摘要：本文考虑为建设结构合理、技术先进、安全可靠、适度超前的供电网络的要求，学习国内外先进的电网规划经验，本次规划引入并试点应用20k V 作为配电电压等级。
关键词：20kV；城区；配网规划；电压层级
20kV 中压配电电压等级在国外应用广泛，如法国1960 年初至 1990年代中期基本全面完成了中压升压改造工作，将中压配电电压由原来的 3、5.5、10、
12、15 及 20kV电压等级逐步统一到 20kV；英国伦敦电网近年局部引入 20kV作为中压配电电压。目前我国已试点采用20kV中压配电的地方有苏州工业园区及辽宁本溪供电公司的南芬二次变电所。1996年 5月苏州工业园区第一座 110/20k V 变电站（3×63MVA）建成投运，目前已有8 座110kV 站，变电总容量 1008MVA；2002 年本溪供电局对南芬二次变电所进行了由 66/10k V 升压至 66/20k V 的改造（2×20MVA）。除上述试点外，近几年国内许多地方相继开展了 20k V 中压配电的规划研究，一般针对新开发区进行，如昆明机场、呈贡新区，上海金山工业园区，深圳光明新区，珠海横琴新区，广州等采用或局部开展20k V 电网建设试点。
与10kV比较，采用20kV供电的优点是：①对不同负荷密度的适应性强，城区负荷密度差异性较大，需要适应性较广的电压等级。国外的大量研究与实践表明，20kV电压等级尤其适宜于较高电力负荷密度的地区，同时也适合为远距离、低负荷密度的区域供电，具有比10kV 更大的适应性；②供电距离适应绝大多数城市中心区，在同样导线截面及电流密度的情况下，传送相同的电功率，其合理供电距离可达到10kV的2倍，而损耗降低至10kV的25%；③在短路电流控制水平相等的条件下，采用20kV比10kV可扩大变电站主变压器容量约 1 倍，可减少变电站站点一半左右；④中压配电电压采用20kV不仅能适应城市未来 30~50 年社会经济发展对供电的需求，且明显节省站点和线路走廊资源，节约宝贵的土地资源。
因此，下文简化电压等级序列，提高配电电压等级，参照国内外先进电网运行模式，考虑应用 220/20k V 直降，使城区电网形成220/20/0.4kV的供电模式。
1、电压层级选择对电网建设和运行的影响
阶梯式电压层级的构造对电网建设和运行的经济性有很大的影响，主要表现在：
1）随着层级的增多，变电站数量增大，设备投资增大，土地资源占用增多。变压器损耗增大，运行维护费用提高。
2）随着电压层级的减少，相邻电压等级之间级差的拉大，又会在电网供电的可靠性、变压设备的制造、下级电网的投资和传输电能的经济性等方面产生一些负面的影响和制约，表现在：①级差增大，则变压器低压侧电流增大。允许的级差程度受到来自绕组载流能力、开关设备制造能力等方面的制约。②级差增大，则变电站需要对更多的电能进行更细致的分配，增加了变电站出线回数，增大了下级电网结构的复杂性，降低了供电可靠性。同时也受到变电站占地和允许出线回数上的制约。③如果电压级差与用户的分布和区域的负荷密度不匹配，则电压级差偏大还会导致单个变电站的供电范围偏大，下级输电线路偏多、偏长，既增大了建设投资，也增加了低压电网的运行损耗和电压降落，从而降低了经济性和电能供应的质量。
从上述分析可以看出，对电压层级的选择是一个需要权衡技术、经济和客户需求的综合决策优化问题。因此，最佳的电压层级还会随着用电需求的增长而变化。相应的，电网也需要适应不同的负荷发展阶段，结合对设备寿命、改造代价和未来效益的综合考虑，选择合适的时机进行电压层级的调整，以获得最大的综合经济效益。
电网电压层级的选择受到负荷需求及其分布约束、技术和装备约束、土地资源约束、电源分布约束以及城市发展定位约束等诸多复杂因素的影响。其决策过程需要在复杂且带有较大不确定性的约束环境中寻求经济上较优的方案。
2、不同电压层级对变压器选型的技术约束分析
实现电压层级变换的核心设备是变压器。电压层级的配置直接影响到对变压器的最大额定容量的选择，而变电站允许的布点数量、供电范围和对土地资源的需求同时受到变压器容量的制约。
对高/低压变比为 k：1 的变压器，高/低压侧电流（周期分量有效值）之比为 1：k，低压侧电流远高于高压侧电流，且正比于两侧电压的级差。因此，级差一定时，变压器的最大允许额定容量就可以根据“满足绕组和主变低压侧开关设备对长期允许的运行电流和短时允许的短路电流的限制”的原则确定。
一般情况下 220/20k V 或 110k V/20k V 主变的容量不宜超过 120MVA，220/10k V 或110k V/10k V 主变容量不宜超过 60MVA。220/35k V 或 110k V/35k V 主变容量不宜超过150MVA。
2.1 线路的输送容量约束分析
中压电网一般不需考虑稳定约束，因此决定线路输送容量的主要是其热稳极限。线路的输送容量计算公式为：
式中，UN为电网额定电压，Imax为导线在环境条件下的持续载流量，它由导线载流体材料、截面积和敷设方式决定。
根据计算公式，在线路型号和敷设方式相同时，线路的输送容量与电压成正比的。
20kV 配电线路的输送容量约是 10kV的 2倍，35k V 配电线路的输送容量约是 10kV 的3.5倍。适当提高中压电压等级能够有效的提高单条线路的输送功率，有利于解决城市高负荷密度中心区线路通道走廊拥挤甚至受限的问题。
2.2线路末端允许电压约束
线路的输送距离会受到末端允许电压降落的限制。根据《电能质量供电电压允许偏差》（GB-T12325）规定，10k V 和 20k V 配电线路电压降不应超过 7%，35k V 配电线路供电电压正负偏差之和不应超过 10%。因此，提高中压电压等级可以使线路的供电距离得到有效的增大，同时有助于解决负荷分散的低负荷密度地区线路末端电压过低的问题。
2.3电压等级对一次设备造价的影响
在符合各种技术约束的前提下，合理的电压层级需要保证电网满足用户供电需求，电网建设和运行的综合成本也要尽可能降低。经济成本的测算主要包含两个方面，一是运营成本，二是建设投资。
电网一次设备的单位建设投资与电压等级密切相关。本节通过参考国内外相关资料文献，可以得知一次设备单价与电压等级的关系如下：
1）高压变压器单价与高压侧电压等级的关系较为密切。高压侧电压等级从110kV 升高到 220k V 时，相应的主变投资大约也会增加一倍。
3）电压等级从 110k V 提高到 220k V 时，高压开关设备、PT、CT、避雷器等的单价大约也会提高一倍。
4）设备购置费用一般占变电站总投资的 65%左右；主变和开关投资占设备购置费65%~80%，户外站和户内站有一定差异。
5）20k V 开关柜的价格相对 10k V 开关柜约高 20%，35k V 开关柜的价格相对 10k V 开关柜约高 50%~200%。
6）对用户而言，20k V 供电引起的变压器和高压开关柜的综合投资增加不会超过20%。但 35k V 供电引起的变压器和高压开关柜的综合投资增加超过 50%。
7）电缆线路的电压等级从10kV 升高到 20kV，建设单价大约增加 10%；升高到 35kV，建设单价大约增加 30%。
8）架空线路的电压等级从 10k V 升高到 20k V，建设单价大约增加 10%~15%；升高到 35k V，建设单价大约增加 20%~30%。
2.4电压等级对线路功率损耗的影响
配电网是节能降耗的一个主要阵地，加强配电网节能是贯彻我国节能减排国策的一个重要方向。据统计，中低压配电网的电能损耗约占电网全部损耗的60%左右。其中，中压线路损耗约占 31%，中压配变损耗约占 16%，低压线路损耗约占 53%。提高中压配电电压虽然对低压线路的损耗并没有改善，但能有效的降低 10kV 线路的损耗。
电压等级升至原来的两倍后，相同线路的负载能力也相应的升至原来的两倍。按同样的负载率水平考虑，20kV、35kV 线路与 10kV 线路相比，在相同的有功损耗下，输送功率分别是是后者的2 倍和 3.5 倍。
2.5 变压器的功率损耗
变压器的有功损耗由铜耗和铁耗（空载激磁损耗）和两部分组成。通过对比可以知道，在型号和容量相同时，35kV、20kV 配变的空载损耗与 10kV配变基本相同，负载损耗则分别比10kV 配变高 15%和10%左右。
可见，在节能降耗方面，提高中压配电电压等级能够起到非常明显的作用，符合我国能源发展政策。
2.6 中压配电设备比较
20k V 变压器的尺寸和占地面积与 10kV 变压器的尺寸和占地面积相差不大，大约为10kV 的 1.1~1.2 倍，而35kV 变压器的尺寸大约是 10kV 的 3 倍，35kV变压器的占地面积大约是 10kV的2倍。若大量采用35kV 配电变压器为城市电力用户供电，会受到环境因素的制约，因此对设备的小型化提出了更高的要求。
20kV空气绝缘开关柜的尺寸和占地面积约为10kV 的 1.1~1.2 倍，而 35kV 空气绝缘开关柜的体积和占地面积大约是10kV 的 2~2.5 倍。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆20k V 和 10k V 气体绝缘开关柜的尺寸和占地面积都是相同的，35k V 气体绝缘开关柜的尺寸和占地面积大约是 10kV 的1.1~1.6 倍。受开关设备尺寸限制，35kV 中压配电网将大量使用气体绝缘开关柜，而 SF6是导致温室效应的气体之一，大量使用势必增加环境保护的成本。
3、城区目标网架方案分析及优选
电网目前基本采用 220/110/10k V+110/10k V 的网架供电方式，在对网架进行改造后，会将 10k V 等级改成 20k V 电压等级，而个别可增添 220/20k V的两级电压方式，或者直接简化电压等级，全部采用 220/20k V 网架。为了探讨网架改造的优劣，并使网架选择方案的结果能有更科学的对比度，本章节将从线路输送容量、变电站容量、站点、线路走廊、电压损失、电压质量、供电距离短路电流和投资估算等方面，对以下四个具有网架改造代表性的网架方案进行对比分析：
方案一：220/110/10k V+110/10kV 方案。
该方案为目前城区电网常规供电方式。
本方案中压为 10kV 供电。根据负荷预测及平衡分析，方案一，新区需 220/110/10kV 变电站 4座，总容量 3180MVA，规划容载比 1.82；远景需 110/10kV 变电站17座，总容量 2979MVA，规划容载比 1.83。共需 10kV电缆线路 656 回，10kV电缆总长度 3103km；配变 4418 台；需主环网柜 2626 台；配电开关房 2209 组。
该方案总投资为 71.5 亿元，其中 220k V 部分约 10.25 亿元，110k V 部分约 21.55 亿元，10k V 部分约 39.69 亿元。
方案二：220/110/20k V+110/20kV方案。
本方案中压为 20kV 供电。逐渐改造现有 220kV站及110kV站 10kV系统为 20kV，新建站采用110/20kV。
根据负荷预测及平衡分析，方案二，远景需 220kV 变电站 4 座，总容量3180MVA，规划容载比 1.82；远景需 110kV 变电站11座，总容量2860MVA，规划容载比2.01。共需 20kV电缆线路 326回，电缆总长度 1745km；配变 4418 台；需主环网柜 1304 台；配电开关房 2209 组。该方案总投资为63.07亿元，其中 220k V 部分约 10.52 亿元，110kV 部分约 20.88 亿元，20k V 部分约 31.67 亿元。
方案三：220/110/20k V+110/20k V+220/20k V 方案。
本方案中压为20kV 供电。逐逐渐改造现有 220kV站及110kV站 10kV系统为20k V，新建站采用 220/20kV。需220kV变电站7座，总容量3180MVA，规划容载比 1.82；远景需 110kV 变电站 6 座，总容量 1280MVA1.96。共需 20kV电缆线路 326 回，电缆总长度 2177km；配变 4418台；需主环网柜 1304台；配电开关房 2209 组。该方案总投资为59.32亿元，其中220kV部分约10.22亿元，110k V部分约14.06亿元，20kV部分约35.04亿元。
方案四：220/20k V 直降方案。
本方案中压为20kV供电。区内为220/20kV直降供电，只是为与外区联络，保留半岛站已有110kV系统；无110/20kV站。需220kV 变电站9 座，总容量3240MVA，规划容载比1.86。共需 20kV电缆线路 326回，电缆总长度2517km；配变4418台；需主环网柜1304 台；配电开关房2201组。该方案总投资为56 亿元，其中 220kV 部分约 17.34 亿元，110kV 部分约0.98 亿元，20kV 部分约37.69 亿元。
（1）方案二与方案一相比：
案一采用常规10kV供电。方案二采用 20kV 供电。考虑将现有10kV 系统改为 20kV 系统，新建站直接采用110/20kV 供电。两个方案的220kV系统基本一致。
提高中压配电电压后，由于110kV 变电站主变容量增加，单台主变可选 80MVA及100MVA，110kV 站点较方案一减少35％。110kV 线路长度下降约 17％。
提高中压配电电压后，单条中压线路输送容量增加一倍，中压出线回数减少约50.3％，中压线路总长度减少约 43.8％。
工程静态投资上，方案二较方案一少 11.8％；综合年费用少 11353 万元/年。
（2）方案三与方案一相比：
方案三采用20kV 供电，考虑将现有10kV 系统改为20kV 系统，新建站采用 220/20k V直降供电。
方案三，220kV 站点较方案一增加 75％，220kV 线路长度增加 15.6％；
110kV 站点较方案一减少 65％，110kV 线路长度减少28.4％；中压出线回路数减少 50.3％，中压线路总长度减少 29.8％。
工程静态投资上，方案三较方案一少17.0％；综合年费用少15449万元/年。
（3）方案四与方案一相比：
案四采用20kV供电，仅为了便于与外区联络，V半岛站保留110k V电压等级，在区内考虑采用220/20k V直降供电，取消110k V电压等级供电。
方案四220kV站点共9座，较方案一增加125％，220kV线路长度增加39.7％。110kV站点及线路减100％；中压出线回路数减少50.3％，中压线路总长度减少18.9％。
工程静态投资上，方案四较方案一少21.7％；综合年费用少19064万元/年。
（4）方案三与方案二相比
方案三及方案二均采用20kV供电，相同处在于均需将现有10kV系统改为20k V系统；不同处在于，方案三新建站采用220/20kV直降供电，方案二新建站采用110kV/20kV供电。
方案三220kV系统规模较方案二大，220kV站点较方案二多75％；220kV
线路长度较方案二多11.3％。110kV系统规模较方案二小，110kV站点较方案二少46％；110kV线路长度较方案二少14％。20kV线路回数规模相同，但长度较方案二多24.8％。
工程静态投资上，方案三较方案二少5.9％。
（5）方案四与方案二相比
方案四及方案二均采用
20kV供电，不同处在于，方案四新建站采用220/20kV直降供电且取消110kV
电压等级。
方案四220kV系统规模较方案二大，220kV站点较方案二多125％；220kV
线路长度较方案二多34.4％。110kV站点及线路减少100％。20kV线路回数规模相同，但长度较方案二多44.2％。
工程静态投资上，方案四较方案二少11.2％。
（6）方案四与方案三相比
方案四及方案三均采用20kV供电，不同处在于，方案四新建站采用220/20kV直降供电且取消110kV电压等级。
方案四220kV系统规模较方案三大，220kV站点较方案三多28.6％；220kV线路长度较方案三多20.8％。110kV站点及线路减少100％。20kV线路回数规模相同，但长度较方案三多15.6％。
工程静态投资上，方案四较方案三少5.6％。
综上所述：将中压配电电压等级提高至20kV后，一方面能够提高线路输送容量，增加高压变电站容量，节约站点及线路走廊；另一方面可降低线路电压损失，提高电压质量，延长供电距离，且有利于降低中低压侧电网短路电流。综合上述技术经济比较分析，方案四采用 220/20k V 直降供电方式，电压层次少，网损小，电网结构简洁清晰，节约站点及线路走廊资源，技术经济指标上具有优势，因此推荐采用方案四（220/20k V 直降方案）进行新区电网规划。
4、结束语
采用2OkV配电网的优势很明显，随着经济建设步伐的迈进，提高配电电压，简化电压等级，减少变电层次，构架合理配电网络成为必然，而无论是从经济性或是技术性考虑，2 0 kV系统都为这一必然的最优选择。本文通过对比分析四个目标网架方案，综合考虑线推荐采用方案四，即 220/20k V 直降方案。该方案电压层次少，网损小，电网结构简洁清晰，节约站点及线路走廊资源，技术经济指标上具有优势。
参考文献：
[1]吴国英. 20kV配电网应用探讨[J].电工技术，2010，（5）：58-60.
[2]周小琳.10kV配电网络20kV配电网络经济性分析[J].电力技术，2008，（2）：30-35.
[3]牛永查，牛凤凯，邹铁. 10kV配电网络升压至20kV 运行的可行性探讨[J].电网技术，2008，32（1）：191-192.
论文作者:齐磊
论文发表刊物:《基层建设》2017年第21期
论文发表时间:2017/11/2
标签：方案论文; 电压论文; 线路论文; 电网论文; 变电站论文; 等级论文; 亿元论文; 《基层建设》2017年第21期论文;