淺析采用20千伏供電解決電網(wǎng)與城市規(guī)劃建設(shè)的用地矛盾 - 通信學

淺析采用20千伏供電解決電網(wǎng)與城市規(guī)劃建設(shè)的用地矛盾-通信學1背景我國目前采用的10千伏中壓配電電壓等級，是從50年代中期開始到70年代中期結(jié)束的城網(wǎng)升壓改造項目中，逐漸改造和規(guī)范化而來的。但隨著我國經(jīng)濟的飛速開展、人民生活水平的提高，特別是在現(xiàn)代化城市建設(shè)進程中，社會用電負荷和用電量的急劇增長，10千伏供電出現(xiàn)了越來越多的局限性。受供電電壓與導線截面約束，10千伏配電系統(tǒng)容量小、設(shè)備數(shù)目大，因而在設(shè)備投資、基建占地、線路走廊、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、運行管理等方面都不可防止地出現(xiàn)許多難題。

當前我國配電網(wǎng)改革的開展方向是提高線路供電能力、降低線路損耗、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。電壓等級的合理配置直接影響電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和布局，而減少變電層次、簡化電壓等級是合乎這一改革方向。自2008年開始，我國局部省市在國網(wǎng)公司的指導下開始試點20千伏供電。受存量資產(chǎn)浪費、投資主體不明確、20千伏系統(tǒng)初期“孤網(wǎng)〞運行、運行操作習慣不同及設(shè)備規(guī)范未確定等因素的影響，2008年國網(wǎng)公司暫緩了此項試點工作。但試點過程中，20千伏供電的特點和優(yōu)勢，吸引了很多城市規(guī)劃工作者的關(guān)注。

2008年，廈門市城市規(guī)劃設(shè)計研究院完成?廈門市20千伏配電網(wǎng)前期研究》工作，旨在將研究結(jié)論應用于城市規(guī)劃工作，為政府部門規(guī)劃與管理工作提供了新的思路和技術(shù)決策根底，同時對目前國內(nèi)各大城市規(guī)劃建設(shè)也具有一定的參考意義。

2國內(nèi)外20千伏供電的運行與實踐

20千伏電壓等級很早就已經(jīng)出現(xiàn)并應用于項目實踐。俄羅斯1960年后，配電網(wǎng)除少數(shù)大城市10千伏等級尚未改造之外，幾乎都改成了20千伏等級；美國于1948年后大力開展20.8-24.9千伏電壓等級；法國在1961年后決定統(tǒng)一采用20千伏配電網(wǎng)；德國也在1960年開始將現(xiàn)狀配電網(wǎng)改為20千伏。其它80％的歐洲國家如意大利、奧地利、保加利亞、波蘭、匈牙利等也大都采用20-25千伏作為中壓配電，英國局部地區(qū)近幾年才開始20千伏配電網(wǎng)的升壓改造工作。

在19個亞洲、拉丁美洲國家和地區(qū)中，已有韓國、新加坡、日本、泰國、馬來西壓、巴西、阿根廷等12個國家和地區(qū)把20千伏電壓作為中壓配電，其中包括我國的臺灣省。。

20千伏電壓等級有一段特殊歷史和開展前景，曾在中國電力系統(tǒng)存在過很長時間。示例，在上海和營口等供電系統(tǒng)中曾一度存在過、1908年在云南省石龍壩水電站至昆明34km長的輸電線路中也采用了22千伏。1993年國家頒布的?GBl56—93規(guī)范電壓》中，正式將20千伏打括號后列入了標稱電壓。1994年5月，中國和新加坡決定在蘇州工業(yè)園區(qū)開始啟動20千伏供電，同年11月通過專家論證正式發(fā)展，成為我國大城市高密度用電配電電壓的實施先例。1996年3月工業(yè)園內(nèi)建成第一座110/20千伏園區(qū)變，迄今已十幾年，運行一切正常。

2008年，根據(jù)國家電網(wǎng)“關(guān)于推廣20千伏電壓等級的通知〞的精神，江蘇省率先在省內(nèi)13個市推廣2O千伏電壓等級試點供電工程，國家發(fā)改委正式批準江蘇省增設(shè)20千伏電壓等級銷售電價，2008年3月江蘇省電力公司發(fā)布與20千伏相關(guān)的26個企業(yè)規(guī)范。同時，浙江、廣東等局部地區(qū)也開始積極研究和試點工作。

3城市開展過程中10千伏供電的不適應性分析

隨著國民經(jīng)濟的迅速開展和提高，用電負荷和用電量的急劇增長，10千伏配電系統(tǒng)容量小、布點密、通道多、損耗大的現(xiàn)狀與經(jīng)濟快速開展、土地資源有限之間的矛盾日漸突出。由于城市空間資源有限，現(xiàn)在普遍采用的110/10千伏電壓等級的城市高、中壓配電網(wǎng)供電模式，受供電能力限制，于城市規(guī)劃建設(shè)存在的矛盾主要體現(xiàn)在下列兩個方面：

3.1城市變電站選址及走廊選擇困難

受10千伏側(cè)開關(guān)設(shè)備短路容量限制，110/10千伏變電站的容量相對較小，導致變電站布點密度大、變電站供電半徑小。110千伏系統(tǒng)容載比按2.0計算，理論上當負荷密度到達20MW/km2時，每3.75km2就需要建設(shè)一個110千伏變電站，變電站供電半徑僅1.1km，即每隔2.2km就要建設(shè)一座配置3×50兆伏安變壓器的110/10千伏變電站；當負荷密度到達30MW/km2時，每隔1.8km就要建設(shè)一座配置3×50兆伏安變壓器的110/10千伏變電站，變電站供電半徑約0.9km。

目前很多城市中心城區(qū)的負荷密度都超過10MW/km2，甚至到達20～30MW/km2，受土地資源的限制，在城區(qū)新建變電站時選址及高壓線路徑選擇都出線困難、電網(wǎng)建設(shè)前期阻力大。

3.2架空線與城市開展的沖突

受資金和城市開展規(guī)模的影響，早期和現(xiàn)狀城市外圍高壓線多為采用架空線形式建設(shè)。近幾年，隨著城市規(guī)模的快速擴張，城市開展建設(shè)對景觀和環(huán)

境的要求越來越高，高壓線改造入地的呼聲也越來越高。城市電網(wǎng)作為城市現(xiàn)代化建設(shè)的重要根底設(shè)施之一，其各項建設(shè)和改造工程必須與城市開展規(guī)劃建設(shè)同步實施。但在城市中心區(qū)，由于早期道路管線建設(shè)未預留高壓電纜管位，在道路不做改造的情況下，高壓線改造入地的電纜路徑選擇非常困難。420千伏供電特點簡介4.1110/20千伏主變壓器容量選擇

當變壓器一次側(cè)接無窮大系統(tǒng)時，變壓器額定容量與變壓器短路阻抗、二次側(cè)額定電壓、二次側(cè)短路電流成正比。受國內(nèi)目前技術(shù)水平及設(shè)備制造水平的影響(主要反映為低壓側(cè)斷路器遮斷容量的限制)，為保證斷路器正常開斷電流以及滿足設(shè)備動穩(wěn)定校驗，?城市電力網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計導那么》(Q/GDW156-2008)規(guī)定變電站內(nèi)10千伏、20千伏母線短路電流不超過20kA。根據(jù)110千伏變壓器技術(shù)標準，110/20千伏與110/10千伏主變壓器典型短路阻抗(Uk%)根本一致，約為12%～14%。所以當采用110/20千伏供電時，主變壓器的額定容量約為110/10千伏的2倍。

目前主要使用的110/10千伏變壓器有31.5、40、50兆伏安，當采用20千伏供電時，主變可以選擇63、80、100兆伏安。

4.220千伏線路輸電功率

按照城網(wǎng)規(guī)劃的原那么，依經(jīng)濟電流密度選擇導線截面，當采用同規(guī)格電纜時，20千伏與10千伏電纜的參數(shù)根本一致，那么線路的傳輸功率與傳輸電壓成正比，即采用20千伏供電時，線路輸送功率為10千伏的2倍。

4.320千伏供電的其他優(yōu)點

根據(jù)相關(guān)研究結(jié)論，采用20千伏供電時，電壓損失為10千伏供電的1/4、線路損耗也約為10千伏線路的1/4。；高密度負荷地區(qū)110/20千伏變電站供電面積是10千伏的2倍、供電半徑是10千伏的1.4倍；低負荷密度負荷地區(qū)20千伏供電距離約為10千伏的4倍。

鑒于20千伏供電與10千伏供電相比擬有以上眾多優(yōu)點，過去幾年中眾多學者對20千伏作為配電網(wǎng)電壓取代現(xiàn)有10千伏配電網(wǎng)做了大量的計劃論證和技術(shù)研究。法國電力公司在20千伏應用策略上堅持高、低負荷密度區(qū)均可以采用20千伏供電，目前農(nóng)村及郊區(qū)等低負荷密度地區(qū)20千伏覆蓋率已超過90%。法國公司多年實踐也證明“在高負荷密度區(qū)選擇20千伏有利于提高配電網(wǎng)供電能力，在低負荷密度區(qū)選擇20千伏有利于降損節(jié)能〞，這個特點尤其適合我國目前國情使用。

520千伏供電對城市規(guī)劃的影響研究

5.1城市110千伏變電站用地

由于110/20千伏變電站的主變壓器容量是110/10千伏變電站的2倍，因此變電站數(shù)量可降為原規(guī)劃的1/2，這對于城市總體規(guī)劃的市政設(shè)施布局影響較大，忽略變電站設(shè)計差別造成的變電站用地不同時，城市變電站用地可減少50％。

事實上，采用20千伏供電時，變電站內(nèi)的主變壓器、20千伏開關(guān)柜、電容器組等均比采用10千伏時略大一些，單座變電站用地面積約增加10％，整個城市110千伏變電站總用地可減少45％左右。

采用20千伏供電后，由于需求的變電站數(shù)量減半，城市變電站選址難、建設(shè)難等問題可以在一定程度上得到解決。同時由于110/20千伏變電站供電能力的加倍，對于緩解城市日益增長的供電壓力具有明顯的促進作用，特別是在城市用地緊張地區(qū)，當現(xiàn)狀變電站具備升壓改造條件或新建20千伏變電站的情況下，變電站建設(shè)及城市供電的各種難題都可迎刃而解。

5.2城市110千伏架空線走廊用地

目前國內(nèi)推薦的110千伏變電站高壓側(cè)接線模式一般為“雙電源輻射的擴大橋型接線〞和“三線三變3T線變組接線〞。這兩種接線模式各有優(yōu)缺點，各個地方根據(jù)操作習慣的不同選擇不同的接線模式。但有一個最大的共同點就是，平均來看110千伏系統(tǒng)主干架空線總數(shù)量為110千伏變電站的2倍。以同塔雙回架空線作為典型電力走廊時，忽略變電站進線端架空線的組合后，110千伏系統(tǒng)主干高壓走廊的數(shù)量與變電站數(shù)量一致。

當采用20千伏供電時，由于變電站數(shù)量可減少為原來的1/2，理論上110千伏架空線走廊數(shù)量可降為原來的1/2。但由于變電站容量上調(diào)至3×100兆伏安，傳統(tǒng)的LGJ300的架空線的輸電容量不能滿足變電站供電能力的需要，因此對于上述的兩種典型接線模式必須相應調(diào)整。雙電源輻射接線必須增加一回110千伏進線，三線三變3T線變組接線必須防止T接，從而形成線路相互獨立的三線三變的線變組接線。采用此接線模式時，同塔雙回的110千伏線路數(shù)量為變電站數(shù)量的1.5倍，但由于變電站數(shù)量的減半，因此城市110千伏系統(tǒng)高壓走廊用地為采用10千伏供電時的3/4。

5.3城市20千伏開閉所布局或環(huán)網(wǎng)供電公共節(jié)點的規(guī)劃數(shù)量

典型的開閉所和環(huán)網(wǎng)接線簡單的說都是采用“n供一備〞的接線模式

，開閉所的轉(zhuǎn)供容量或環(huán)網(wǎng)供電容量均按主干供電電纜的載流量確定。顯然，由“4.2〞知道當采用20千伏供電時，由于20千伏電纜的載流量是同規(guī)格10千伏電纜的2倍，因此開閉所的轉(zhuǎn)供容量或環(huán)網(wǎng)供電容量為采用10千伏時的2倍。從城市規(guī)劃角度看，開閉所布局規(guī)劃的數(shù)量那么、環(huán)網(wǎng)供電的公共節(jié)點的可以減少一半，考慮20千伏設(shè)備的差別，20千伏開閉所占用的城市用地或建筑面積減少約40％～45％。

5.4市政管線綜合規(guī)劃

5.4.120千伏電纜管溝平面布置

顯然開閉所或環(huán)網(wǎng)數(shù)量減半，20千伏主干電纜數(shù)量變?yōu)樵瓉淼?/2。但由于各個點負荷不變，在開閉所出線間隔減半、出線載流量加倍的情況下，各個點負荷的電源可能不再由開閉所直接接入，而更多是由開閉所出線構(gòu)成小環(huán)網(wǎng)接入或者由其他配電站的穿越功率接入。對于整個配電網(wǎng)系統(tǒng)而言，由于點負荷需要的電源數(shù)量是一定的，配線電纜的數(shù)量不變，且配線電纜的比重遠遠大于主干電纜，因此20千伏電纜的數(shù)量不會有顯著變化，對城市管線綜合規(guī)劃的平面布線的影響幾乎沒有變化。

5.4.220千伏電纜管溝橫斷面

目前中壓配電網(wǎng)使用的幾乎都是交聯(lián)聚乙烯電纜，10千伏電纜與20千伏電纜在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和制造工藝方面沒有什么差異，所不同的只是絕緣強度，即電纜絕緣層厚度有所不同。一般情況下，8.7/10千伏電壓等級的電纜絕緣厚度為4.5毫米，20千伏系統(tǒng)中性點有效接地系統(tǒng)使用的12/20千伏電壓等級的電纜絕緣厚度為5.5毫米，這個變化在電力項目設(shè)計上可以認為是忽略不計的，原規(guī)劃的10千伏電纜溝尺寸、電纜排管管徑對于20千伏電纜同樣適用，對于市政管線綜合橫斷面設(shè)計的影響忽略不計。

5.5其他與城市規(guī)劃建設(shè)相關(guān)的問題

我國多數(shù)地區(qū)10千伏配電網(wǎng)經(jīng)過多年規(guī)劃開展已頗具規(guī)模、現(xiàn)存供配電設(shè)備數(shù)量巨大、運行管理經(jīng)驗比擬成熟，此時引入20千伏具有相當?shù)睦щy。不僅要對現(xiàn)有成熟網(wǎng)架進行改造，而且在運行管理模式上的轉(zhuǎn)變需要經(jīng)過一段適應期。面對規(guī)模龐大的電網(wǎng)資產(chǎn)，推廣應用新電壓等級如果采用推到重來的改造模式，無疑會造成電網(wǎng)重復投資，是對現(xiàn)有資源的巨大浪費。因此，舊城區(qū)的20千伏電壓引入的機會必須慎重，以實現(xiàn)平穩(wěn)過渡，當前情況下20千伏的電壓的引入試點工作僅適用于城市新建區(qū)。

5.6小結(jié)

采用20千伏供電可以節(jié)約城市市政設(shè)施用地及高壓走廊用地，同時對市政管線的規(guī)劃與設(shè)計沒有影響，對于解決與變電站建設(shè)相關(guān)的各種問題具有積極地促進作用。但受存量資產(chǎn)改造的影響，20千伏試點試點工作故選擇城市新開發(fā)地區(qū)，采用國際通行的逐步蠶食的辦法，即統(tǒng)籌規(guī)劃、分辨別階段漸進式進行升壓改造。

6總結(jié)

采用20千伏作為配電電壓，目前國內(nèi)外根本上已取得共識，是一個很好的辦法。在長達40余年的跨度里，興旺國家工業(yè)化和電網(wǎng)改造的歷史證明，實施20千伏電網(wǎng)改造是完全成功的，而且是早改早受益。

從城市規(guī)劃角度看，由于城市電網(wǎng)所需要的110千伏變電站數(shù)量減半、110千伏高壓走廊降為原來3/4、中壓開閉所或環(huán)網(wǎng)公共節(jié)點數(shù)量減半，對于弛緩電網(wǎng)建設(shè)與城市土地空間資源緊張之間的矛盾起到非常積極的作用，照應了資源節(jié)約型社會的建設(shè)要求，在當前具有一定的先進性、實用性和指導意義。

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