(南京联能电力检测研究所 中国电力科学研究院 华北电力调控分中心)
摘要：鉴于我国社会用电负荷快速增长的情况以及中压配电网的现状，阐述了目前10kV配电网存在的问题，分析了20kV电压等级供电的优势，最后提出了现有10kV电网升压至20kV等级的具体思路与策略，为进一步应用并推广20kV等级供电，提供了一定的参考依据。
关键词：配电网；20kV电压等级；升压改造
引言
随着社会经济的迅速发展，我国的发用电量也快速增长，在人口密集、经济发达的城市和开发区，负荷密度已经达到20-30MW/km2，远期负荷密度预计将达到50 MW/km2。随着负荷密度的不断增加，现有的10kV中压配电等级已经不能适应负荷的增长需要，供电能力明显不足，迫使变电站的布点和出线回路数增加，这不仅加大了配电网建设投资，也由于设备重载而使电能损耗增加。此外，随着城市化水平的不断提升，土地资源日益紧张，电网建设与城市土地资源之间的矛盾日益突出，变电站站直和线路走廊的获得变得十分困难，为了解决上述问题，有必要考虑现有中压配电电压等级的升压问题。
根据国资委确定的中央企业节能减排工作目标：到“十一五”期末，中央企业要确保完成单位增加值能耗降低２０％，主要污染物排放总量减少１０％，这是建设资源节约型、环境友好型和谐社会的重大举措。为实现到“十一五”期末降损20%的目标，满足区域社会经济发展的需要，适应国家节能降损的要求，提升配电网的供电能力和适应性、降低配电网损耗和供电成本、减少电力设施占地资源、节能减排、降低网损将是电力企业的长期发展战略，这对中压配电网供电也提出了更高的要求，为了消除现有10kV电压等级供电的弊端，进一步改善现有中压配电网的供电现状，本文提出了将10kV电网升压至20kV等级的思路和策略，并对新电压等级的优势进行了相关的论证，为现状网的升压改造提出了具体的实施建议。
1现有10kV配电电压存在的问题
随着社会用电负荷的迅速增长，以10kV作为中压配电网供电电压的局限性日趋明显，主要表现在：
1）受10kV电压等级的限制，110/10kV变电站的相对容量较小，导致变电站的布点密度加大，势必将引发变电站站址与土地资源日趋紧张之间的矛盾，尤其在部分经济发达地区，这种矛盾更为凸显。当负荷密度达到30~50MW/km2时，每隔1.5~2.4km就需要建设一座110/10kV变电站（主变容量配置为3×50MVA）。若采用20kV等级供电，则可以建设主变容量配置为3×80MVA（或3×100MVA）的110/20kV变电站，这样在同样负荷密度下可以大大降低变电站的分布密度。
2）10kV线路输送容量相对较小，致使出线回路多、电缆敷设密度大，线路走廊受到限制。例如，一座配置3×50MVA的110/10kV变电站一般需要30回出线（架空或电缆），而一座配置3×80MVA的110/20kV变电站只需24回出线（架空或电缆），在一定程度上节约了配电线路走廊建设资源。
3）10kV电压等级难以满足较大负荷的单个用户或单体建筑的用电需求。由于目前大多城市中基本没有35kV电压等级，对于大型单个用户或单体建筑（如高层建筑，特别是大型宾馆、酒店、商务办公楼等），若其用电需求达到20~30MW，就会出现没有适合的电压等级供电的情况。对于30MW左右的用电负荷，若用110kV等级供电则用户投资太大且浪费资源；若采用10kV等级供电，则需要6~8回线路，最终导致占用大量的建设资源。
4）部分10kV线路负载重、损耗高，电压质量难以保证。由于建设困难，在高负荷密度地区的用电设备常处于重载运行状态，损耗较高，且这类地区的用电峰谷差较大，高峰、低谷的电压波动较大，调压要求高，10kV电压质量难以保证。
2 采用20kV电压等级供电的优势
鉴于上述现有10kV电压等级的供电局限性，有必要通过升压改造，采取20kV电压等级供电，以达到有效提高供电能力、节约建设用地、提高电压质量的目的。相比之下，采用20kV等级供电的优势主要体现在以下几个方面：
5）提高中压网络的传输能力
按照经济电流密度选择导线截面A，线路的输送功率
可见，电压由10kV升至20kV后，在输送容量不变的情况下，有色金属损耗量可以减少50%
3 国内20kV电压等级应用与规划情况
目前，国内有部分地区已经实现了利用20kV电压等级供电，并具备了一定的运行管理经验；还有些地区已经开始区域配电网升压的相关前期工作，并有针对性地确立了20kV等级的规划项目。主要介绍如下：
10）江苏苏州工业园区
1996年，苏州供电局在苏州工业园区，首次引入20kV电压等级供电，该园区采用全电缆系统。截止目前为止，园区的20kV配网区域内共有220kV变电站（220/110/20kV）3座，110kV变电站（110/20kV）5座，总容量为177.9万kVA，20kV电缆共计约598km。
11）辽宁本溪南芬地区
辽宁本溪南芬地区多为矿山负荷，供电较为分散，供电半径大，10kV等级的末端电压很难满足供电要求，经过本溪供电公司深入论证，于2003年在南芬地区采用20kV配电电压供电，取得了较好的经济效益。该地区在国内首次采用了20kV架空线路，至今运行良好。
12）辽宁大连长兴岛
2005年，辽宁省政府决定将长兴岛建设成为临港产业基地。根据总体规划，该区域以工业负荷为主，建设用地的用电负荷密度较大，预计将达到2万~3万kW/km2。经过研究论证，大连供电公司决定采用500/220/60/20/0.4 kV电压序列。目前，该区域已经建成投运一座66/20kV试验变电站，运行良好。区域内的20kV电网建设也将全面展开。
13）湖北宜昌白洋化学工业园
白洋化学工业园于2008年开始建设，规划最大供电负荷为44.37万kW，规划电压等级序列为220/110/10kV，鉴于其中的能源区、精细化工区等部分区域的供电可靠性要求，经过充分论证，决定分别采用220/110/20kV和110/20kV供电电压序列。
4 现有10kV电网升压改造策略
采用20kV电压等级供电，除了包括对新建区域采用新的电压等级以外，鉴于目前国内的中压配电电压等级以10kV为主，现存大量10kV配电设备，因此，欲采用20kV等级供电，就需要对现有的10kV电网进行升压改造，达到有效利用现有设备存量、优化资源配置能力、建设资源节约型和环境友好型坚强电网的目的。针对现有的10kV电网，建议分3个阶段、3种区域、3类设备开展相关的升压改造工作，相应的改造策略如下：
4.1升压改造的3个阶段
14）短期（0-5年）
在升压改造的初期阶段，宜主要开展10kV升压改造的可行性研究、典型设备的试验研究以及试点区域的运行研究等工作，为下一步的升压改造奠定坚实的基础。对于初期阶段新建的供电区域，宜直接以20kV等级进行建设，不再扩大10kV供电区域。
15）中期（6-15年）
在升压改造的中期阶段，针对新建区、混供区、过渡区等不同供电区域全面开展10kV电网升压改造工作，为最终完全实现20kV等级目标网架制定合理的改造措施，确保现有10kV系统向20kV系统有效过渡。
16）末期（16-30年）
在升压改造的末期阶段，主要针对中期在混供区和过渡区采用的升压过渡方案，开展全面升压工作，缩短并结束过渡时限，最终实现整个配电网升压成为20kV等级运行。
4.2升压改造的3种区域
1）新建供电区
在新建供电区域，应明确规定采用20kV供电电压，不再为用户用电提供10kV供电电压；明确新建20kV供电区域上一级电源点（变电站）的电压等级，对于饱和负荷密度较高的新建小区，建议采用220/20kV供电模式；对于负荷密度相对较低的新建小区，建议采用220/110/20kV供电模式。
2）混合供电区
在10kV与20kV电压等级混合并存的区域，原则上10kV供电线路与20kV供电线路应各自独立运行。如对供电可靠性有特殊要求，宜经联络变压器进行联络；采用逐步蚕食的技术政策，逐步扩大20kV的供电范围，实现平稳过渡。当部分10kV供电设备达到寿命期或用户有重大增容需求时，改用20kV等级供电。
3）平稳过渡区
在负荷增长相对平稳的原有10kV供电区域，原则上短期内暂时保留10kV供电方式，待其10kV供电设备逐渐达到寿命期时，再逐步改用20kV供电；在原有10kV供电区域外，应不断加强20kV的供电能力，以便为原有10kV供电区域逐步升压为20kV等级供电创造外围电源条件，使20kV供电区域有能力不断对原有10kV供电区域进行逐步蚕食。
4.3升压改造的3类设备
1）可直接利用设备
对于经过现场试验并被证明可以被直接升压运行的10kV设备，若设备使用寿命尚未达到规定年限，则直接升压至20kV等级运行；若设备使用寿命已经达到规定年限，但经过各项运行测试结果表明完全可以满足20kV电压等级运行要求的10kV配电设备，可暂时直接升压至20kV等级运行，待后期电网改造时逐步更换为20kV等级的新设备。
2）不可利用的设备
对于经过现场试验并被证明不能被升压运行的10kV设备，宜全部更换为适应20kV电压等级的配电设备。更换的新设备，直接按照20kV等级进行设备选型，在升压改造过渡期可以继续以10kV等级运行，待升压完成后再以20kV等级运行；更换的新设备宜选用短路容量能满足较长期发展需要、可靠性高、体积小、维护工作量少和操作简单的新型设备。拆除的10kV配电设备可以由相关物资部门按照原价值的一定比例进行回收，或用于部分尚不具备升压条件的10kV供电区域的配电网建设。
3）经改造后方可利用的设备
对于经过现场试验被证明不能被直接升压运行，但通过一定的技术改造手段，仍能满足升压要求的10kV设备，若设备使用寿命尚未达到规定年限，宜通过改造手段，使其继续在20kV等级下运行；若设备使用寿命已接近规定年限，但通过技术手段仍能够满足20kV电压等级运行要求的，在升压改造过渡期可以将其改造并升压至20kV等级运行，待后期改造时先行将其更换为适应20kV等级运行要求的新设备。
5 结论及建议
经过理论验证以及实际运行证明，采用20kV配电电压等级供电，可以有效地提高供电能力、减少土地占用、降低建设投资、降低损耗以及提高电压质量，并为进一步简化电压等级提供适宜的条件。但是，推广应用20kV电压等级供电，需要结合周边电网的具体情况和地方经济的发展需要，科学决策，因地制宜，力求确定最佳的升压改造时机和策略。升压后将有效提升现有及新增供电区域的供电能力，同时也为部分偏远、供电半径大的地区提供了一种供电的新模式，升压后的20kV等级系统将大大降低线路损失，提高电压质量，具有较大的经济效益和广阔的推广应用前景。
在建设20kV配电网时，鉴于多数供电区域内均存在10kV和20kV两种等级共存混供的局面，规划时宜认真考虑改造时机、改造模式和供电安全可靠性等问题，有目标、有步骤、有成效地实现10kV电网向20kV电网的升压过渡。合理利用现有的10kV设备（尤其是用户设备）、将升压的影响减至最低是对现有配电网开展升压改造需要考虑的一个重要因素。在此过程中，将不可避免地涉及大量客户侧设备的改造，工程造价巨大，单纯从电价效益角度难以推进其主动升压，宜考虑通过价外补贴等途径由客户、电网企业和政府（作为升压后所取得的社会效益的直接收益方）按照一定比例共同承担客户侧的改造资金，并宜按照电网功能定位，基于成本加收益的原则，确定电网企业合理销售电价，在电价执行、贷款和税收等方面采取灵活的政策，促进升压改造的推广和应用。
作者简介：
姚健（1972.11-），工学硕士。南京联能电力检测研究所，长期从事电力检测，电能质量及配网自动化相关工作。
韦涛（1976.1-），工学硕士。中国电力科学研究院配电研究所，主要从事配电网规划运行分析研究
杨健（1972.7-），工程硕士。华北电力调控分中心，长期从事调度运行，水电及新能源运行管理相关工作。
论文作者:姚健,韦涛,杨健
论文发表刊物:《电力设备》2017年第27期
论文发表时间:2018/1/14
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