北京地區10 kV配電網架空線路自環互聯式接線研究分析

(國網北京市電力公司亦莊供電公司，北京 100176)

0 引 言

10 kV配電網是電網系統的前沿陣地，直接擔負著連接電網系統與電力用戶的重任。隨著社會的快速發展，用電客戶對于電力供應的要求越來越高[1]。

北京地區配電網的現狀呈現出以下特點：城市中心以及其他重要地區以電纜網為主；在郊區尤其是遠郊地區，目前仍以架空網為主。可以肯定地預見，在將來的一段時間里，10 kV架空網仍將繼續承擔著北京郊區電力供應的重任。因此，對北京地區10 kV架空網的研究分析是十分有意義的。

接線方式選擇是10 kV架空網規劃建設與改造的重要方面[2]。因為它不僅關系到電網建設的經濟性，而且影響著電網供電的可靠性和靈活性[3]。因此，有必要對當前架空網接線方式進行深入分析對比，并在此基礎上設計出更為科學合理的接線模式，以有效促進10 kV架空網的規劃建設與改造工作。

1 現有架空接線方式對比分析

1.1 單電源無聯絡的樹枝式接線模式

如圖1所示，此類型接線方式簡單，建設成本較低，但是由于接線無聯絡開關，在故障情況下，故障點之后的非故障區段負荷只能停電，供電可靠性較差[4-5]，僅適用于供電可靠性要求較低、負荷密度較小的偏遠地區。目前，由于北京地區供電可靠性的要求較高，單電源無聯絡(或手拉手)的放射狀、樹枝式接線模式已基本淘汰，不再作詳細分析。

圖1 單電源無聯絡的樹枝式接線模式

1.2 單電源單環接線模式

如圖2所示，單電源單環接線模式為同變電站同母線出線的環式接線，線路末端裝設一常開聯絡開關，每回線路平均最大負載率為50%。此連接方式十分清晰，運行方式安排靈活[6]，可靠性高于單電源無聯絡的樹枝式接線模式。線路故障情況下，非故障段負荷可通過方式調整快速恢復供電；另外，線路上安排停電檢修工作時，無檢修工作線路區段不需用陪停，減少停電影響。但是，此種接線模式同樣存在明顯的缺點，由于兩條線路的電源來自同站同母線，所以在變壓器、母線或變壓器主開關故障或者停電檢修時，兩條線路將同時失去電源，損失全部負荷。另外，此類型接線方式需要考慮每條線路的備用容量，單條線路的平均負載率僅為50%，投資高，利用率低。綜合上述情況，此類型接線也不符合北京地區配電網高可靠性的要求，目前在北京地區也已經基本淘汰。

圖2 單電源單環接線模式

1.3 雙電源單環接線模式

雙電源單環接線模式為同變電站不同母線或不同變電站兩路出線的環式接線，線路末端裝設一常開聯絡開關，每回線路平均最大負載率亦為50%，如圖3所示。在北京地區，這種接線適用于負荷密度較大且供電可靠性要求較高的郊區。其優勢與單電源單環接線模式基本相同，可靠性較高，接線清晰，運行方式安排靈活。無論是線路故障還是停電檢修時，均可以通過聯絡開關倒方式減少停電影響。缺點也同樣需要考慮線路的備用容量，負載率僅為50%[7-8]，投資高，利用率低。但是，由于兩條線路的電源來自不同母線或不同站，有效地避免了因電源側設備故障或停電檢修時兩條線路將同時失去電源的情況，因此，除極端情況下，通常不會損失全部負荷。目前，此類型接線在北京郊區尤其是遠郊區縣十分常見。

圖3 雙電源單環接線模式

1.4 三電源單環接線模式

三電源單環接線模式為三路電源的環形接線，線路末端通過兩個常開聯絡開關組成環路，單條線路平均最大負載率亦為50%，如圖4所示。此模式接線在負荷密度較大、供電可靠性有較高要求的城市郊區比較適宜。與雙電源單環接線模式相比，可靠性略有提高，經濟性較之相當，運行方式更加靈活。無論哪條線路故障還是停電檢修時，均可以通過聯絡開關倒方式減少停電影響。此類型接線同樣需要考慮線路的備用容量，單條線路的負載率僅為50%，經濟性基本同圖3接線模式，利用率低。另外，由于3條線路的電源來自不同母線或不同站，所以在非負荷高峰時段，即便因各種原因同時失去兩路電源，也不會損失全部負荷。目前，此類型接線在北京郊區尤其是遠郊區縣也十分常見。

圖4 三電源單環接線模式

1.5 分段多聯絡接線模式

圖5為分段多聯絡接線模式，通過在線路主干線上加裝分段開關，將每條線路分成若干段(通常不超過4段)，利用聯絡開關(常開)將每一段線路與其他臨近線路互聯。當線路的其中一段出現故障時，非故障區段線路可以通過聯絡開關快速恢復正常供電，這樣便有效地縮小了線路的故障停電范圍，極大地提高了供電可靠性[9]。此類型接線模式比較適用于北京郊區負荷發展比較飽和、供電可靠性要求較高的的區域。聯絡線可以就近引接，這種接線模式提高了架空線路的利用率(三分段三聯絡模式可達到75%)。此類型接線模式在架空線路實際建設或者改造時，若線路較短或負荷較為集中，一般將線路進行兩分段兩聯絡，利用率可以達到67%；若線路較長或負荷較為分散，可以將線路分成4段、5段甚至更多，即多分段多聯絡，但線路分段過多會影響供電可靠性，同時也會相應提高線路建設投資，因此一般情況下，主要采用三分段三聯絡這種比較經典的接線模式。

圖5 分段多聯絡接線模式

2 傳統10 kV架空線路聯絡方式存在的共性缺陷

通過前面分析可以發現，以上幾種傳統10 kV架空線路聯絡方式存在著共性缺陷：線路本身不同區段之間無聯絡，線路發生故障或者線路上有停電工作時，只能將非故障區段或者非停電區段線路負荷轉移到其他線路。

2.1 負荷轉移計算

單條線路的總負荷設定為M，分段數量設定為N，假定負荷和分段開關沿線路均勻分布，且同一線路不同分段的運行環境基本相同。則線路故障或計劃停電發生在某一區段的概率為

P=1/N

(1)

傳統10 kV架空線路聯絡方式在故障或計劃停電情況下的平均負荷轉移量計算模型為

(2)

以經典的三分段為例，計算結果為

M轉=(3-1)M/(2×3)=M/3

(3)

通過上述模型計算可以發現，前述各模式線路發生故障或者線路上有停電工作時，都將有(N-1)M/2N的負荷轉移到其他線路。

2.2 共性缺陷的弊端

前述共性的缺陷有以下幾個弊端：

1)由于北京地區作為首都，經常有重大活動保電任務。保電期間，如果對端聯絡線路電源帶有保電線路，不允許通過聯絡開關將負荷倒至對端線路。

2)如果對端聯絡線路或對端線路的電源側設備重載、過載，不允許通過聯絡開關將負荷倒至對端線路。

3)配電網架空線路異常方式(故障或計劃停電工作)運行情況下，將本條線路的全部或部分區段通過聯絡開關倒至與其聯絡的線路上，會使與其聯絡的線路增長，從而導致其可靠性下降。

4)如果對端聯絡線路屬于其他調控機構管轄范圍，通過聯絡開關將負荷倒至對端線路時，需要提前通知相關調控機構，并獲得對方同意后方可進行，嚴重影響故障處置效率，并為其他調控機構帶來諸多麻煩。

5)相互聯絡的不同線路可能由不同的運維隊伍負責運維，通過聯絡開關將負荷倒至對端線路時，負責對端線路的運維隊伍需要臨時掌握線路調整后的異常運行方式，無形中增加了管理難度。

6)其他情況，比如有些封閉區域無可聯絡線路，無法形成雙電源或多電源聯絡網；再者，有些地區變電站10 kV開關間隔數量受限，在變電站增容或擴建之前，亦無法形成雙電源或多電源聯絡網。

3 自環互聯式接線模式研究分析

自環互聯式接線模式為同變電站不同母線或不同變電站出線的互聯絡接線方式，其最主要結構特點是：每條線路自身呈環形結構，在線路首端靠近出站第一號桿處分為兩枝，在線路末端裝設一常開聯絡開關，在線路自身開環點兩側主干線上分別裝設與相鄰線路互聯的常開聯絡開關，形成環與環之間互聯絡的架空網，如圖6所示。

圖6 自環互聯式接線模式

3.1 方式靈活、可靠性高

自環互聯式接線模式在線路任一區段發生故障時，非故障區段均可通過聯絡開關調整運行方式，快速恢復供電；同樣道理，線路任一區段安排計劃停電時，非工作區段均不需要停電，只要在工作開始前調整運行方式即可。從運行靈活性和供電可靠性方面來講，自環互聯式接線模式與分段多聯絡模式基本相當。

3.2 異常運行方式負荷轉移量小

同樣設定單條線路的總負荷為M，分段數量設定為N(N>3)，假定負荷和分段開關沿線路均勻分布，且同一線路不同分段的運行環境基本相同。則自環互聯式接線模式故障或計劃停電情況下的平均負荷轉移量計算如下：

線路故障或計劃停電發生在某一區段的概率為

P=1/N

(4)

當某次線路故障或計劃停電發生在圖6中QF1與QF4分段開關之間時：

M轉=(1-1/N)M=(N-1)M/N

(5)

當某次線路故障或計劃停電發生在圖6中QF1與QF4分段開關之后的任意區段時，可以通過線路末端聯絡開關調整故障線路自身的運行方式，將非故障區段負荷恢復供電，不需向其他線路轉移負荷，故

M轉=0

(6)

由此，可得自環互聯式接線模式故障或計劃停電情況下的平均負荷轉移量計算模型為

M轉=P(1-1/N)M=(N-1)M/N2

(7)

自環互聯式接線模式與傳統聯絡接線方式在故障或計劃停電下的平均負荷轉移量對比見表1和圖7。

表1 平均負荷轉移量對比

圖7 平均負荷轉移量對比

通過以上理論計算對比可以發現，同樣分段數量的情況下，自環互聯式接線模式比傳統聯絡接線方式在故障或計劃停電情況下的平均負荷轉移量小得多。

實際情況中，北京地區10 kV架空線路往往都會在出站一號桿位置裝設一個分段開關。電網故障或停電工作極少發生在線路首段或線路電源側設備上。以北京經濟技術開發區配電網為例，近5年來，10 kV架空線路首段或電源側設備發生故障的次數在10 kV架空配電網故障總次數中的占比不足2%；架空線路首段或電源側設備安排停電工作的次數僅占10 kV架空線路計劃停電工作的3%左右。因此可以認為，除了極端情況下，10 kV電網故障或停電工作絕大多數發生在非首段線路或非電源側設備上。由前述分析，當10 kV架空網故障點發生在非首段線路或非電源側設備時，可以通過線路末端聯絡開關調整運行方式將非故障區段負荷恢復供電，無需將負荷轉移至其他線路，從而有效克服前面所提到的10 kV架空線路傳統聯絡方式存在的共性缺陷。同樣道理，當10 kV架空線路非首段或非電源側設備安排停電工作時，同樣可以有效地克服所提到的10 kV架空線路傳統聯絡方式存在共性缺陷。

3.3 負載率

極端情況下，自環互聯式接線模式在電源側設備或線路首段失電時，需要通過其他線路將負荷轉移以恢復供電。以圖6中的兩聯絡為例，線路全部負荷由與之聯絡的另外兩條線路帶出，線路的負載率可以達到67%。通常情況下，故障或計劃停電發生在線路非電源側設備或非線路首段位置，調整線路本身的運行方式即可將非故障或非停電區段負荷轉移。因此，一般情況下可以不用考慮備用容量的問題，即線路運行的最大負載率允許達到100%。若線路電源側設備或線路首段安排計劃停電工作，可以考慮將停電時間安排在夜間負荷低谷時段，此時段相互聯絡的線路存在充足的備用容量，可以靈活地安排線路運行方式。

3.4 經濟性

對于同一供電區域，在負荷密度相同的情況下，10 kV配電架空自環互聯式接線模式的經濟性與三分段三聯絡接線模式基本相同[10]。在供電可靠性要求較高的城市郊區，選擇架空自環互聯式接線模式可以滿足經濟性要求。

3.5 線路保護配置

自環互聯式接線模式不會造成線路過長，分段較多的情況，保護配合比較容易。可以在線路兩個分支的第1級分段開關處安裝保護裝置，在故障情況下減少停電影響。

4 建 議

通過對自環互聯式接線模式的研究分析，可以看出在負荷較為密集且飽和的地區比較適合建設和發展此類型的10 kV互聯接線模式，尤其是用戶分布按塊狀結構劃分的地區。在城市新開發地區可按照自環互聯式網架結構進行規劃，電網建設初期，若暫時無條件形成多路互聯的網架結構，可以先期建成單路自環形結構(開環運行)，后期逐步發展成為自環互聯式網架結構。在發展較為成熟區域，可以通過工程改造逐步將傳統的互聯結構發展為成熟的自環互聯式網架結構。

5 結 語

通過對北京地區傳統10 kV架空線路聯絡方式的研究，指出了它們的共性缺陷，并在此基礎上提出了自環互聯式架空線路接線模式，從可靠性、異常方式對互聯線路的影響(負荷轉移)、負載率等方面論證了自環互聯式架空線路接線模式的優勢。關于自環互聯式架空線路接線模式的分析研究對城市地區10 kV架空線路網絡的建設與發展具有重要的指導與參考意義。