河北省南部城市配電網升壓改造可行性分析

王得志,景 皓,路 磊，曹新宇

(1.河北省電力研究院，石家莊 050021；2.石家莊供電公司，石家莊 050051；3.河北省電力公司，石家莊 050021)

合理的中壓配電網電壓等級會直接影響到供電質量、電網的能量損耗、電網建設的投資和電網的年運行費用等。當前，由于經濟發展，生活水平和生產力的提高，對電力的需求直接表現為地區負荷密度上升，尤其是人口密集、經濟發達的城鎮，負荷水平上漲速度很快。目前，廣泛使用的10 kV中壓配電等級，已經不能滿足未來經濟發展的需要，20 kV供電網絡已成未來發展趨勢，在國內外已經有很多升壓改造成功的先例。河北省電力公司所轄的河北省南部城市配電網，包含邯鄲、邢臺、石家莊、保定、滄州、衡水6個城市。截至2009年底，河北南部6個城市轄區供電面積1 530 km2，供電人口622萬，售電量385.9億kWh，其中10 kV以下綜合線損率5.98%，低壓線損率9.45%。若考慮躉售、自供區和工業大用戶的情況，實際線損率會更大一些。為了適應河北省南部各城市未來經濟發展的需要，提高城市配電網供電能力和供電可靠性，建設堅強低碳的配電網，將配電網運行電壓提升至20 kV，是最直接有效的途徑。

1 河北南部城市配電網現狀

我國城市電網的改造，經歷了由2.3 kV、3.3 kV和6.3 kV多種較低配電電壓，逐步統一提高到10 kV配電電壓的過程。目前，河北省南部6個地市的城市配電網基本上以10 kV為主,線路和變壓器運行狀況總體良好，且有一定裕度。但隨著河北省經濟的快速發展，城市的不斷擴張和變化，對城市配電網提出了更多、更新的要求，目前城市配電網存在的問題也越來越多的暴露出來。

a. 配電網能耗較高，不能滿足節能減排、建設低碳經濟的要求。2009年河北省南部城市配電網10 kV以下綜合線損率5.98%，低壓線損率9.45%。10 kV線損率降低1%，一年至少將會帶來3億kWh的電量節省，時間越長，效果越好。截至2009年底，6個城市配電網有10 kV線路1 345條，共長7 283.74 km，平均長度5.21 km，其中長度超過10 km的有25條，超過4 km的有134條，影響了供電質量和供電效率。6個城市還有S7、S8系列及以下的高損耗變壓器2 432臺，占總數的19.3%。這些因素造成河北省南部配電網損耗過高。

b. 目前配電網總體容量雖較為富裕，但無法滿足未來經濟發展的需要。截至2009年底，河北省南部6個城市共有10 kV配電變壓器29 282臺，容量10 204.8 MVA，運行年限10年以上的超過20%，2009年最大負載率平均值41.0%，變壓器負載率平均值36.7%，在合理范圍之內。 “十二五”期間河北省南部電網統調最大發購電負荷年均增長率為9.5%，預計2015年達到31 900 MW；“十三五”期間河北省南部電網統調最大發購電負荷年均增長率為5.9%，2020年達到42 500 MW。短短10年內，河北南網整體負荷將翻一番，這就需要對現有城市配電網進行擴建和改造。

c. 配電網無法滿足城市負荷集中發展的需要。目前，河北省大量高層建筑集中施工，這些高層建筑將會給城市配電網帶來新問題：高樓大廈屬于垂直供電，有限的面積內有著極高的電力需求；高樓大廈一般處于經濟中心，土地資源緊張，為變電站選址、上級電源進線走廊、出線電纜走廊選擇帶來困難，需要及早規劃。

d. 配電網無法滿足供電可靠性和配電自動化的要求。河北省南部城市配電網有相當一部分采用輻射式供電，環網線路建設不完全，無法滿足城市配電網自動化的要求。目前，河北省南部6個城市配電網的10 kV線路中：架空線輻射式比例13.6%，單聯絡比例31.7%，多聯絡比例54.7%；電纜線環網比例57.4%,雙射比例31.6%，單射比例11.0%。由于網架結構落后，對用戶不能實現多電源供電、負荷轉移等功能，無法實現配電自動化，不能實現配電網的安全、經濟運行。

2 20 kV配電網優越性

為解決河北省南部城市配電網存在的問題，適應未來發展需要，建議采用20 kV作為中壓配電等級。以20 kV進行中壓配電，可以有效的降低線損、擴大供電半徑、提高供電質量、帶來巨大的經濟效益。

2.1 提高線路傳輸能力

使用20 kV配電網可使線路的傳輸能力提高1倍。視在功率為，

式中：UN為額定電壓；IN為額定電流。

在負荷電流及功率因數不變時，

式中：S20和S10分別為20 kV和10 kV視在功率；U20和U10分別為20 kV和10 kV電壓等級；I20和I10分別為20 kV和10 kV的電流。

2.2 減少線路損耗

使用20 kV可以有效減少線路損耗。線路中功率損耗為，

ΔP=3I2R

式中：ΔP為線路損耗；I為線路電流；R為線路電阻。在負荷不變的條件下，

即電壓由10 kV升至20 kV后,在負荷不變的條件下,功率損耗降低了75%。

2.3 減少電壓損失

即20 kV電壓損失為10 kV的1/4。

2.4 擴大供電范圍

整理可得經濟供電半徑,

式中：α為功率因數。

在負荷不變的條件下,L20/L10=U20/U10=2,20 kV供電半徑增加了1倍。實際上，10 kV線路的輸送功率只有300～2 000 kW，一般供電距離為8～18 km，其經濟供電半徑在負荷密度大于40～50 kW/km2時，最多不超過8 km。20 kV線路的輸送功率可達800～5 000 kW，一般供電距離為15～35 km，在負荷密度為60～70 kW/km2時，可以達到14～15 km以上。

2.5 節約有色金屬

經濟電流密度為常量,在輸送容量S不變的情況下,導線截面A只隨電壓變化,即

則A20/A10=U10/U20=1/2。即在輸送容量不變的情況下，20 kV電壓等級有色金屬消耗減少50%。

2.6 減少變電站數目

20 kV比10 kV擴大了供電范圍和供電能力，所以對于同樣的負荷，配電站的數目將顯著減少，而且降低了線路損耗，節約了能源，也減少了輸電成本。采用110/20/0.4 kV供電方式，降低了送變電工程投資和線路損耗，而且在負荷密度大、線路長的地區，經濟效益十分顯著。據統計，110/20 kV 變電站平均造價307元/ kVA，比 110/10 kV 變電站407 元/ kVA的平均造價低24.5%，而供電容量卻增大到1.58倍；供電半徑的增大減少了變電站和開閉所的數目，同時減少了電纜數量；20 kV供電可靠率略高于10 kV平均水平，線損率降低0.5%，設備故障率與10 kV相仿。

3 升壓改造可行性分析

20 kV雖然相對10 kV電壓值提高了1倍，但是依然屬于同一個絕緣水平。將10 kV設備進行升壓改造不僅可行，而且改造成本有限，分析如下。

a. 12～20 kV同為中壓電纜，屬于同一個絕緣水平,產品數據和各項指標基本一樣，價格也一樣。

b. 35 kV及以下配電變壓器一般采用同樣的絕緣材料，10 kV或20 kV在同一功率時，后者電流較小,所以導線截面積可以減少一半,但匝數增加1倍, 所以導線整體用量不變,鐵心大小也幾乎不變，而出線套管用于20 kV電壓等級時成本增加不大。

c. 絕緣子電壓分級比較明顯,P-10T與P-20T相比，20 kV絕緣子質量增加，價格變化明顯，由于絕緣子價格較低,增加的總額有限。

d. 20 kV比10 kV線間距離及導線對絕緣子或桿塔的要求略大，只需要將線間距離由0.9 m增到1.15 m。

e. 10 kV配電網大部分是不接地的，部分經消弧線圈接地。如果改為20 kV小電阻接地系統,原來的架空線和電纜線路絕大部分可以用于20 kV系統,原來的配電變壓器絕大部分也可將2臺同參數同容量的一次串接、二次并接用于20 kV系統,少數開閉設備、避雷器、互感器通過試驗也可繼續使用于20 kV系統。

f. 10～20 kV處于中壓配電等級內,設備的設計、制造技術條件基本相同。

4 存在的問題與建議

a. 河北省電力公司配電網存量資產大、設備剩余壽命普遍較長，老舊設備不多。一次性更換會造成資源的浪費，也很難保證相應的資金。所以，20 kV升壓改造應充分利用現有的10 kV設備，進行設備改造，這樣可以避免浪費，也可以減少投入。

b. 10 kV設備改造為20 kV設備需要技術保證和資金支持。現在雖然可以借鑒一些其他地區升壓改造的經驗，但還是存在著不少的技術問題，而且配電網規模大、布點密，設備眾多，為最經濟的實現大量配電設備的升壓改造，需要做好充分的技術儲備。

c. 20 kV升壓改造需要一個較長的過渡期。在過渡期內，城市內存在10 kV和20 kV 2個電壓等級，這將對公司的優質服務、供電可靠性、電能質量產生影響，尤其是升壓改造將會直接導致計劃停電時間大幅度增加。為了有效的開展工作，縮短過渡期，需要從管理上統籌規劃，充分準備。

[1] 厲 達.配電網應用20 kV電壓等級的技術性研究[M].上海：上海交通大學,2009.

[2] 倪 俊.太湖新城應用20千伏電壓等級研究[M].上海：上海交通大學,2009.

[3] 陳光捷.建設20 kV配電網提升城市電網供電能力[J],供用電，2009,26(4):77-79.

[4] 李子韻,姜 寧.20 kV電壓等級在南京中壓配電網的推廣應用[J]，電力系統自動化,2008，32(20):104-107.