )/U N,式

P 中 : 、Q 分 别 为 线 路 输 送 的 有 功 功 率 和 无 功 功
率;R 、X 分别为线路的总电阻和电抗。 当由 10 kV 电压等级升至 20 kV 电压等级后, 假 设 线 路 路 径 和 负 荷 不 变, 则 电 压 损 耗 可 减 少 75%,若供电半径不变,则 20 kV 电压等级更能保证 电能质量。 由 P = 3 U NIjcosφ, = 3 U NIjsinφ, = rL , Q R Σ Σ

X = xL , 式中:r 、x 分别为单位长度线路的电阻、 电 抗;L 为供电半径;cosφ为功率因数。 可得供电半径: =Δ %U N/[100( 3 U NIjr cosφ+ L U 2 Σ
3Σ NIjx sinφ)]。 U 由上面公式可知,在负荷不变且电压损耗一定 的条件下,20 kV电压等级的供电半径比10 kV扩大 了一倍。 3)降低电网损耗。 线路的电能损耗公式为: S = 3I 2 R ,而I N = P / Δ N
2 ( 3 U N cosφ),则Δ = P 2R /(U N cos2 )。 S φ 由上面公式可知,在原有条件下,20 kV电压等

2 20 kV电压等级的优势
2.1 20 kV电压等级比10 kV电压等级的优势 1)配电容量大,传输能力提高。 随着经济的快速发展,用户负荷密度增大,以 往的10 k V配电网容载比不能满足负荷的增长速 度,会严重影响到供电可靠性,此时必须增加新的 电源点才能满足负荷需求。但是由于这些地区所处 的地理位置均属于经济快速发展的重要开发区,使 得站点、线路走廊和上级电源点的选取非常困难。 中压配电网络最大输送容量:S = 3Σ NIj。式 U 中:U N为配电网的额定电压;I j为配电线路在环境 条件下的持续电流。 在原有配电线路路径不变的基础上,由10 kV升 至20 kV后, 可得到S 20/S 10 = 3 20Ij/ 3Σ Ij = 2, 10 即 Σ 传输能力为原来的2倍。 2)减小电压损耗,增大供电半径,提高了供电 质量。 10 kV线路在负荷密度为20~30 kW/km2时供电半 径为10~12 km,在40 kW/km2时不足8 km。农村地区
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级的网损降低75%; 当20 kV供电半径增加一倍时, 网 损降低50%。对网损的降低,可以收到良好的经济 效果[4]。 4)减少出线数目,节省线路走廊,有效地解决 土地紧张问题。 20 kV电压等级提高后,在输送与10 kV电压相 同的容量时,导线所需截面面积大大缩减,减少了 有色金属的投资,既节省资源又节省线路投资。另 外,20 kV电压等级的引入,可节省线路走廊,减少 了电力设备占地资源,这对寸土寸金的城市土地有 重要的意义。 不同容量主变中压线路回路见表1[5-6]。
表1 不同容量主变中压线路回路数
指标/kV 110/10 单台主变容量/MVA 31.5 40.0 50.0 63.0 80.0 100.0 中压出线回路数 8 10 12 8 10 12

110/20

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由表1可以看出:容量为50 M VA的110/10 kV主 变, 当升压改造为容量63 MVA的110/20 kV主变时, 变 电容量不仅提高,而且线路走廊节省1/3,可以获 得明显的经济效益。 2.2 20 kV电压等级比35 kV电压等级的优势 如果利用35 kV电压等级直接配电,存在造价 高、占地多、变电站进出线困难等一系列问题,尤 其在绝缘等级方面,20 kV电压等级的绝缘要求较 10 kV电压等级并未有较大的提高,但是35 kV电压 等级的绝缘则有很高要求,这就意味着线路投资将 大大提高。 另外从满足主干网及重要用户的要求来看,采 用35 kV问题更加复杂和突出。 kV较20 kV而言, 35 不 但不会促成经济性地提高,反而会过多地消耗有色 金属,不利于电网的发展。

况,进行技术经济综合评估后,有目标、有步骤地 实现配电网升压过渡。在老城区改造中,由于接入 用户和配电所数量很大, 且现有10 kV设备的使用寿 命未到期限,应该合理规划利用现有资源,避免浪 费将升压影响降到最低。老城区电网改造可结合城 市新规划建设这个契机,可以在110 kV变电站使用 110/20/10 kV三卷变压器, kV为新建用户供电, kV 20 10 维持对老用户供电 ; 新建用户也可按20 kV建设降压 运行,变压器的高压线圈用串并联方式在两个电压 等级间切换 ; 或在其间配置20/10 kV联络变压器 [8]。 从10 kV供电过渡到20 kV的过程需要持续很长一段 时间,在此期间一个供电区域同时存在两种电压等 级是合理的,同时也是必须的。 在新规划的城市高负荷新区、工业园区电网建 设中,首先考虑20 kV电压等级中压配电,其在设 备、征地、经济效益、电费等方面均比10 kV有很大 的优势。城市新区属于新规划地区,一般多集中了 各高新技术产业及大型工厂等,负荷密度较高,往 并且几乎不存在原始电网, 所 往可达30~40 MW/km2, 以规划时受原有 10 kV 网络的影响较小,最适宜在 新区较完善地建设 20 kV 电网,落实国家电网公司 2004 年关于在新发展电网地区试点 20 kV 的精神, 并在 20 kV 与上级电网充分建立联系,以确保供电 可靠性 [9]。目前,天津滨海新区、哈尔滨群力开发 区、合肥滨湖新区等都对 20 kV 项目进行了调研立 项,20 kV 电压等级在国内新开发区建设中越来越 被重视和广泛应用。 在负荷密度较低地区,如以传统农产业为主的 农村地区,供电能力和线路走廊不是主要矛盾,主 要制约因素是供电半径和电压质量。由于覆盖面的 要求,在这些地区提高配电电压会增加建设投资和 改造费用,但不能减少变电站的数量,也不能减少 线路回路和配电数量,可维持现在供电方式[7]。但 是对于城镇化转型,快速发展第三产业的新型农村 而言,经济快速发展造成负荷增长快速。为满足未 来发展的需要,在电网规划建设时,应该率先考虑 应用20 kV电压等级。 另外,随着国内20 kV电压等级中压配电的深 入研究和应用,相应的设备产业也在蓬勃发展。目 前,20 kV配电设施的技术要求在国标或部标中有了 明确规定,各种主要设备如变压器、开关、避雷器 等均能实现国产化并出口至世界各地。虽然20 kV
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3 20 kV电压等级的应用展望
随着经济的持续发展,城镇化建设加快,居民 生活水平提高,用电增长较快。未来10年,城乡生 活用电量比例将从现在的12.6%增长到20%~25%。 未 来25年,国内一些负荷密度高的大城市,继续沿 着10 kV外延将难以为继。根据这种发展需要,城市 电网必须持续加快建设改造 。现在国内城市电网 除个别地区外普遍采用220/110/35/10/0.4 kV五级 电压。目前城市电网的发展正朝着 “标准化、小型 化、无油化、自动化” 方向发展,其中简化电压等 级更是当前电网改造面临的重大问题之一。20 kV电 压等级中压配电网在国外已经有了很成熟的应用经 验,国内 《电力工程电气设计手册》 对20 kV电压等 级给出了明确的规定,并且苏州新加坡工业园区在 国内率先采用20 kV作为配电电压,整个配电网采 用全电缆供电,已成功运行多年,取得了较好的效 果。2007年国内首次在苏州实施了20 kV架空线工 程,线路除柱式绝缘子外与10 kV线路完全一致,采 取全绝缘线架设,也取得了成功。目前国家发改 委已核定江苏省20 kV销售电价比35 kV销售电价高9 元/M W·h,比10 kV销售电价低6元/M W·h 。这为 20 kV电压等级规划、建设、运行和维护等方面积 累了宝贵经验。就目前来说,由于10 kV电压等级 长期存在和发展,如果全部升压至20 kV,难度很 大。在城网改造时,要结合当地经济发展的具体情
[7] [7]

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开关柜比10 kV开关柜价格稍高,但供电能力成倍 增加,通过性价比分析比较,生产20 kV开关柜经 济效益是很好的。另外,随着20 kV配电网的广泛 普及,如果若干年以后,20 kV生产批量能与10 kV 相差不多,那么20 kV设备价格会迅速接近10 kV设 备,甚至于可以持平
[10]

5 结语
相比于10 kV和35 kV电压等级配电所言,20 kV 电压等级中压配电具有总投资低、供电半径大、供 电容量大、供电质量高、总占地面积小、网损率 低、管理环节简捷、有色金属使用节省等优势。它 在国外许多国家得到了广泛应用并取得了良好的成 效。随着国内经济的快速发展,20 kV能满足城市日 益增长和对供电可靠性的要求,解决现存的用地紧 张矛盾,经济效益突出,并且符合国家建设资源节 约型、环境友好型社会的政策,具有广阔的应用前 景。在进行城网改造和城市高负荷密度新区的电网 建设中,应该会发挥巨大的作用。同时也应该注意 到,城市电网电压等级的调整是一个长期过程,不 能急于求成,要因地制宜,充分论证,分阶段有效 实施。



4 现实中存在问题和建议
1)电网等级改造难度大,建设改造周期长,投 资大。 由于10 kV配电网在城市电网和农村电网建设 中已形成规模,用户分布多且分布广,在升压改造 时, 一方面要求保证用户改造期间的用电可靠性; 另 一方面,由于没有现行 20 kV 电源,需要更换和改 造的配电设施如变压器、电流互感器 C T、电压互 感器 P T 等都属用户侧,且数目多时间长,难以统 一协调,这使得保证用户可靠供电难度很大, 此外, 在短时间内 20 kV 配电网不能形成网状结构,线路 互供的灵活性较低,供电可靠性将会受到一定的影 响。另外由于电压等级的提高,各级设备的绝缘要 求也要相应提高,这就意味着设备成本大幅上涨, 一次性投资大。所以,中压配电网的电压升级将是 一个长期循序渐进的过程。 应该合理地选择建设试 点,选择那些负荷密度基础很大且处于不断增长的 地区, 进行完善的规划设计和经济性综合效益评估, 争取既保证供电可靠性, 又能保证最大的经济效益, 并且为以后的电网建设发展积累经验。 2)电价政策不完善, 制约20 kV电压等级发展。 目 前20 kV电压等级的技术指标已经明确规定,但是由 于20 kV电压等级还未广泛应用,因此国家还没有制 定针对20 kV的新电价政策,若沿用10 kV的电价收 费,将会造成供电公司的损失,不能体现出20 kV相 对于10 kV的经济优势,也不利于20 kV电压等级的 发展。电价不明确是制约20 kV发展的重要因素。可 以借鉴苏州工业园区电价经验,采用插值法,20 kV 电压等级电价应该介于35 kV和10 kV之间,通过对 各试点运行经验的综合评估和研究,早日出台新的 合理有效的电价政策。

参考文献
[1] 赵国祥.20 kV电压等级在中压配电网中的应用[J]. 华电技术,2009,31(4):32-34. [2] 方旭东,李智.20 kV配电网优越性及现实建设中存 在问题的探讨[J].电气开关, 2010, 48(5):13-14. [3] 殷红旭,张建华.我国20 kV配电电压等级的历史沿 革及应用综述[J].电气技术,2010(6):1-4. [4] 樊丽娜, 许跃进.农村中压配电网电压等级的优化选 择[J].电力系统保护与控制, 2009, 37(11): 102-105. [5] 刘平,马新明,戴迪.20 kV电压等级应用的探讨 [J].电气开关,2010,48(6):14-15. [6] 刘令富.电网电压等级序列研究[D].北京:华北电 力大学,2009. [7] 马苏龙.20 kV电压等级在配电网中的应用[J].电网 技术,2008,32(19):98-100. [8] 何智强.城网10 kV电压等级改造为20 kV的可行性分 析[J].湖南电力,2010,30(1):42-44. [9] 殷红旭, 张建华.20 kV中压配电网在城市高负荷密度 新区中的应用[J].现代电力, 2010, 27(2): 35-38. [10] 胡大建.10 kV和20 kV开关柜技术与经济分析[J].电 工电气,2009(10):1-3. 收稿日期:2011-05-20

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