20 kV配电网实施的关键问题探讨*

胡祥飞， 徐星星， 张 春**

(1. 安徽工程大学 电气工程学院，安徽 芜湖 241000；2.国电铜陵发电有限公司，安徽 铜陵 244000)

目前我国中压配电网电压等级基本为10 kV，但随着我国经济的高速发展，电力负荷呈迅猛增长态势，经济发达地区及城市工业区附近的负荷密度迅速增高，越来越明显地暴露出我国现有大中城市供配电网络己不适应经济发展和城市现代化建设的需要.为了满足不断增加的负荷，电力系统的电压也在不断地提高，这已经成为电力工业发展的规律.而20 kV电压等级以其独特的优越性，成为目前中压网络一个很重要的选择.

1 国内外20 kV电网的应用

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.在欧洲，近80%的国家采用20～25 kV电压等级作为中压配电电压，俄罗斯(前苏联)在1902年便出现20 kV电压等级，20世纪60年代以后除少数城市，几乎都改成20 kV电压等级.法国和德国也在20世纪60年代开始统一将原有的10 kV配电网改造为20 kV配电网，其供电优势较10 kV电压等级非常明显.近60%的亚洲国家已采用20 kV电压等级为城市供电，韩国于1996年开始将配电系统升压为22.9 kV，整个韩国共185个供电局应用20 kV电压等级，配电线路共6 140条，全长37 645 km[1，2].

在我国，20 kV电压等级早在1993年就已经被纳入标准电压等级，但迄今为止该电压等级还没有得到大规模的应用.如在苏州工业园区新合作区采用20 kV全电缆供电方式，是我国第一个20 kV电压等级配电网项目，1996年投入运行.10多年的运行实践表明，与10 kV相比，20 kV在经济性、可靠性等方面具有明显的优势.采用20 kV配电电压对一些大城市的高新开发区具有重大经济意义.目前除苏州外，南京、福州、无锡、合肥等部分城区都已有应用20 kV配电网的成功案例.

2 采用20 kV电网供电的优点

在中压网络中，与10 kV配电网相比，20 kV电压等级作为配电电压具有诸多优点.

(1) 供电能力增强.在同等导线截面积及电流密度的条件下，在输送相同电功率时，20 kV有效供电半径可增加近一倍.如果供电半径不变，采用相同截面的导线，其输送功率可增加一倍.

(2) 电网损耗得到降低.在传送相同距离和相同功率电能的前提下，20 kV电压等级的线路电流为10 kV的50%，且线路的电能损耗为原先的25%.近几年我国电网的线损率呈逐年上升趋势，据有关部门分析，线损升高主要是10 kV及以下配电网络的线损的增加.

(3) 降低建设费用，减少杆塔和变电站的布点密度，节约土地资源.采用20 kV电压等级，可以减少变电站配电出线回路数的一半，可以避免负荷密集地区出线过多带来的通道路径困难等问题.在额定电流与短路电流相同的情况下，20 kV比10 kV可扩大变电站容量一倍，在同一地区可使设置降压变电站的数量减少一半.

3 20 kV 配电网实施的关键问题

20 kV配电网的实施有两种情况，一是直接取代原先的35 kV电压等级配电所，直接新建110/20 kV变电站，在用户端设置20/0.4 kV配电所，如图1所示.二是在20 kV配电网的设计过程中考虑与现有的10 kV供电网络的兼容问题，由110/20 kV变电站给城市网络供电，在终端设立20/10 kV变配电所，涉及到具体用户时再由配电所进行具体配电，如图2所示.

图1 直接配电方案

图2 复合配电方案

3.1 20 kV配电网主要电气设备选择

采用20 kV配电电压，必须提供24 kV开关设备，目前我国已有制造12 kV和40.5 kV开关设备的经验，因此制造24 kV开关设备在技术上并不困难.但24 kV设备绝不是12 kV设备电压等级的放大或40.5 kV设备电压等级的缩小，而是要重新研究、重新设计，重新制造和重新做试验，才能研发出符合规定的24 kV开关设备.以江苏电网为例，负荷开关耐压参数如表1[3]所示.目前国内相关厂家已经解决20 kV开关设备研制问题(主要用于出口)，且对于一般供电用户，20 kV开关设备的投资增加不会超过20%.

表1 20 kV负荷开关耐压参数一览表

3.2 配电变压器选择

根据图1和图2给出的两种方案，引入20 kV配电网，用户端需要应用20/0.4 kV和20/10.5 kV两种配电变压器.目前20/0.4 kV配电变压器根据实际情况通常选用干式、三相变压器，冷却方式为自冷型，线圈绝缘水平需满足表2要求[4].对于20/10.5 kV变压器，如果两侧变压器联结组相应的中性点接地方式不同，则降压变压器必须具备隔离功能，不宜选用自耦变压器，而应选用普通的双绕组变压器.目前国内20 kV电网只在少数城市试运行，对于20/10.5 kV变压器的选择尚无统一标准可供借鉴，但其绕组内部绝缘水平可参照表3选择[4].

表2 20 kV配电变压器绝缘水平 kV

表3 20/10.5 kV变压器绕组绝缘水平 kV

3.3 20 kV配电柜选择

20 kV配电柜可以采用充气式开关柜和小车式开关柜两种类型.主要选用2 500 A和1 250 A两种，其中主变压器进线柜、分段断路器柜选用2 500 A，出线柜选用1 250 A.但由于目前设备额定电流受国内制造水平限制，没有大电流柜可供选择，因此主变压器进线应采用双分支形式，即将主变20 kV侧通过两台进线柜接至不同母线，以满足大电流的要求.

3.4 防雷与接地

20 kV配电站防雷的主要措施是在配电站的进线、出线及母线装避雷器，有串联间隙的金属氧化物避雷器的额定电压应不小于1.1倍的系统最高电压.另外，对于避雷器的耐受电压，其值要高于20 kV开关设备的雷击冲击耐压值，目前主要应用20 kV复合外套交流无间隙金属氧化物避雷器，避雷器的接地线应与开关设备的金属外壳连接.

图3 改进型灵活接地系统

20 kV配电网接地方式可采用消弧线圈并联电阻的改进型灵活接地方式，如图3所示.该方式集合了消弧线圈和电阻接地方式的优点，当电网正常运行时，中性点经消弧线圈接地，根据控制器监测的系统电容电流，按照脱谐度调节消弧线圈到相应的档位，此时并联电阻的开关断开，电阻不投入电网.当系统发生接地故障时，在接地初始阶段，系统处于经消弧线圈接地方式，由消弧线圈的电感电流补偿系统的电容电流，熄灭瞬间接地电弧，使得瞬间接地故障消失，系统可连续工作.若为永久性接地故障，则经一定的延时后，由控制器发出命令，合上电阻的开关，利于消除间歇性电弧过电压，同时有较大的零序电流流过接地点，启用零序保护动作，跳开接地线路，隔离故障点[5].

3.5 20 kV配电所的继电保护

对于20 kV配电所的出线保护，二次设备的保护装置与10 kV配电所相同，不需要做出改变，但电流互感器、电压互感器等与一次设备部分相连的装置需与20 kV电压等级配套，宜采用微机保护装置，保护类型包括过流、速断保护等，对于架空裸导线可选用重合闸装置，对于小电阻接地系统应增加零序电流保护[6].零序保护设备反应20 kV的馈线和主变压器20 kV侧的接地故障，套在出线电缆上面的穿心式电流互感器应该用于20 kV馈线的零序电流保护.主变压器20 kV中性点或者接地变压器中性点电流互感器提供主变压器的20 kV侧零序保护电流.需要注意的是，由于20 kV的电缆网包括混合网，比10 kV的线路充电电流增加很多，因此对于中性点的零序电流值需要进行调整，同10 kV的电缆网有所区别.配电变压器容量为500 kV/A及以下时采用熔丝保护，熔丝熔断特性应满足200 A电流下，熔断时间小于60 ms；考虑到零序电流保护整定值很难与熔断器的熔断曲线配合，当配电变压器容量在639 kV/A及以上时，配电变压器应配置反映相间故障的电流保护和反映接地故障的零序保护.

4 结 论

相比10 kV配电网，20 kV配电网不仅可以提高供电能力，增加输送功率，而且损耗和建设费用能得到明显降低.但在我国中低压配电网以10 kV为主的情况下，配电电压等级要从10 kV过渡到20 kV将是一个长远而艰难的过程，在20 kV配电网的改造和建设中，要综合考虑20 kV配电网实施技术中的关键问题.

参考文献：

[1] 刘沛清,滕欢.20 kV电压等级在我国电网发展中的应用及展望[J].电工电气,2011(8):1-4

[2] 施侠,葛春定,蔡婷. 国外20 kV 配电网研究及其应用实践简述[J].华东电力,2012(12): 2245-2248

[3] 江苏省电力公司.20 kV变(配)电站通用设计[S].江苏省电力公司,2008

[4] 周灵江,白熊,韩丽娟. 20 kV电网中性点接地方式及配电设备选型[J].浙江电力,2013(2):26-30

[5] 刘文婷.20 kV电网改造中性点接地方式的研究[J].机电信息,2013(6):9-10

[6] 陈显术. 20 kV配电网改造工程可行性研究[D].呼和浩特：内蒙古工业大学,2012

[7] 邵阿红，叶永卫，田二明. 变电站接地网降阻措施研究[J]. 重庆工商大学学报:自然科学版,2012,29(4):96-100