北京經濟技術開發區電纜雙環網與電纜直配雙射網的運行對比分析

(國網北京市電力公司亦莊供電公司，北京 100176)

0 引 言

現代城市配電網主要以電纜網為主。其中，10 kV電纜網肩負著向高壓電力用戶提供電能的重任。北京經濟技術開發區的用電客戶絕大多數是知識和技術密集型企業。隨著經濟技術開發區的飛速發展，現代高新技術企業對電能質量和供電可靠性的要求越來越高[1]。因此，對城市地區10 kV電纜網供電方式的研究分析具有十分重要的意義。

北京經濟技術開發區10 kV電網是比較典型的電纜配電網結構。其中以電纜雙環網接線方式為主，并輔以少數開閉站(變電站)出線的電纜直配雙射網方式。近年來，北京經濟技術開發區配電網逐步完成了自動化改造。在經過兩年多的運行中，積累了大量珍貴的調控運行數據和經驗，同時也發現了一些明顯的不足。因此，有必要通過對電纜雙環網接線方式和開閉站(變電站)出線的電纜雙射網直配方式進行對比分析，為城市配電網的規劃、發展和運行提供科學合理的指導建議。

1 基本方式介紹

通常情況下，北京經濟技術開發區10 kV電纜雙環網是由一座變電站不同母線出線的一組電纜雙射線路與另外一座變電站出線的一組雙射線路之間安裝聯絡開關(一側常開，另一側常閉)組成[2]。正常方式運行時，線路上的每一個用戶都由同一座變電站的不同母線供電。見圖1所示。

圖1 電纜雙環網

開閉站(變電站)出線的電纜直配雙射網方式由開閉站或者變電站不同母線饋出兩條電纜專路，為用戶提供雙路電源[3]，見圖2所示。

圖2 電纜直配雙射網方式

2 對比分析

2.1 供電可靠性和靈活性

電纜雙環網上的每一個用戶理論上可以具備4個供電電源，極端情況下，可以滿足N-3方式運行，具備非常強的供電可靠性和方式變化的靈活性。但是為滿足N-3情況下運行，雙環網4條線路平均負載率最大限度僅為25%。若只滿足N-2運行，則線路平均負載率上限可達到50%。若進一步放寬至滿足N-1，那么線路平均負載率上限可達到75%[4]，但是要通過負荷分配預算和復雜的倒閘操作方可實現。

開閉站(變電站)引出的直配雙射電纜線路為雙電源供電，可以滿足N-1運行。但是線路平均負載率最大可高達50%[5]。

開發區配電網運行數據統計顯示，近10年未發生過電纜雙環網N-2的情況，因此可以說，對于一般非重要用戶，雙電源完全可以滿足供電可靠性要求。電纜雙環網的理論高可靠性實際意義并不大，而且嚴重犧牲了線路的平均負載率上限。在實際運行中，由于用戶的負荷不斷增大，多數雙環網線路已突破理論平均負載率上限，難以實現理論上的可靠性和靈活性，造成了空有電源，但因負荷過高而無法靈活倒換線路的局面。

表1 平均負載率區間分布

圖3 平均負載率區間分布

2.2 停電影響范圍

1)故障停電

電纜線路上發生故障，變電站內饋線開關跳閘，線路全線停電，線路上所有用戶均會失去一路電源，影響正常供電。故障點隔離之后，故障區段之前的部分可以恢復正常運行，故障區段之后的部分可以通過聯絡開關將負荷倒至雙環網對側線路。根據開發區近5年的運行統計，平均每起電纜雙環網線路故障影響5戶，其中1戶在故障區段，另外4戶為陪停用戶(可通過雙環網倒出)。

而作為對比的由開閉站或變電站引出的直配電纜雙射線路故障，站內出線開關跳閘，線路停電后只有所帶的1戶失去一路電源，影響范圍明顯更少。

2)計劃停電

因10 kV電纜雙環線路通常無合環保護，在無有效的安全措施和精確分析計算的情況下，不允許合環操作[6]，所以線路安排計劃停電工作時，需要停電倒換線路，受影響用戶較多。

設定10 kV電纜雙環網線路由N個環網單元(分界室或分界箱)串接組合，帶N個10 kV高壓用戶。因為計劃停電工作安排在各個區段的概率均等，所以計劃停電工作安排在某一區段的概率為

p=1/N

(1)

則每項10 kV電纜雙環網線路計劃停電工作需要停電倒換線路的平均用戶數量為

(2)

根據選取的30條典型10 kV電纜雙環網線路所帶用戶數據統計，平均每條線路帶5戶，那么可以計算出每項10 kV電纜雙環網線路計劃停電工作需要停電倒換線路的平均用戶數量為3戶。

由變電站或開閉站引出的電纜直配線路安排計劃停電工作時，只需站內停出線開關即可，線路停電只影響1個10 kV高壓用戶。

電纜雙環網線路與開閉站(或變電站)引出的電纜直配雙射線路停電影響用戶數量對比見表2。

表2 停電影響用戶數量對比

2.3 分段電纜負載率

電纜雙環網正常運行時，每段電纜的實際負載從首端向末端逐級遞減，但是線路倒換后從雙環網對端供電時，電纜首端將變成末端，為了保證線路倒換可行，線路全線各段基本都是同一截面積、同一額定載流的電纜。每條電纜線路在99%以上的時間里是正常方式運行狀態，電纜實際負載率從首端到末端依次遞減。這就造成了嚴重的電纜載流容量浪費，越靠近末端輕載現象越嚴重。尤其是雙環網中的兩條聯絡電纜，正常運行時，其負載率長期為0。

假定一條電纜雙環網線路由N段電纜串接而成，每個環網柜(分界室)帶1個用戶，全線共帶N個用電客戶，線路總負荷為P，每個用戶的負荷為P/N，電纜的負載額定上限為P1，則正常運行方式情況下，線路上每段電纜的負載率從末端至首端依次是P/(NP1)、2P/(NP1)、3P/(NP1)……P/P1。由此可以計算出線路每段電纜的平均負載率為

(3)

式中，P/P1為電纜首端負載率，即線路的負載率。

若按上面所述，根據開發區核心區10 kV電纜雙環網線路數據統計，平均每條線路由5段電纜組成，每條線路帶5戶，那么正常運行方式情況下，可以計算出線路每段電纜的平均負載率為0.6P/P1。理論上，電纜雙環網為滿足N-3情況下運行，線路平均負載率最大僅為25%。那么，可以計算出線路每段電纜的平均負載率僅為15%。

即便是犧牲電纜雙環網的可靠性和靈活性，允許滿足N-2運行條件(線路平均負載率上限50%)即可，線路每段電纜的平均負載率也僅僅能夠達到30%。

在實際的線路運行中，部分線路已經出現首端重載甚至接近滿載，而末端仍輕載運行的浪費情況。根據開發區配電網運行數據統計結果，電纜雙環網首端電纜負載率平均為29.6%，第2段電纜負載率平均為22.1%，末段電纜負載率平均僅為8.9%。

如果是變電站或開閉站引出的直配電纜線路模式，開閉站或變電站出線直配電纜可以根據用戶不同的負荷情況選擇電纜截面積，而且在保證線路N-1運行條件的情況下，每條電纜的負載率可以達到50%，遠高于電纜雙環網方式，基本不會出現上述浪費情況。

2.4 電纜終端頭數量

電纜雙環網線路由大量的環網柜(電纜分界箱、分界室)連接而成，開關數量龐大，電纜終端頭眾多，而開關處電纜終端頭是電纜線路較為薄弱的環節，容易出故障[7]。根據開發區近5年的配電網故障數據統計，近14%的電纜線路故障發生在開關電纜接頭處。

在典型的電纜雙環網中，用戶數量等于分界室數量，每個分界室8個開關，6個開關電纜接頭。而開閉站或變電站出線直配電纜方式，每個用戶僅對應2個出線開關，2個開關電纜接頭。在用戶數量既定的情況下，若采用開閉站或變電站出線電纜直配方式，將會減少大量的開關節點，電纜終端接頭的數量也會大大降低，相應的故障發生次數也將會大量減少。

2.5 自動化終端運行環境

配電網運行的精益化管理對配電網自動化的要求越來越高。電纜分界室或分界箱中配電網自動化終端的運行狀況，直接決定了配電網自動化系統在調控運行工作中能否充分地發揮作用。然而，電纜分界室或分界箱的運行環境普遍較差，其溫度和濕度變化較大，嚴重影響著配電網自動化終端的運行狀況[8]，自動化終端的在線率難以保證。自開發區配電網自動化系統投運以來，雙環網線路上分界室自動化終端的在線率長期在92%左右浮動，難以再度提高，嚴重制約了配電網調控運行工作效率。具體表現在以下幾個方面：

1)電纜分界室或分界箱的運行環境使自動化終端運行不穩定，導致系統上送大量的誤發信號，給配電網調控運行工作帶來了極大的干擾。

2)自動化終端的運行電源依賴一次設備的正常供電，當雙環網故障后，停電的電纜分界室或分界箱的自動化終端電池供電可靠性較差。在自動化終端失電后，調控人員無法通過遙控操作進行故障點隔離以及非故障段恢復供電。在開發區配電網自動化系統投運以來，有接近29%的雙環網故障后停電區段自動化終端因失電離線，配電網自動化的遙控功能喪失，嚴重影響了故障的處置效率。

3)電纜分界室或分界箱的自動化終端運行不穩定，導致故障發生時，系統收到的信號不全，從而導致故障區間研判不準確的問題。

4)自動化終端在實際運行中，電纜分界室或分界箱中的溫度和濕度變化較大，容易出現終端設備凝露現象，從而引發開關誤動。

在開閉站或變電站出線電纜直配方式中，開閉站(變電站)中的自動化終端運行環境得以顯著改善，不會出現溫度和濕度的劇烈變化，自動化終端運行穩定，從而有效克服了大量終端誤上信號以及故障區段研判錯誤等問題，故障點將非常容易查找，同時也不會出現裝置凝露問題。另外，開閉站內的站內電源非常可靠，基本不用擔心自動化終端因失電而離線的問題，配電自動化系統的功能作用將會得到充分發揮。

2.6 后期改造

電纜雙環網每條線路帶多戶負荷，線路負荷增長無規律，難以預估，一旦線路負荷增長過快，造成線路重載或過載，線路改造復雜，工程難度大，常常出現就近的變電站預留待用間隔不足的問題，如此，需要以較遠的變電站為電源，線路建設投資非常大。

在開閉站或變電站出線電纜直配方式中，當用戶負荷增大，線路重載后，更換更大額定載流的電纜即可，線路改造工程較為簡單。

3 建 議

在配電網的調控運行工作中發現，如果線路的負載率較低，則電纜雙環網的可靠性和靈活性確實有明顯的體現。然而為了實現理論上的可靠性和靈活性，必然會犧牲電纜的負載率，經濟性較差。另外，由于電纜雙環網的停電影響范圍較大以及配套的自動化終端運行環境較差，比開閉站(或變電站)出線直配電纜方式有明顯的不足。因此，對于高壓用戶較為密集的地區(如經濟技術開發區)，建議采取電纜直配雙射網供電為主要模式。如果變電站的10 kV出線間隔數量有限，可以通過變電站引出開閉站的模式提供充足的出線間隔。

對于個別重要用戶，建議提供3路電纜直配電源供電，或者由兩組雙射電纜直配線路加裝聯絡形成最簡單的雙環網結構，以保證其供電可靠性和方式靈活性。

4 結 語

通過對開發區電纜雙環網與開關站電纜直配雙射網在可靠性、停電影響、負載率、自動化終端運行環境等方面的對比分析， 論證了電纜雙環網模式在調控運行工作中存在的劣勢和開關站電纜直配雙射網模式的優勢所在。電纜雙環網模式與開關站電纜直配雙射網模式的對比分析研究對城市地區10 kV電纜配電網絡的建設與發展具有重要的指導與參考意義。