借鑒新加坡配電網(wǎng)接線方式，廣州配電網(wǎng)在高負(fù)荷密度和高供電可靠性需求的知識(shí)城地區(qū)建設(shè)20kV花瓣型配電網(wǎng)。該花瓣型配電網(wǎng)屬于正常合環(huán)運(yùn)行的電網(wǎng)，在建設(shè)過(guò)程中遇到了設(shè)備選型、運(yùn)行方式選取、接地小電阻阻值選擇、繼電保護(hù)與控制方案等技術(shù)問(wèn)題。文章詳細(xì)分析了以上問(wèn)題，認(rèn)為關(guān)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(guò)程及最終方案可供其他地區(qū)建設(shè)合環(huán)運(yùn)行配電網(wǎng)時(shí)參考。

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，城市用電負(fù)荷密度迅速增長(zhǎng)。由于20kV電壓等級(jí)能夠比較妥善的解決傳統(tǒng)10kV電壓等級(jí)供電半徑不足、線損過(guò)大和供電線路末端電壓低等問(wèn)題，同時(shí)在同等輸配電能力下可節(jié)省線路走廊，而且設(shè)備造價(jià)費(fèi)用增加不多，因此，國(guó)內(nèi)部分城市在負(fù)荷密度高、供電范圍大的新區(qū)，試點(diǎn)采用20kV電壓等級(jí)供電。

高負(fù)荷密度的新區(qū)對(duì)供電可靠性也提出很高的要求(如中新廣州知識(shí)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(wú)法滿足供電可靠性要求。借鑒供電可靠性處于世界領(lǐng)先地位的新加坡配電網(wǎng)接線方式，國(guó)內(nèi)的廣州、蘇州等城市配電網(wǎng)，在高負(fù)荷密度和高供電可靠性需求的區(qū)域建設(shè)合環(huán)運(yùn)行的20kV“花瓣型”配電網(wǎng)。

與新加坡電網(wǎng)相比，國(guó)內(nèi)電網(wǎng)在電網(wǎng)規(guī)模、保護(hù)控制等方面均存在較大差異，如何結(jié)合本地區(qū)電網(wǎng)的特點(diǎn)建設(shè)20kV“花瓣型”配電網(wǎng)是亟待解決的問(wèn)題。

本文介紹中新廣州知識(shí)城(簡(jiǎn)稱(chēng)“知識(shí)城”)20kV“花瓣型”配電網(wǎng)基本情況及其建設(shè)過(guò)程中遇到的若干技術(shù)問(wèn)題，如一次設(shè)備選型、電網(wǎng)運(yùn)行方式選取、接地小電阻阻值選擇、繼電保護(hù)與控制方案等，并對(duì)以上問(wèn)題進(jìn)行分析。

1. 廣州20kV花瓣型配電網(wǎng)及相關(guān)技術(shù)問(wèn)題簡(jiǎn)介

1.1 電網(wǎng)接線簡(jiǎn)介

按照《中新知識(shí)城電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)原則》要求，知識(shí)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(yùn)行。

知識(shí)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(gè)花瓣的兩回電源線路來(lái)自于同一變電站的同一段20kV母線，每?jī)蓚€(gè)花瓣之間通過(guò)聯(lián)絡(luò)線形成聯(lián)絡(luò)。正常運(yùn)行方式下，花瓣合環(huán)運(yùn)行，聯(lián)絡(luò)線處于充電運(yùn)行狀態(tài)。

圖1 知識(shí)城配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

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

圖2 花瓣接線方式示意圖

花瓣在正常運(yùn)行方式下具有兩路電源供電，花瓣內(nèi)任何設(shè)備“-1”均不影響其他設(shè)備供電。若變電站側(cè)20kV母線故障或檢修，本花瓣負(fù)荷通過(guò)聯(lián)絡(luò)線L15轉(zhuǎn)相鄰花瓣供。若變電站側(cè)變壓器故障或檢修，則本花瓣負(fù)荷通過(guò)20kV母聯(lián)轉(zhuǎn)相鄰變壓器供。

為提高知識(shí)城供電可靠性，實(shí)現(xiàn)故障發(fā)生時(shí)在最小范圍內(nèi)切除的目標(biāo)，20kV環(huán)網(wǎng)內(nèi)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(shù)問(wèn)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(jí)短路電流易超標(biāo)[7]。知識(shí)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(huì)超過(guò)25kA。

三相短路電流過(guò)大，既限制了運(yùn)行方式的安排，也對(duì)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(yùn)行方式(如變壓器并列或分列運(yùn)行)、變電站內(nèi)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(shí)城20kV電網(wǎng)配電線路均為電纜線路，中性點(diǎn)選擇經(jīng)小電阻接地。若參考經(jīng)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?xún)?nèi)，則20kV電網(wǎng)發(fā)生接地故障時(shí)零序電流小(特別是高阻接地)，反映接地故障的快速主保護(hù)縱聯(lián)零序電流差動(dòng)保護(hù)無(wú)靈敏度，導(dǎo)致其拒動(dòng)而擴(kuò)大事故范圍。

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

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

3)常規(guī)備自投所挽救的負(fù)荷有限。

為進(jìn)一步提高供電可靠性，需在失去上級(jí)電源的情況下，依靠備自投將本花瓣負(fù)荷通過(guò)聯(lián)絡(luò)斷路器轉(zhuǎn)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(shí)，該備自投動(dòng)作后會(huì)切除線路L4、L5靠近配電房K側(cè)斷路器，然后合上聯(lián)絡(luò)斷路器。備自投動(dòng)作后僅能恢復(fù)配電房K的負(fù)荷供電，配電房A～E負(fù)荷供電會(huì)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(shè)備選型

2.1 主變壓器容量

最初，《中新知識(shí)城電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)技術(shù)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(jì)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(yīng)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(huì)增加變壓器損耗，不符合知識(shí)城“低碳、綠色”的定位。因此，應(yīng)根據(jù)給定的Uk%計(jì)算短路電流來(lái)確定主變壓器容量。

按照Uk%=16，計(jì)算不同容量的220kV主變壓器分列運(yùn)行時(shí)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(dāng)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(jìn)一步考慮20kV電網(wǎng)中分布式電源的影響。按知識(shí)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(jìn)行三相短路電流計(jì)算，見(jiàn)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(tái)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(huì)控制在25kA以?xún)?nèi)。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(shí)城智能配電房設(shè)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(chē)開(kāi)關(guān)柜。配置規(guī)范未選擇氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備(GIS)，原因是市場(chǎng)上成熟的GIS的遮斷容量?jī)H能達(dá)到25kA。

與GIS相比，鎧裝空氣絕緣型小車(chē)開(kāi)關(guān)柜維護(hù)工作量重、操作風(fēng)險(xiǎn)高。因此，負(fù)責(zé)運(yùn)維知識(shí)城20kV電網(wǎng)的區(qū)局提出，應(yīng)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(jì)算結(jié)果，選取100MVA主變壓器后，在未來(lái)該變壓器低壓側(cè)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(kāi)關(guān)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(shí)城花瓣接線中的兩路電源不能照搬新加坡經(jīng)驗(yàn)，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(lái)自于不同變壓器變低母線，意味著不同主變壓器通過(guò)20kV花瓣并列運(yùn)行。在計(jì)算三相短路電流時(shí)，若忽略花瓣中線路阻抗，兩臺(tái)容量100MVA的變壓器并列運(yùn)行的阻抗值則等效為單臺(tái)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(guò)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(dāng)主變壓器“-1”故障時(shí)，備自投動(dòng)作導(dǎo)致兩臺(tái)主變壓器通過(guò)花瓣合環(huán)運(yùn)行(如圖4所示)，三相短路電流會(huì)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(dòng)作后的供電示意圖

因此，正常運(yùn)行時(shí)知識(shí)城兩臺(tái)主變壓器應(yīng)分列運(yùn)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(diǎn)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(guó)，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(diǎn)接地電阻10Ω，20kV電網(wǎng)的中性點(diǎn)經(jīng)選擇經(jīng)20Ω小電阻接地方式，單相接地最大短路電流限制在577A以?xún)?nèi)。根據(jù)上文所述，不滿足繼電保護(hù)靈敏度要求，應(yīng)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(guān)鍵因素。

1)人身安全對(duì)接觸電壓的限制。

2)人身安全對(duì)跨步電壓的限制。經(jīng)計(jì)算，最大接地故障短路電流應(yīng)小于8.8kA。

3)接地變壓器和接地電阻等一次設(shè)備熱穩(wěn)定性的限制。

另外，計(jì)算20kV電網(wǎng)中性點(diǎn)經(jīng)不同電阻接地時(shí)單相接地短路電流(考慮接地變壓器阻抗)，如表3所示。

結(jié)合表3可知，第2)點(diǎn)不影響小電阻值選擇。根據(jù)變電站設(shè)計(jì)規(guī)范要求，需考慮接地故障最長(zhǎng)隔離時(shí)間條件下接地電流所產(chǎn)生的接觸電壓對(duì)人身安全的影響。按保護(hù)切除20kV接地故障最長(zhǎng)時(shí)間1.8s計(jì)算，最大接地故障短路電流應(yīng)限制小于1600A。結(jié)合表3確定小電阻阻值為5Ω。經(jīng)咨詢(xún)?cè)O(shè)備制造商，可生產(chǎn)滿足熱穩(wěn)定要求的接地變壓器和小電阻。因此，知識(shí)城20kV花瓣型電網(wǎng)中性點(diǎn)經(jīng)5Ω小電阻接地。

5. 保護(hù)與控制方案

5.1 新加坡及國(guó)內(nèi)典型花瓣型配電網(wǎng)保護(hù)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(hù)單套導(dǎo)引線差動(dòng)保護(hù)和定時(shí)限相過(guò)流、定時(shí)限零序過(guò)流保護(hù);20kV配電房出線配置定時(shí)限相過(guò)流、定時(shí)限零序過(guò)流保護(hù)。環(huán)網(wǎng)線路上發(fā)生故障時(shí)，由主保護(hù)瞬時(shí)隔離故障，主保護(hù)拒動(dòng)或檢修退出時(shí)則由后備保護(hù)切除故障。20kV配電房出線故障時(shí)，由相應(yīng)間隔的后備保護(hù)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(dòng)保護(hù)和定時(shí)限相過(guò)流、定時(shí)限零序過(guò)流保護(hù)，20kV配電房各出線間隔獨(dú)立配置定時(shí)限相過(guò)流、定時(shí)限零序過(guò)流保護(hù)。故障隔離過(guò)程與新加坡20kV花瓣型配電網(wǎng)類(lèi)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(dòng)化實(shí)現(xiàn)故障隔離。由各配電房?jī)?nèi)配電自動(dòng)化終端(簡(jiǎn)稱(chēng)DTU)構(gòu)成聯(lián)動(dòng)式方向過(guò)流保護(hù)，在環(huán)網(wǎng)線路故障時(shí)快速確定故障區(qū)域，跳開(kāi)故障線路兩側(cè)斷路器隔離故障。

5.2 廣州花瓣型配電網(wǎng)保護(hù)欲控制方案

5.2.1 保護(hù)方案

廣州20kV花瓣型配電網(wǎng)保護(hù)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(luò)線路配置光纖縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)，作為反映線路相間和接地故障的主保護(hù)。各配電房配置1臺(tái)一體化配電終端，作為配電房?jī)?nèi)進(jìn)出線間隔的相間和接地后備保護(hù)。

圖5 繼電保護(hù)配置示意圖

以上繼電保護(hù)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(hù)主要解決以下問(wèn)題：①當(dāng)故障點(diǎn)經(jīng)過(guò)渡電阻接地，零序電流較小，光纖縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)無(wú)靈敏度;②光纖縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)退出或拒動(dòng);③配電房斷路器拒動(dòng);④配電房母線故障。

5.2.2 控制方案

目前，新加坡和國(guó)內(nèi)花瓣運(yùn)行時(shí)未考慮備自投功能。知識(shí)城20kV花瓣因兩路電源來(lái)自于同一段20kV母線，在主變壓器、變低母線等“-1”時(shí)會(huì)全部失壓。

本文1.2已論述僅在聯(lián)絡(luò)配電房配置常規(guī)備自投無(wú)法滿足需求，因此針對(duì)知識(shí)城20kV花瓣提出區(qū)域備自投。

區(qū)域備自投主要是通過(guò)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(luò)線保護(hù)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(wú)壓標(biāo)志和花瓣環(huán)線開(kāi)關(guān)位置、無(wú)流標(biāo)志及后備保護(hù)動(dòng)作信號(hào)供20kV區(qū)域控制主站判斷花瓣環(huán)網(wǎng)上的故障，同時(shí)接收20kV區(qū)域控制主站跳花瓣環(huán)線開(kāi)關(guān)及過(guò)負(fù)荷減載切饋線的命令;花瓣間聯(lián)絡(luò)線保護(hù)裝置主要接收對(duì)側(cè)聯(lián)絡(luò)線配電房的母線有壓標(biāo)志、聯(lián)絡(luò)線開(kāi)關(guān)位置、對(duì)側(cè)花瓣過(guò)載切負(fù)荷命令，同時(shí)接收20kV區(qū)域控制主站合聯(lián)絡(luò)線開(kāi)關(guān)及過(guò)載切對(duì)側(cè)花瓣負(fù)荷命令。

1)正常供電方式下，220kV變壓器故障、20kV母線“-1”故障會(huì)導(dǎo)致所供花瓣失壓，區(qū)域備自投通過(guò)合花瓣間聯(lián)絡(luò)線恢復(fù)供電。

2)環(huán)網(wǎng)線路檢修導(dǎo)致花瓣開(kāi)環(huán)運(yùn)行時(shí)，若花瓣內(nèi)發(fā)生故障，光纖電流差動(dòng)保護(hù)正確動(dòng)作隔離故障，區(qū)域備自投通過(guò)合花瓣間聯(lián)絡(luò)線恢復(fù)供電。

該區(qū)域備自投方案實(shí)現(xiàn)了“實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)判別、實(shí)時(shí)控制”，能自動(dòng)適應(yīng)電網(wǎng)運(yùn)行方式變化。

6. 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了廣州20kV花瓣型配電網(wǎng)基本情況并對(duì)其建設(shè)過(guò)程中遇到的若干技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)討論，得出以下結(jié)論：

1)20kV花瓣型配電網(wǎng)在一次設(shè)備選型時(shí)，應(yīng)注意短路電流超標(biāo)問(wèn)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?xún)?nèi)，以便選擇成熟、可靠的20kV斷路器設(shè)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(diǎn)選擇經(jīng)5Ω小電阻接地，該阻值兼顧了保護(hù)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(dòng)保護(hù)、一體化配電終端和區(qū)域備自投作為保護(hù)與控制方案，可滿足最小范圍內(nèi)隔離故障的要求。

20kV花瓣型配電網(wǎng)本質(zhì)上是合環(huán)運(yùn)行的配電網(wǎng)，本文所提問(wèn)題及解決方案對(duì)10kV電壓等級(jí)合環(huán)電網(wǎng)也有借鑒意義。

作者簡(jiǎn)介

蔡燕春，男，碩士，工程師，廣州供電局有限公司電力調(diào)度控制中心，主要研究方向?yàn)槔^電保護(hù)整定與運(yùn)行、配電自動(dòng)化。

張少凡，男，本科，工程師，廣州供電局有限公司電力調(diào)度控制中心，主要研究方向?yàn)槔^電保護(hù)管理。

楊詠梅，女，本科，工程師，廣州供電局有限公司電力調(diào)度控制中心，主要研究方向?yàn)槔^電保護(hù)整定與運(yùn)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(shù)問(wèn)題分析[J].供用電，2016,33(1)：51-55,60.

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原標(biāo)題:【配電】20kV花瓣型配電網(wǎng)若干技術(shù)問(wèn)題分析