借鑒新加坡配電網(wǎng)接線方式，廣州配電網(wǎng)在高負荷密度和高供電可靠性需求的知識城地區(qū)建設20kV花瓣型配電網(wǎng)。該花瓣型配電網(wǎng)屬于正常合環(huán)運行的電網(wǎng)，在建設過程中遇到了設備選型、運行方式選取、接地小電阻阻值選擇、繼電保護與控制方案等技術問題。文章詳細分析了以上問題，認為關鍵在于限制三相短路電流并增大單相接地短路電流。分析過程及最終方案可供其他地區(qū)建設合環(huán)運行配電網(wǎng)時參考。

0 引言

隨著經濟不斷發(fā)展，城市用電負荷密度迅速增長。由于20kV電壓等級能夠比較妥善的解決傳統(tǒng)10kV電壓等級供電半徑不足、線損過大和供電線路末端電壓低等問題，同時在同等輸配電能力下可節(jié)省線路走廊，而且設備造價費用增加不多，因此，國內部分城市在負荷密度高、供電范圍大的新區(qū)，試點采用20kV電壓等級供電。

高負荷密度的新區(qū)對供電可靠性也提出很高的要求(如中新廣州知識城提出供電可靠率RS-3>99.999%)。傳統(tǒng)配電網(wǎng)的輻射性供電方式無法滿足供電可靠性要求。借鑒供電可靠性處于世界領先地位的新加坡配電網(wǎng)接線方式，國內的廣州、蘇州等城市配電網(wǎng)，在高負荷密度和高供電可靠性需求的區(qū)域建設合環(huán)運行的20kV“花瓣型”配電網(wǎng)。

與新加坡電網(wǎng)相比，國內電網(wǎng)在電網(wǎng)規(guī)模、保護控制等方面均存在較大差異，如何結合本地區(qū)電網(wǎng)的特點建設20kV“花瓣型”配電網(wǎng)是亟待解決的問題。

本文介紹中新廣州知識城(簡稱“知識城”)20kV“花瓣型”配電網(wǎng)基本情況及其建設過程中遇到的若干技術問題，如一次設備選型、電網(wǎng)運行方式選取、接地小電阻阻值選擇、繼電保護與控制方案等，并對以上問題進行分析。

1. 廣州20kV花瓣型配電網(wǎng)及相關技術問題簡介

1.1 電網(wǎng)接線簡介

按照《中新知識城電網(wǎng)規(guī)劃設計原則》要求，知識城高壓電網(wǎng)規(guī)劃為220kV直降20kV電壓序列模式，其中220kV電網(wǎng)采用自愈式環(huán)網(wǎng)接線，20kV配電網(wǎng)參考新加坡花瓣型接線方式，合環(huán)運行。

知識城中壓配電網(wǎng)花瓣接線示意如圖1所示。為降低短路電流，每個花瓣的兩回電源線路來自于同一變電站的同一段20kV母線，每兩個花瓣之間通過聯(lián)絡線形成聯(lián)絡。正常運行方式下，花瓣合環(huán)運行，聯(lián)絡線處于充電運行狀態(tài)。

圖1 知識城配電網(wǎng)結構圖

花瓣內部詳細示意如圖2所示。圖中，按線路在花瓣內的作用，可分為站端出線(L1、L7、L8、L14)、聯(lián)絡線路(L15)、其他線路。

圖2 花瓣接線方式示意圖

花瓣在正常運行方式下具有兩路電源供電，花瓣內任何設備“-1”均不影響其他設備供電。若變電站側20kV母線故障或檢修，本花瓣負荷通過聯(lián)絡線L15轉相鄰花瓣供。若變電站側變壓器故障或檢修，則本花瓣負荷通過20kV母聯(lián)轉相鄰變壓器供。

為提高知識城供電可靠性，實現(xiàn)故障發(fā)生時在最小范圍內切除的目標，20kV環(huán)網(wǎng)內各間隔采用斷路器，即變電站出線、配電房各間隔均采用斷路器。

1.2 存在的技術問題

1)三相短路電流大。

廣州電網(wǎng)主網(wǎng)聯(lián)系緊密，系統(tǒng)短路容量大，各電壓等級短路電流易超標[7]。知識城電網(wǎng)采用220kV直降20kV供電模式，在選用高阻抗變壓器后，20kV電網(wǎng)三相短路電流仍接近25kA。若考慮分布式電源接入20kV電網(wǎng)，則三相短路電流會超過25kA。

三相短路電流過大，既限制了運行方式的安排，也對配電網(wǎng)中20kV斷路器的選擇造成困難。為了抑制20kV電網(wǎng)的三相短路電流，需要考慮從運行方式(如變壓器并列或分列運行)、變電站內主變壓器參數(shù)(如容量和短路阻抗百分比)等方面采取措施。

2)單相接地短路電流小。

知識城20kV電網(wǎng)配電線路均為電纜線路，中性點選擇經小電阻接地。若參考經小電阻接地的10kV電網(wǎng)，將單相接地最大短路電流限制在577A以內，則20kV電網(wǎng)發(fā)生接地故障時零序電流小(特別是高阻接地)，反映接地故障的快速主保護縱聯(lián)零序電流差動保護無靈敏度，導致其拒動而擴大事故范圍。

因此，從繼電保護靈敏度角度應增大20kV電網(wǎng)單相接地短路電流。由于中性點接地電阻對接地故障電流大小起著主導作用，所以應減小中性點接地電阻阻值。

然而，除繼電保護靈敏度外，小電阻阻值選擇還必須綜合考慮過電壓倍數(shù)限制、接觸電壓、跨步電壓和對通信的干擾等諸多問題。

3)常規(guī)備自投所挽救的負荷有限。

為進一步提高供電可靠性，需在失去上級電源的情況下，依靠備自投將本花瓣負荷通過聯(lián)絡斷路器轉由相鄰花瓣供電。

以圖2為例，若配電房K僅配置基于就地信息的常規(guī)備自投，在甲站20kV母線故障時，該備自投動作后會切除線路L4、L5靠近配電房K側斷路器，然后合上聯(lián)絡斷路器。備自投動作后僅能恢復配電房K的負荷供電，配電房A～E負荷供電會中斷。

因此，需要提出能保證更高供電可靠性的控制方案。

2. 一次設備選型

2.1 主變壓器容量

最初，《中新知識城電網(wǎng)規(guī)劃設計技術原則》規(guī)定主變壓器參數(shù)：雙繞組變壓器，額定容量120MVA，額定電壓220/20kV，聯(lián)接組別YNd11，短路阻抗百分比k%=16。

為限制20kV電網(wǎng)三相短路電流，在系統(tǒng)電壓恒定的條件下，必須增加故障回路中的阻抗值。故障回路主要阻抗是變壓器阻抗，計算公式如下：

式中：Uk%為短路阻抗百分比，UN為變壓器額定電壓，SN為變壓器額定容量。

根據(jù)式(1)可知，為增大變壓器阻抗，應選擇更大短路阻抗百分比或更小額定容量的變壓器，以減小三相短路電流。

Uk%=16的變壓器已屬高阻抗變壓器，繼續(xù)增大短路阻抗百分比空間有限，而且提高短路阻抗百分比會增加變壓器損耗，不符合知識城“低碳、綠色”的定位。因此，應根據(jù)給定的Uk%計算短路電流來確定主變壓器容量。

按照Uk%=16，計算不同容量的220kV主變壓器分列運行時短路電流，如表1所示。

由表1可知，在短路阻抗百分比相同的情況下，變壓器容量越小，20kV電網(wǎng)中的三相短路電流越小。適當降低變壓器容量是限制20kV三相短路電流的重要方法。

主變壓器容量降低到多大容量合適還需進一步考慮20kV電網(wǎng)中分布式電源的影響。按知識城電網(wǎng)規(guī)劃中最大接入容量30MW的分布式電源考慮，分別進行三相短路電流計算，見表2。

從表2數(shù)據(jù)可知，若220kV主變壓器容量選擇從規(guī)劃的120MVA降低為100MVA，即使單臺變壓器接入30MW的分布式電源，20kV電網(wǎng)的三相短路電流也會控制在25kA以內。因此，主變壓器容量最終選定為100MVA。

2.2 20kV配電房斷路器

最初，《中新廣州知識城智能配電房設備配置規(guī)范》要求，配電房20kV斷路器選用遮斷容量為31.5kA的鎧裝空氣絕緣型小車開關柜。配置規(guī)范未選擇氣體絕緣金屬封閉開關設備(GIS)，原因是市場上成熟的GIS的遮斷容量僅能達到25kA。

與GIS相比，鎧裝空氣絕緣型小車開關柜維護工作量重、操作風險高。因此，負責運維知識城20kV電網(wǎng)的區(qū)局提出，應采取措施減小20kV電網(wǎng)三相短路電流至25kA以下，以便采用GIS。

根據(jù)2.1中的計算結果，選取100MVA主變壓器后，在未來該變壓器低壓側接入30MW的分布式電源的條件下，三相短路電流仍限制在25kA以下，20kV開關遮斷容量可按25kA考慮。最終，20kV配電房斷路器選擇為遮斷容量25kA的GIS。

3. 花瓣兩路電源的選取

知識城花瓣接線中的兩路電源不能照搬新加坡經驗，即取自不同主變壓器變低母線，理由如下：

若花瓣兩路電源來自于不同變壓器變低母線，意味著不同主變壓器通過20kV花瓣并列運行。在計算三相短路電流時，若忽略花瓣中線路阻抗，兩臺容量100MVA的變壓器并列運行的阻抗值則等效為單臺容量200MVA的變壓器的阻抗。根據(jù)表1和表2數(shù)據(jù)揭示的規(guī)律，20kV電網(wǎng)中的三相短路電流必然大于25kA，超過斷路器遮斷容量。

若花瓣電源出自于同一變低的不同的母線(如圖3所示)，當主變壓器“-1”故障時，備自投動作導致兩臺主變壓器通過花瓣合環(huán)運行(如圖4所示)，三相短路電流會大于25kA。

圖3 同一變低的不同母線花瓣出線供電示意圖

圖4 備自投動作后的供電示意圖

因此，正常運行時知識城兩臺主變壓器應分列運行，花瓣兩路電源必須選取同一主變壓器變低的同一段20kV母線。

4. 中性點接地電阻的選擇

新加坡20kV花瓣型配電網(wǎng)接地電阻6.5Ω，接地故障電流控制在2kA左右。在我國，小電阻接地方式的配電網(wǎng)單相接地故障電流限定為600～1000A。參考10kV電網(wǎng)中性點接地電阻10Ω，20kV電網(wǎng)的中性點經選擇經20Ω小電阻接地方式，單相接地最大短路電流限制在577A以內。根據(jù)上文所述，不滿足繼電保護靈敏度要求，應選擇更小的接地電阻值以增大單相接地短路電流。

分析限制單相接地短路電流大小的關鍵因素。

1)人身安全對接觸電壓的限制。

2)人身安全對跨步電壓的限制。經計算，最大接地故障短路電流應小于8.8kA。

3)接地變壓器和接地電阻等一次設備熱穩(wěn)定性的限制。

另外，計算20kV電網(wǎng)中性點經不同電阻接地時單相接地短路電流(考慮接地變壓器阻抗)，如表3所示。

結合表3可知，第2)點不影響小電阻值選擇。根據(jù)變電站設計規(guī)范要求，需考慮接地故障最長隔離時間條件下接地電流所產生的接觸電壓對人身安全的影響。按保護切除20kV接地故障最長時間1.8s計算，最大接地故障短路電流應限制小于1600A。結合表3確定小電阻阻值為5Ω。經咨詢設備制造商，可生產滿足熱穩(wěn)定要求的接地變壓器和小電阻。因此，知識城20kV花瓣型電網(wǎng)中性點經5Ω小電阻接地。

5. 保護與控制方案

5.1 新加坡及國內典型花瓣型配電網(wǎng)保護方案

新加坡20kV花瓣型配電網(wǎng)中，環(huán)網(wǎng)線路配置有主保護單套導引線差動保護和定時限相過流、定時限零序過流保護;20kV配電房出線配置定時限相過流、定時限零序過流保護。環(huán)網(wǎng)線路上發(fā)生故障時，由主保護瞬時隔離故障，主保護拒動或檢修退出時則由后備保護切除故障。20kV配電房出線故障時，由相應間隔的后備保護切除故障。

江蘇蘇州供電公司20kV花瓣型配電網(wǎng)中，環(huán)網(wǎng)線路配置有光纖縱聯(lián)差動保護和定時限相過流、定時限零序過流保護，20kV配電房各出線間隔獨立配置定時限相過流、定時限零序過流保護。故障隔離過程與新加坡20kV花瓣型配電網(wǎng)類似，不再贅述。

江蘇泰州供電公司10kV花瓣型配電網(wǎng)中，選擇基于配電自動化實現(xiàn)故障隔離。由各配電房內配電自動化終端(簡稱DTU)構成聯(lián)動式方向過流保護，在環(huán)網(wǎng)線路故障時快速確定故障區(qū)域，跳開故障線路兩側斷路器隔離故障。

5.2 廣州花瓣型配電網(wǎng)保護欲控制方案

5.2.1 保護方案

廣州20kV花瓣型配電網(wǎng)保護方案如圖5所示。圖中，20kV環(huán)網(wǎng)中變電站與配電房之間或兩配電房之間的聯(lián)絡線路配置光纖縱聯(lián)電流差動保護，作為反映線路相間和接地故障的主保護。各配電房配置1臺一體化配電終端，作為配電房內進出線間隔的相間和接地后備保護。

圖5 繼電保護配置示意圖

以上繼電保護方案，可滿足20kV環(huán)網(wǎng)故障最小范圍隔離的要求。方案中后備保護主要解決以下問題：①當故障點經過渡電阻接地，零序電流較小，光纖縱聯(lián)電流差動保護無靈敏度;②光纖縱聯(lián)電流差動保護退出或拒動;③配電房斷路器拒動;④配電房母線故障。

5.2.2 控制方案

目前，新加坡和國內花瓣運行時未考慮備自投功能。知識城20kV花瓣因兩路電源來自于同一段20kV母線，在主變壓器、變低母線等“-1”時會全部失壓。

本文1.2已論述僅在聯(lián)絡配電房配置常規(guī)備自投無法滿足需求，因此針對知識城20kV花瓣提出區(qū)域備自投。

區(qū)域備自投主要是通過變電站20kV區(qū)域控制主站裝置與配電房一體化配電終端裝置及花瓣間聯(lián)絡線保護裝置之間的通信完成。配電房一體化配電終端主要上送母線有壓、無壓標志和花瓣環(huán)線開關位置、無流標志及后備保護動作信號供20kV區(qū)域控制主站判斷花瓣環(huán)網(wǎng)上的故障，同時接收20kV區(qū)域控制主站跳花瓣環(huán)線開關及過負荷減載切饋線的命令;花瓣間聯(lián)絡線保護裝置主要接收對側聯(lián)絡線配電房的母線有壓標志、聯(lián)絡線開關位置、對側花瓣過載切負荷命令，同時接收20kV區(qū)域控制主站合聯(lián)絡線開關及過載切對側花瓣負荷命令。

1)正常供電方式下，220kV變壓器故障、20kV母線“-1”故障會導致所供花瓣失壓，區(qū)域備自投通過合花瓣間聯(lián)絡線恢復供電。

2)環(huán)網(wǎng)線路檢修導致花瓣開環(huán)運行時，若花瓣內發(fā)生故障，光纖電流差動保護正確動作隔離故障，區(qū)域備自投通過合花瓣間聯(lián)絡線恢復供電。

該區(qū)域備自投方案實現(xiàn)了“實時采集、實時判別、實時控制”，能自動適應電網(wǎng)運行方式變化。

6. 結語

本文介紹了廣州20kV花瓣型配電網(wǎng)基本情況并對其建設過程中遇到的若干技術問題進行了詳細討論，得出以下結論：

1)20kV花瓣型配電網(wǎng)在一次設備選型時，應注意短路電流超標問題。選擇高阻抗變壓器并控制其額定容量，以增大變壓器阻抗，限制三相短路電在25kA以內，以便選擇成熟、可靠的20kV斷路器設備。

2)20kV花瓣兩路電源因三相短路電流太大被迫采用同一變低的同一段20kV母線。

3)20kV電網(wǎng)中性點選擇經5Ω小電阻接地，該阻值兼顧了保護靈敏度和人身安全等多方面因素，較為合理。

4)20kV花瓣采用光纖縱聯(lián)電流差動保護、一體化配電終端和區(qū)域備自投作為保護與控制方案，可滿足最小范圍內隔離故障的要求。

20kV花瓣型配電網(wǎng)本質上是合環(huán)運行的配電網(wǎng)，本文所提問題及解決方案對10kV電壓等級合環(huán)電網(wǎng)也有借鑒意義。

作者簡介

蔡燕春，男，碩士，工程師，廣州供電局有限公司電力調度控制中心，主要研究方向為繼電保護整定與運行、配電自動化。

張少凡，男，本科，工程師，廣州供電局有限公司電力調度控制中心，主要研究方向為繼電保護管理。

楊詠梅，女，本科，工程師，廣州供電局有限公司電力調度控制中心，主要研究方向為繼電保護整定與運行。

引文信息

蔡燕春，張少凡，楊詠梅.20kV花瓣型配電網(wǎng)若干技術問題分析[J].供用電，2016,33(1)：51-55,60.

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原標題:【配電】20kV花瓣型配電網(wǎng)若干技術問題分析