中压配电电压序列技术特性分析

徐庆华，巩保峰，穆永保，陈 宁，刘 航，王 攀

(国网河北省电力公司邯郸供电分公司，河北 邯郸 056035)

中压配电电压序列技术特性分析

徐庆华，巩保峰，穆永保，陈 宁，刘 航，王 攀

(国网河北省电力公司邯郸供电分公司，河北 邯郸 056035)

从线路传输容量、供电电压质量、供电半径及传输距离、线路功率损耗4个方面对中压配电电压序列10 kV，20 kV，35 kV进行了技术特性分析，得出结论：中压配电网采用较高的电压等级，可以提高线路输送功率、降低电压损耗、增大供电半径、减少线路走廊。

中压配电网；电压序列；供电半径；线路走廊

0 引言

合理配置电压序列、简化电压序列不仅可以提高城市电网的整体供电能力，扩大电网对不同性质及不同密度负荷的适应性，同时还可以降低网络损耗，节省有限的空间资源，减少电网建设和运行成本。以下分析中压配电电压序列10 kV，20 kV，35 kV的技术特性，为中压电压序列优化研究和应用提供参考。

1 我国中压电压序列现状

我国大部分地区现行中压配电网以10 kV为主要电压等级，少数地区以35 kV和20 kV进行配电。随着经济发展，用户用电水平提高，负荷密度随之上升，特别是城市电力负荷密度增加更快，供电范围也不断扩大，一些地区10 kV配电网络已经不能适应负荷增长需求，主要表现为：供电半径不足，难以扩建发展，难以满足高负荷密度用户用电需求，配电线损大，电能质量差等。

近年来，随着电网的发展，在北京、天津、上海、重庆、南京、武汉等大型城市中，220 kV终端变电站已深入负荷中心，逐渐承担起高压配电的功能，与110 kV变电站出现部分功能重叠。中压配电网电压序列的选择直接影响到供电质量、电网能量损耗、电网建设投资和电网年运行费用等一系列问题。此外，电网建设的外部制约因素也愈加突显，如变电站占地、线路走廊问题等。

因此，能否增大配电网容量已成为目前电网面临的突出问题。在电网建设方面，应采取提高和简化电网电压等级，根据地区用电特点选择合适的电压序列等措施。传统的10 kV供电方式的安全性、可靠性问题凸现，突出的问题是供电距离、供电能力和线路损耗难以适应负荷发展的需要。20 kV电压等级的出现，正是为了提高中压配电电压，适应负荷密度增长和电网发展的需求。而目前有些地区，也已将35 kV电压直接作为低压配电电压供电，以满足日益增长的负荷需要。

2 中压电压序列技术特性分析

2.1 线路输送容量分析

电力线路的经济输送容量取决于线路的经济电流密度，其经济输送容量为

式中：SJ为线路的经济输送容量；Ue为线路额定电压；IJ为电力线路的经济负载电流；J为线路经济电流密度；M为线路导线截面积；cosφ为线路功率因数。

我国公布的不同材质导线的经济电流密度如表1所示。

表1 导线经济电流密度 A/mm2

在电压等级不同、经济负载电流IJ相同的情况下，线路输送功率关系为:

这说明线路的输送功率与电压成正比。

在导线材质和截面相同(导线单位阻抗Z相同），输电距离L、电压损耗百分比ΔU%也相同的条件下，对不同电压序列有:

由ΔU1=I1ZL，ΔU2=I2ZL得:

在上述条件下，不同电压序列输送功率有如下关系：

式(6)表明在导线材质和截面、输电距离、电压损耗百分值相同条件下，电压等级U1的输送功率是电压等级U2输送功率的(U1/U2)2倍。

综上可知，提高电压等级可有效提高线路输送功率，即输送相同功率时，高电压等级可减少出线回路数，有利于解决线路走廊紧张的问题。

2.2 供电电压质量分析

“电压损耗”是指输电线路首端和末端电压的绝对值之差。对于某电压等级的供电线路，由于线路阻抗的作用，当有负荷电流通过时，在线路上会产生电压损耗。电压损耗计算公式如下：

式中：ΔU为电压损耗，kV；P，Q为负荷有功、无功功率，kW，kvar；Rl，Xl为线路单位长度电阻、电抗，Ω；S为线路输送容量，kW；L为供电距离，km；UN为线路(电网)额定电压，kV；cosφ为功率因数。

由式(7)，在负荷相同、导线参数相同时，电压损耗率之比如下：

由此可知，对于10 kV，20 kV，35 kV电压等级，在负荷、线路参数相同的情况下，10 kV电压等级电压损耗最高，20 kV，35 kV电压等级电压损耗分别比10 kV降低75 %，92 %。当输送相同功率时，采用高一级电压等级更有利于保证电压质量。

2.3 供电半径及输送距离分析

供电半径是从电源点开始到供电最远负荷点之间的线路距离。由于输电线路在输送功率时，沿线会产生电压降，因此不同电压等级的线路，按受电端电能质量的要求，有最大供电距离(即供电半径)的限制。经济供电半径是基于规划期限内，单位供电面积所需总计算费用最低的线路供电范围，此供电半径具有最佳的经济效益。总计算费用包括:送变电工程与线路工程建设投资，各项工程的折旧维护费用和运行寿命期的电能损耗费用。经济供电半径指标与负荷密度密切相关。同时，供电距离的大小与运行的经济性、稳定性有很大的关系，在满足一定负荷密度水平下进行供电距离的计算是十分必要的。

2.3.1   约束条件

由前述分析，电压损耗与输送距离成正比，输送距离越大，电压降越大，这不仅会造成损耗的增加，严重时还会威胁到电网的稳定运行。依据《电能质量 供电电压偏差》(GB/T 12325—2008)中供电电压偏差限值：35 kV及以上供电电压正负偏差绝对值之和不超过标称电压的10 %(注：如供电电压上下偏差同号——均为正或负时，按较大的偏差绝对值作为衡量依据)；20 kV及以下三相供电电压偏差为标称电压的±7 %。

因此，按照上述规定，选择10 kV，20 kV等级的电压降为7 %，35 kV等级的电压降为5 %作为约束条件，分析在不同负荷密度情况下，各电压等级的供电距离。

除满足电压降约束条件外，为保证线路经济运行，还需考虑线路的经济输送距离约束。计算如下：

用经济输送容量Sj替代式(7)中的S，即可得到电力线路的经济输送距离Lj，即：

将式(8)中ΔU用电压损耗百分数ΔU%(ΔU% =ΔU/UN×100 %)替代，则电力线路的经济输送距离Lj可表示如下：

我国各电压等级线路输电能力如表2所示。

表2 各电压等级线路输电能力统计

2.3.2   计算模型

假定某供电区域由圆形区域单元组成，其中：圆形区域半径为r；圆形区域面积为S；负荷密度为σ；每条线路所供负荷为p。据此可得，圆形供电区域面积为S=πr2，该区域负荷为P=σS，则该区域需建设线路回路数为(取整)，每条线路所供负荷p=P/n。

根据公式计算电压降，当电压降不满足要求时，应适当减小供电距离，得出供电边界距离。以此类推，改变区域内的负荷密度，得到不同负荷密度下各配电电压的供电距离。确定供电距离的流程如图1所示。

依据上述分析，在不同负荷密度区间，采用相同材质和截面的导线，在满足电压降、经济输送容量和经济输送距离的条件下，分别求取10 kV，20 kV，35 kV电压等级的供电距离(见表3)。

通过以上分析，得到如下结论：

(1) 对于同一中压电压等级，采用同样规格导线，在满足电压损耗、经济传输容量和经济传输距离的约束条件下，随着负荷密度的增加，线路的供电距离逐渐缩短。

(2) 对于不同中压电压等级，采用同样材质和截面的导线，电压等级越高，供电半径越大。当配电电压由10 kV升至20 kV后，供电半径增加约1倍，供电范围增加约4倍；当配电电压由10 kV升至35 kV后，供电半径增加约3倍，供电范围增加约9倍。

图1 供电距离确定流程示意

表3 不同电压等级的供电距离

2.4 线路功率损耗分析

线路功率损耗是电力网损的重要组成部分。对于一般输电线路的功率损耗，若已知线路的负荷电流时，则该段线路有功功率损耗和无功功率损耗分别为:

若已知该段线路的负荷功率，则其有功功率和

无功功率损耗分别为:

由此，在导线规格、负荷功率和功率因数均相同的情况下，可得：

线路无功功率损耗关系与有功功率相同。

由此可见，在满足一定条件下，电压由10 kV升至20 kV，线路功率损耗降低约75 %；电压由10 kV升至35 kV，线路功率损耗降低约92 %。在条件允许范围内，适当提高电压等级，可有效降低线路损耗，取得良好的经济效益。

2.5 线路走廊分析

提升中压配电电压，不仅可以提高供电能力，而且可以节省线路走廊，特别是对于城市土地紧张地段具有重要意义。不同容量主变中压线路回数如表4所示。

表4 不同容量主变中压线路回数

以110/10 kV电压等级容量50 MVA的主变为例，由表4可以看出：

(1) 升压改造为63 MVA容量的110/20 kV变压器，变电容量增加到原来的1.26倍，而线路回数由12回减少至8回，节约线路走廊近1/3。

(2) 升压改造为80 MVA容量的110/20 kV主变压器，变电容量增加1.6倍，而线路回数由12回减少至10回，节省线路走廊1/6。

(3) 升压改造为100 MVA容量的110/20 kV主变压器，出线回路数相同，但此时中压网络的输送容量增加了1倍。

3 结束语

分析了中压配电电压序列研究内容，中压配电网采用较高的电压等级，可以提高线路输送功率；降低电压损耗，提高供电质量；增大供电半径，增加输送距离；降低配网功率损耗；减少线路走廊，节约土地资源。对于城市新区、工业园区等新建配电网,提升中压配电电压等级在技术上是合理的。

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陈  宁(1983—)，男，工程师，主要从事电网规划管理工作。

刘  航(1986—)，男，工程师，主要从事电网规划管理工作。

王  攀(1983—)，男，工程师，主要从事电网管理工作。

2016-10-26。

徐庆华(1983—)，男，工程师，主要从事电网规划管理工作，email：13463007683@163.com。

巩保峰(1979—)，男，高级工程师，主要从事电网规划管理工作。

穆永保(1982—)，男，高级工程师，主要从事电网规划管理工作。