張賀遠(yuǎn)

(中國建筑設(shè)計(jì)院有限公司， 北京 100044)

對(duì)國家電網(wǎng)末端中低壓側(cè)規(guī)劃的建議

張賀遠(yuǎn)

(中國建筑設(shè)計(jì)院有限公司， 北京 100044)

對(duì)目前國家電網(wǎng)的中低壓輸配電系統(tǒng)各級(jí)電壓的合理組合、地區(qū)電網(wǎng)規(guī)劃及變電站位置的設(shè)置提出了建議，淺述了“線損比”及入戶電壓的高、低，分析了中壓配電系統(tǒng)兩種接地形式的利弊及適用場所，以供設(shè)計(jì)人員參考。

變壓器變比 線損比 緊湊型變電設(shè)備 不接地系統(tǒng)

0 引言

降壓站、變電所深入負(fù)荷中心的重要性眾所周知，但真正做好并不容易，首先，需要因地置宜地布置降壓站、變電所的位置，合理規(guī)劃變電級(jí)數(shù)(變壓器的變比組合、線損比)以及入戶電壓，盡量縮小用戶變電所的建筑面積，克服各方面的困難和阻力。

另外，雖然許多規(guī)范條文(正確的與錯(cuò)誤的并存，清晰的與含混的交織)規(guī)定了輸配電系統(tǒng)各級(jí)電壓的接地形式，但很多項(xiàng)目都未能很好地執(zhí)行，實(shí)際做法較混亂、費(fèi)工費(fèi)料且安全性令人擔(dān)憂。目前需解決的關(guān)鍵問題是：相關(guān)決策者必須將高壓、中壓(尤其是包含低壓配電系統(tǒng))作為整個(gè)輸配電系統(tǒng)的整體，將其變電級(jí)數(shù)及接地形式統(tǒng)一考慮，上、下級(jí)統(tǒng)籌兼顧，達(dá)到既節(jié)能又安全的目的。

1 輸配電電網(wǎng)現(xiàn)狀

輸配電包括從發(fā)電、升壓、輸電、降壓直至配電送至用戶等一系列的步驟，是一個(gè)龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)，由國家電網(wǎng)公司統(tǒng)一管理，電網(wǎng)的末端供電給用戶。計(jì)費(fèi)方式有兩種：一種是公共建筑(如商場、辦公樓、工業(yè)建筑等，簡稱“公建”)用電，在用戶變電所內(nèi)的高壓側(cè)設(shè)專用計(jì)量柜計(jì)費(fèi)，變電所由用戶自管，產(chǎn)權(quán)歸用戶；另一種是居民住宅用電(簡稱“低基”)，在低壓配電系統(tǒng)的末端每戶裝電表計(jì)費(fèi)，變電所由供電公司管理，產(chǎn)權(quán)歸供電公司。

1.1 我國電網(wǎng)電壓等級(jí)的現(xiàn)狀及分段

1)電壓等級(jí)的現(xiàn)狀

在我國建國初期，國家電網(wǎng)的容量不大、電壓不高。經(jīng)改革開放近40年的快速發(fā)展，我國在發(fā)電、輸電、超高壓技術(shù)等各方面都有了長足進(jìn)步。隨著電網(wǎng)的不斷增容、改造，高壓電網(wǎng)的電壓也逐步升高。其最高電壓由110kV升至220kV、330 kV、500 kV、750 kV、1 000kV。

2)電壓等級(jí)分段

我國在2011年以前，電壓等級(jí)只分為高壓和低壓兩段(1 000V以上為高壓，1 000V及以下為低壓)，沒有明確設(shè)置中壓段。但在國際上尤其是發(fā)達(dá)國家都設(shè)有中壓段，既方便使用，又安全、節(jié)能。因此自2011年以后，我國也將電壓等級(jí)分為高壓、中壓、低壓三段。

1.2 各級(jí)電壓的合理組合方案

輸配電電網(wǎng)變壓器的變比(上下級(jí)電壓的級(jí)差)不宜太大或太小。若電壓級(jí)差過大會(huì)造成變電設(shè)備困難、低壓出線回路過多、低壓側(cè)送出困難等，且送電距離越長、損耗越大；反之，若級(jí)差太小，會(huì)造成變電層次多，導(dǎo)致不必要的重復(fù)變電，增加電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用。有文獻(xiàn)資料針對(duì)國家高壓電網(wǎng)變比過小的問題，提出“舍二求三”原則，即高壓電網(wǎng)各相鄰電壓級(jí)間的倍數(shù)(變壓器變比)應(yīng)“力求接近或超過3”，舍棄倍數(shù)僅為2或接近2、甚至小于2的兩級(jí)中的某一級(jí)。

1.3 我國各級(jí)電壓組合的現(xiàn)狀

1)電網(wǎng)電壓級(jí)差(變壓器變比)過小

因?yàn)閲译娋W(wǎng)的設(shè)備是隨著最高電壓的逐步升高而逐步更換的，電壓每升高一級(jí)，變壓器的變比一般僅為2。但變電級(jí)數(shù)的不斷增多會(huì)使供電系統(tǒng)越來越復(fù)雜。所以目前國家電網(wǎng)的新舊變電站共存現(xiàn)象普遍，許多變電站的變壓器變比還是220/110kV。

有資料顯示，根據(jù)我國電網(wǎng)的現(xiàn)狀，可供優(yōu)選的高/中/壓級(jí)電壓組合的方案有6種：220/110/10kV、220/110/20kV、220/110/35kV、220/110/35/10kV、220/60/10kV、220/60/20kV，其中有4種組合方案的變壓器變比是220/110kV，變比僅為2，顯然不合理。故筆者建議，在新建或改建的電網(wǎng)中，不要再繼續(xù)沿用上述不合理的變比方案。

2)電壓組合方案不合理

目前高壓輸電的電壓組合方案級(jí)差(變壓器變比)過小，但用戶變電所內(nèi)的變壓器變比(10/0.4/0.23kV)卻已達(dá)到25，過大。而且，現(xiàn)在某些地區(qū)要求將入戶電壓提高到20kV，反而會(huì)導(dǎo)致有的變壓器變比(20/0.4/0.23kV)高達(dá)50。這種變壓器變比過大和過小并存的現(xiàn)象是不合理的，但目前仍普遍存在。

3)電壓等級(jí)的分段

(1)高壓電網(wǎng)主要電壓等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分別是：35(66)kV、110kV、220kV、330kV、500kV、750kV、1 000kV。

(2)中壓電網(wǎng)主要電壓等極標(biāo)準(zhǔn)為：6kV、10kV、20kV(根據(jù)負(fù)荷增長可擴(kuò)展至35kV)。

(3)低壓電網(wǎng)(即供用戶內(nèi)使用的低壓的電壓)主要電壓等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為：0.4/0.23kV(380/220V)。

(4)安全電壓主要電壓等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為：50V、25(24)V、12V。

4)規(guī)范的變化

需要說明的是，GB 50053-2013《20kV及以下變電所設(shè)計(jì)規(guī)范》中用20kV取代10kV僅僅是該規(guī)范適用范圍的擴(kuò)大，并不意味著入戶電壓都要用20kV取代10kV。規(guī)范的變化不應(yīng)影響各級(jí)電壓的組合方案，不應(yīng)因此造成各級(jí)電壓組合方案的不合理。

1.4 常用電壓的合理組合方案

1)220/35kV、110/35kV、110/10kV、35/10/0.4/0.23kV、10/0.4/0.23kV這5種中壓組合方案符合“舍二求三”原則以及“中壓”變“低壓”的組合方案變壓器變比為10～25。

符合以上兩條原則的電壓組合方案，可以減少輸電線路的線損，減少變配電設(shè)備的規(guī)格，便于管理，降低造價(jià)。

2)如果在用戶變電所內(nèi)采用高電壓的用電設(shè)備，可直接將高電壓的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，節(jié)能效果最佳。

目前，采用10kV的入戶電壓已經(jīng)不低，且在大型民用(如高層、超高層的商業(yè)、辦公、酒店、公寓等)10萬m2以上的“公建”中(除特殊情況外)，以常用的10kV電壓入戶較為合理。

3)對(duì)于某一項(xiàng)具體的工程而言，究竟采用哪個(gè)電壓等級(jí)入戶更合理，應(yīng)由供電公司、工程建設(shè)方、工程設(shè)計(jì)的電氣、暖通專業(yè)等多方協(xié)商，因地制宜地確定。

4)不同電壓等級(jí)的“線損比”，是指在導(dǎo)體截面、傳輸功率相同的條件下，不同電壓在線路上的電能損失(I2R)之比。因?yàn)椴捎貌煌碾妷簜鬏斚嗤墓β蕰r(shí)，采用導(dǎo)體的截面必然不同。所以，“線損比”應(yīng)該是“低壓側(cè)電流與高壓電流之比”與“低壓側(cè)導(dǎo)體截面與高壓側(cè)導(dǎo)體截面之比”的乘積。

變壓器的變比只要大于10，上下級(jí)的“線損比”就小于1%，因此，與低壓側(cè)的線損相比，高壓側(cè)的線損可以忽略。

當(dāng)用戶的入戶電壓為10kV時(shí)，其變壓器的變比為25，高低壓側(cè)線路的“線損比”即為0.16%。此時(shí)，假若變電所偏離負(fù)荷中心，則0.4kV線路延長1m，其線損就相當(dāng)于10kV線路延長625～692m(用400V～380V計(jì)算)；假如用戶10kV/0.4kV變電所偏離負(fù)荷中心50m，則相當(dāng)于10kV變電站偏離負(fù)荷中心31～34.6km。

當(dāng)用戶的入戶電壓為20kV時(shí)，變壓器的變比為50，則上、下級(jí)線路的“線損比”為0.04%。此時(shí)，若用戶變電所偏離負(fù)荷中心，則低壓線路每增長1m，其線損就相當(dāng)于20kV線路延長2.5～2.77km。綜上所述，將低壓用戶變電所深入負(fù)荷中心才是最重要的。

5)可通過提高入戶電壓的方法，提高供電能力，但不宜采用單臺(tái)容量大的變壓器，因?yàn)樗鼤?huì)增大短路電流，提高對(duì)斷路器分?jǐn)嗄芰Φ囊螅撞『芏?；也不宜集中設(shè)置多臺(tái)變壓器，會(huì)加長低壓線路的供電半徑，增加電能損失。其仍需分區(qū)設(shè)置小型變電所，以縮短低壓供電半徑、減少線路電能損失。

總之，對(duì)于新建或改造的國家電網(wǎng)(或稱為“公網(wǎng)”)，只有統(tǒng)籌兼顧其高壓、中壓、低壓的各級(jí)變壓器變比的組合，才能達(dá)到既安全又節(jié)能的目的。

2 中、低壓輸配電系統(tǒng)變電站位置的設(shè)置原則

如上所述，必須在建筑物群總體規(guī)劃設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，按照自下而上推進(jìn)的原則，進(jìn)行區(qū)域降壓站及用戶變電所位置的設(shè)計(jì)。首先必須將用戶變電所的位置設(shè)置在用戶的負(fù)荷中心，再將上級(jí)降壓站設(shè)置在以用戶變電所為負(fù)荷中心的位置。這樣，既確定變電所及變電站的位置，又使國家電網(wǎng)真正達(dá)到安全、節(jié)能的目的。

為了更有效地使用戶變電所深入負(fù)荷中心，需要縮小用戶變電所面積。在這方面，我國與發(fā)達(dá)國家相比存在很大差距：在歐洲、美國、日本等國家，都采用緊湊型成套變配電設(shè)備，將變配電設(shè)備設(shè)置在公建或住宅樓內(nèi)，一個(gè)小型的單臺(tái)變壓器變電所占地面積僅為25～40m2，兩臺(tái)變壓器的變電所面積可<80m2，為變電所深入負(fù)荷中心創(chuàng)造有利條件；按照中國的變電所設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)變電所內(nèi)設(shè)備的布置有各種距離的要求，變電所的占地面積很難縮小(例如占地面積最小的方案：兩臺(tái)800kVA以下的變壓器，高壓采用環(huán)網(wǎng)柜、無值班室，面積約需100m2；如果兩臺(tái)變壓器容量大、高壓采用中置柜、有值班室，變電所占地面積約為250m2)，而且常常是多臺(tái)變壓器安裝在一起(每臺(tái)變壓器的容量也比較大，變電所面積更大)，供電范圍大，使變電所嚴(yán)重地偏離了負(fù)荷中心。

近幾年來，中國已經(jīng)有廠家生產(chǎn)緊湊型成套變配電設(shè)備(類似室外“箱變”去掉外殼安裝在室內(nèi))。這種定型產(chǎn)品(已生產(chǎn)多年)只要征得當(dāng)?shù)毓╇姴块T同意便可在工程中實(shí)施，使變電所深入負(fù)荷中心。

現(xiàn)在，世界上的發(fā)達(dá)國家均采用低電壓的小容量變壓器入戶，變壓器真正深入了負(fù)荷中心，節(jié)能效果非常顯著(有資料介紹，現(xiàn)在某些發(fā)達(dá)國家的單位GDP能耗僅為我國的1/10)。

3 中壓系統(tǒng)兩種接地形式比較

3.1 中壓配電系統(tǒng)采用小電阻接地形式(也稱有效接地)

1)中壓側(cè)采用小電阻接地，相線一旦發(fā)生接地故障，保護(hù)裝置便迅速切斷電源，供電連續(xù)性差。

2)若用戶變電所設(shè)在建筑物內(nèi)，變壓器外殼的保護(hù)接地與低壓配電系統(tǒng)的工作接地不能分開。當(dāng)變壓器的高壓側(cè)發(fā)生接地故障時(shí)(一般10kV電源側(cè)的接地電阻為10Ω，低壓側(cè)的接地電阻為0.5Ω)，接地短路電流約為550A，則低壓側(cè)接地電阻上的電壓降約為250V，使低壓配電系統(tǒng)的PE線對(duì)大地有250V的電壓(即10kV電源側(cè)的短路電流在低壓配電系統(tǒng)接地電阻上形成的電壓降為250V)，很不安全。為解決觸電風(fēng)險(xiǎn)，采用總等電位聯(lián)結(jié)。

3)解決總等電位(含局部等電位，輔助等電位等)聯(lián)結(jié)問題時(shí)，由于存在認(rèn)識(shí)上和技術(shù)上的難點(diǎn)，很容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。有時(shí)認(rèn)為已經(jīng)“等電位”了，其實(shí)仍存在危險(xiǎn)。例如“民規(guī)”10.9.3條中規(guī)定：安裝于室外景觀照明中距建筑物外墻20m以內(nèi)的設(shè)施，應(yīng)與室內(nèi)系統(tǒng)的接地形式一致，距建筑物外墻大于20m宜采用TT接地形式。并沒有考慮中壓配電系統(tǒng)接地型式的不同對(duì)低壓系統(tǒng)的影響。

“設(shè)計(jì)規(guī)范”尚有這樣的疏漏，工程設(shè)計(jì)中就更難避免中壓配電系統(tǒng)采用小電阻接地時(shí)對(duì)低壓用戶安全的嚴(yán)重影響了。因?yàn)樾‰娮杞拥貢r(shí)對(duì)建筑物內(nèi)等電位聯(lián)結(jié)的要求很高。在許多情況下(例如，獨(dú)立樁基的單層大跨度廠房，需要費(fèi)工費(fèi)料去做等電位聯(lián)結(jié)網(wǎng))，即使投入了很多人力物力，其等電位的效果也不一定很好，仍存在人身電擊危險(xiǎn)。

4)當(dāng)變電所獨(dú)立設(shè)置時(shí)，低壓配電系統(tǒng)的工作接地與高壓設(shè)備及變壓器外殼的保護(hù)接地可分開設(shè)置。當(dāng)高壓側(cè)發(fā)生接地故障時(shí)，其保護(hù)接地電阻上的電壓不會(huì)傳到低壓側(cè)的PE線上，但接地極的占地面積需要加大。而且建筑物內(nèi)的接地在仍必須采用TN-S(或需要TN與TT混用)系統(tǒng)的情況下，出現(xiàn)問題或疏漏的幾率也會(huì)增加。

若低壓配電系統(tǒng)采用TT接地形式，當(dāng)中壓側(cè)發(fā)生接地故障時(shí)，保護(hù)電器切斷電源的時(shí)間<5s，則按絕緣配合要求的電壓提高到1 200V，電源側(cè)由10kV改為20kV，其線路和設(shè)備的投資會(huì)增加。

3.2 中壓側(cè)不接地(或消弧線圈接地、諧振接地等)系統(tǒng)的特點(diǎn)

1)一旦發(fā)生單相接地故障，輸配電系統(tǒng)是一點(diǎn)接地，不形成回路。僅有很小的接地故障電容電流及線路接地故障監(jiān)視電壓互感器的短路電流，可以只報(bào)警不斷電，不影響用戶用電，供電連續(xù)性好。

雖然當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，其他兩相對(duì)地電壓會(huì)升高，需要加強(qiáng)線路和設(shè)備的絕緣，但與其優(yōu)點(diǎn)相比，利大于弊。

此接地系統(tǒng)形式，特別適用于不允許中斷供電的重要設(shè)備及場所，例如，實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及煤礦、軍工、醫(yī)院手術(shù)室等。

2)由于技術(shù)的迅速進(jìn)步，中壓配電系統(tǒng)可設(shè)置絕緣監(jiān)視裝置。當(dāng)系統(tǒng)絕緣電阻下降到一定值時(shí)，絕緣監(jiān)視裝置便可及時(shí)報(bào)警，提醒配電系統(tǒng)的管理人員及時(shí)檢查處理(有無大短路電流、有無電磁干擾)，不中斷供電。

3)PE線、接地體及設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分上，不會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)的電擊電壓，很安全。

4)中壓側(cè)不接地系統(tǒng)的各類用戶變電所(含戶內(nèi)變電所、附設(shè)式變電所、獨(dú)立變電所或預(yù)裝式變電站等)的接地，均可將低壓配電系統(tǒng)的工作接地與保護(hù)接地(變壓器及用電設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分等)合用接地裝置。將變壓器低壓側(cè)的中性點(diǎn)一點(diǎn)直接接地，其接地電阻值只要≤4Ω(若為滿足電訊系統(tǒng)的要求，接地電阻值可降到≤1Ω)即可，且這樣的接地電阻值在一般民用建筑中就能做到。

5)按絕緣配合要求，中壓側(cè)不接地(或消弧線圈接地、諧振接地等)，低壓配電系統(tǒng)可采用450/750V的導(dǎo)體，對(duì)設(shè)備的絕緣要求也低一些。

6)我國自建國以來，中壓輸配電系統(tǒng)按照蘇聯(lián)規(guī)范，一直采用中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，尤其是對(duì)于山區(qū)或農(nóng)村，輸電線路采用架空方式(電容電流很小)，發(fā)生接地故障時(shí)，電擊電壓低，安全實(shí)用、節(jié)約投資。

7)對(duì)于供電連續(xù)性要求不高的一般用戶，當(dāng)配電系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，可以既報(bào)警又?jǐn)嚯?。?duì)于小容量的一般用戶，因其供電范圍小，斷電影響小，其供電連續(xù)性與中壓側(cè)小電阻接地相同，故管理簡單，且具備不接地系統(tǒng)的電擊電壓低等優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)束語

綜上所述，筆者認(rèn)為采用合理的電壓組合方案；縮小變電所的面積，使變電所深入負(fù)荷中心；采用合理的入戶電壓；合理的接地形式等一系列的措施會(huì)是整個(gè)國家電網(wǎng)(“公網(wǎng)”與“非公網(wǎng)”)趨向更加合理的重要方面。

例如，110kV及以上的高壓輸電系統(tǒng)及0.4/0.23kV低壓配電系統(tǒng)(除特殊情況外)均采用直接接地形式；中壓輸電系統(tǒng)采用不接地系統(tǒng)；用中壓系統(tǒng)的不接地，將高壓輸電系統(tǒng)的直接接地與低壓配電系統(tǒng)直接接地隔開，使低壓配電系統(tǒng)的接地不受上級(jí)配電系統(tǒng)接地的影響(當(dāng)高壓輸電系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，不會(huì)在低壓系統(tǒng)接地的PE線上產(chǎn)生很高的電擊電壓)，使低壓配電系統(tǒng)更安全。

供、用電系統(tǒng)的合理、安全、節(jié)能，是業(yè)內(nèi)人士的終極目標(biāo)和追求。筆者僅從工程技術(shù)應(yīng)用的角度，直言不諱的談些看法，難免片面，望批評(píng)指正。

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充電樁的通信方式

電動(dòng)汽車充電樁屬于配電網(wǎng)側(cè)，其通信方式往往和配電網(wǎng)自動(dòng)化一起綜合考慮。通信 是配電網(wǎng)自動(dòng)化的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)，區(qū)域不同、條件不同，可應(yīng)用的通信方式也不同，具體到電動(dòng)汽車充電樁，其通信方式主要有有線方式和無線方式。

1、有線方式

有線方式主要有：有線以太網(wǎng)(RJ45 線、光纖)、工業(yè)串行總線(RS485、RS232、 CAN 總線)。

有線以太網(wǎng)主要優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大，缺點(diǎn)是布線復(fù)雜、擴(kuò)展性差、施工成本高、靈活性差。

工業(yè)串行總線(RS485、RS232、CAN 總線)優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸可靠，設(shè)計(jì)簡單，缺點(diǎn)是布網(wǎng)復(fù)雜、擴(kuò)展性差、施工成本高、靈活性差、通信容量低。

2、無線方式

無線方式主要采用移動(dòng)運(yùn)營商的移動(dòng)數(shù)據(jù)接入業(yè)務(wù)，如：GRPS、EVDO、CDMA 等。

采用移動(dòng)運(yùn)營商的移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需要將電動(dòng)汽車充電樁這一電網(wǎng)內(nèi)部設(shè)備接入移動(dòng)運(yùn) 營商的移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，需要支付昂貴的月租和年費(fèi)，隨著充電樁數(shù)量的增加費(fèi)用將越來越大；同時(shí)數(shù)據(jù)的安全性和網(wǎng)絡(luò)的可靠性都受到移動(dòng)運(yùn)營商的限制，不利于設(shè)備的安全運(yùn)行；其次，移動(dòng)運(yùn)營商的移動(dòng)接入帶寬屬共享帶寬，當(dāng)局部區(qū)域有大量設(shè)備接入時(shí)，其接入的可靠性和每個(gè)用戶的平均帶寬會(huì)惡化，不利于充電樁群的密集接入、大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)傳輸。

來源：電力電子網(wǎng)

Recommendations for the Medium and Low-voltage Side Planning at the end of the National Grid

Zhang Heyuan

The reasonable combination of voltage at all levels, regional power network planning and substation location in the middle and low-voltage transmission and distribution systems of the national grid are put forward, the "line loss ratio" and the high or low voltage of household voltage are discussed, the advantages and disadvantages of the two grounding forms of the medium voltage distribution system and the suitable place are analyzed, which for designers to reference.

transformer ratio, line loss ratio, compact substation equipment, ungrounded system