(國網(wǎng)北京市電力公司亦莊供電公司，北京 100176)

0 引 言

10 kV配電網(wǎng)是電網(wǎng)系統(tǒng)的前沿陣地，直接擔(dān)負(fù)著連接電網(wǎng)系統(tǒng)與電力用戶的重任。隨著社會(huì)的快速發(fā)展，用電客戶對(duì)于電力供應(yīng)的要求越來越高[1]。

北京地區(qū)配電網(wǎng)的現(xiàn)狀呈現(xiàn)出以下特點(diǎn)：城市中心以及其他重要地區(qū)以電纜網(wǎng)為主；在郊區(qū)尤其是遠(yuǎn)郊地區(qū)，目前仍以架空網(wǎng)為主?？梢钥隙ǖ仡A(yù)見，在將來的一段時(shí)間里，10 kV架空網(wǎng)仍將繼續(xù)承擔(dān)著北京郊區(qū)電力供應(yīng)的重任。因此，對(duì)北京地區(qū)10 kV架空網(wǎng)的研究分析是十分有意義的。

接線方式選擇是10 kV架空網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)與改造的重要方面[2]。因?yàn)樗粌H關(guān)系到電網(wǎng)建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性，而且影響著電網(wǎng)供電的可靠性和靈活性[3]。因此，有必要對(duì)當(dāng)前架空網(wǎng)接線方式進(jìn)行深入分析對(duì)比，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出更為科學(xué)合理的接線模式，以有效促進(jìn)10 kV架空網(wǎng)的規(guī)劃建設(shè)與改造工作。

1 現(xiàn)有架空接線方式對(duì)比分析

1.1 單電源無聯(lián)絡(luò)的樹枝式接線模式

如圖1所示，此類型接線方式簡單，建設(shè)成本較低，但是由于接線無聯(lián)絡(luò)開關(guān)，在故障情況下，故障點(diǎn)之后的非故障區(qū)段負(fù)荷只能停電，供電可靠性較差[4-5]，僅適用于供電可靠性要求較低、負(fù)荷密度較小的偏遠(yuǎn)地區(qū)。目前，由于北京地區(qū)供電可靠性的要求較高，單電源無聯(lián)絡(luò)(或手拉手)的放射狀、樹枝式接線模式已基本淘汰，不再作詳細(xì)分析。

圖1 單電源無聯(lián)絡(luò)的樹枝式接線模式

1.2 單電源單環(huán)接線模式

如圖2所示，單電源單環(huán)接線模式為同變電站同母線出線的環(huán)式接線，線路末端裝設(shè)一常開聯(lián)絡(luò)開關(guān)，每回線路平均最大負(fù)載率為50%。此連接方式十分清晰，運(yùn)行方式安排靈活[6]，可靠性高于單電源無聯(lián)絡(luò)的樹枝式接線模式。線路故障情況下，非故障段負(fù)荷可通過方式調(diào)整快速恢復(fù)供電；另外，線路上安排停電檢修工作時(shí)，無檢修工作線路區(qū)段不需用陪停，減少停電影響。但是，此種接線模式同樣存在明顯的缺點(diǎn)，由于兩條線路的電源來自同站同母線，所以在變壓器、母線或變壓器主開關(guān)故障或者停電檢修時(shí)，兩條線路將同時(shí)失去電源，損失全部負(fù)荷。另外，此類型接線方式需要考慮每條線路的備用容量，單條線路的平均負(fù)載率僅為50%，投資高，利用率低。綜合上述情況，此類型接線也不符合北京地區(qū)配電網(wǎng)高可靠性的要求，目前在北京地區(qū)也已經(jīng)基本淘汰。

圖2 單電源單環(huán)接線模式

1.3 雙電源單環(huán)接線模式

雙電源單環(huán)接線模式為同變電站不同母線或不同變電站兩路出線的環(huán)式接線，線路末端裝設(shè)一常開聯(lián)絡(luò)開關(guān)，每回線路平均最大負(fù)載率亦為50%，如圖3所示。在北京地區(qū)，這種接線適用于負(fù)荷密度較大且供電可靠性要求較高的郊區(qū)。其優(yōu)勢(shì)與單電源單環(huán)接線模式基本相同，可靠性較高，接線清晰，運(yùn)行方式安排靈活。無論是線路故障還是停電檢修時(shí)，均可以通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)倒方式減少停電影響。缺點(diǎn)也同樣需要考慮線路的備用容量，負(fù)載率僅為50%[7-8]，投資高，利用率低。但是，由于兩條線路的電源來自不同母線或不同站，有效地避免了因電源側(cè)設(shè)備故障或停電檢修時(shí)兩條線路將同時(shí)失去電源的情況，因此，除極端情況下，通常不會(huì)損失全部負(fù)荷。目前，此類型接線在北京郊區(qū)尤其是遠(yuǎn)郊區(qū)縣十分常見。

圖3 雙電源單環(huán)接線模式

1.4 三電源單環(huán)接線模式

三電源單環(huán)接線模式為三路電源的環(huán)形接線，線路末端通過兩個(gè)常開聯(lián)絡(luò)開關(guān)組成環(huán)路，單條線路平均最大負(fù)載率亦為50%，如圖4所示。此模式接線在負(fù)荷密度較大、供電可靠性有較高要求的城市郊區(qū)比較適宜。與雙電源單環(huán)接線模式相比，可靠性略有提高，經(jīng)濟(jì)性較之相當(dāng)，運(yùn)行方式更加靈活。無論哪條線路故障還是停電檢修時(shí)，均可以通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)倒方式減少停電影響。此類型接線同樣需要考慮線路的備用容量，單條線路的負(fù)載率僅為50%，經(jīng)濟(jì)性基本同圖3接線模式，利用率低。另外，由于3條線路的電源來自不同母線或不同站，所以在非負(fù)荷高峰時(shí)段，即便因各種原因同時(shí)失去兩路電源，也不會(huì)損失全部負(fù)荷。目前，此類型接線在北京郊區(qū)尤其是遠(yuǎn)郊區(qū)縣也十分常見。

圖4 三電源單環(huán)接線模式

1.5 分段多聯(lián)絡(luò)接線模式

圖5為分段多聯(lián)絡(luò)接線模式，通過在線路主干線上加裝分段開關(guān)，將每條線路分成若干段(通常不超過4段)，利用聯(lián)絡(luò)開關(guān)(常開)將每一段線路與其他臨近線路互聯(lián)。當(dāng)線路的其中一段出現(xiàn)故障時(shí)，非故障區(qū)段線路可以通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)快速恢復(fù)正常供電，這樣便有效地縮小了線路的故障停電范圍，極大地提高了供電可靠性[9]。此類型接線模式比較適用于北京郊區(qū)負(fù)荷發(fā)展比較飽和、供電可靠性要求較高的的區(qū)域。聯(lián)絡(luò)線可以就近引接，這種接線模式提高了架空線路的利用率(三分段三聯(lián)絡(luò)模式可達(dá)到75%)。此類型接線模式在架空線路實(shí)際建設(shè)或者改造時(shí)，若線路較短或負(fù)荷較為集中，一般將線路進(jìn)行兩分段兩聯(lián)絡(luò)，利用率可以達(dá)到67%；若線路較長或負(fù)荷較為分散，可以將線路分成4段、5段甚至更多，即多分段多聯(lián)絡(luò)，但線路分段過多會(huì)影響供電可靠性，同時(shí)也會(huì)相應(yīng)提高線路建設(shè)投資，因此一般情況下，主要采用三分段三聯(lián)絡(luò)這種比較經(jīng)典的接線模式。

圖5 分段多聯(lián)絡(luò)接線模式

2 傳統(tǒng)10 kV架空線路聯(lián)絡(luò)方式存在的共性缺陷

通過前面分析可以發(fā)現(xiàn)，以上幾種傳統(tǒng)10 kV架空線路聯(lián)絡(luò)方式存在著共性缺陷：線路本身不同區(qū)段之間無聯(lián)絡(luò)，線路發(fā)生故障或者線路上有停電工作時(shí)，只能將非故障區(qū)段或者非停電區(qū)段線路負(fù)荷轉(zhuǎn)移到其他線路。

2.1 負(fù)荷轉(zhuǎn)移計(jì)算

單條線路的總負(fù)荷設(shè)定為M，分段數(shù)量設(shè)定為N，假定負(fù)荷和分段開關(guān)沿線路均勻分布，且同一線路不同分段的運(yùn)行環(huán)境基本相同。則線路故障或計(jì)劃停電發(fā)生在某一區(qū)段的概率為

P=1/N

(1)

傳統(tǒng)10 kV架空線路聯(lián)絡(luò)方式在故障或計(jì)劃停電情況下的平均負(fù)荷轉(zhuǎn)移量計(jì)算模型為

(2)

以經(jīng)典的三分段為例，計(jì)算結(jié)果為

M轉(zhuǎn)=(3-1)M/(2×3)=M/3

(3)

通過上述模型計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，前述各模式線路發(fā)生故障或者線路上有停電工作時(shí)，都將有(N-1)M/2N的負(fù)荷轉(zhuǎn)移到其他線路。

2.2 共性缺陷的弊端

前述共性的缺陷有以下幾個(gè)弊端：

1)由于北京地區(qū)作為首都，經(jīng)常有重大活動(dòng)保電任務(wù)。保電期間，如果對(duì)端聯(lián)絡(luò)線路電源帶有保電線路，不允許通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)將負(fù)荷倒至對(duì)端線路。

2)如果對(duì)端聯(lián)絡(luò)線路或?qū)Χ司€路的電源側(cè)設(shè)備重載、過載，不允許通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)將負(fù)荷倒至對(duì)端線路。

3)配電網(wǎng)架空線路異常方式(故障或計(jì)劃停電工作)運(yùn)行情況下，將本條線路的全部或部分區(qū)段通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)倒至與其聯(lián)絡(luò)的線路上，會(huì)使與其聯(lián)絡(luò)的線路增長，從而導(dǎo)致其可靠性下降。

4)如果對(duì)端聯(lián)絡(luò)線路屬于其他調(diào)控機(jī)構(gòu)管轄范圍，通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)將負(fù)荷倒至對(duì)端線路時(shí)，需要提前通知相關(guān)調(diào)控機(jī)構(gòu)，并獲得對(duì)方同意后方可進(jìn)行，嚴(yán)重影響故障處置效率，并為其他調(diào)控機(jī)構(gòu)帶來諸多麻煩。

5)相互聯(lián)絡(luò)的不同線路可能由不同的運(yùn)維隊(duì)伍負(fù)責(zé)運(yùn)維，通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)將負(fù)荷倒至對(duì)端線路時(shí)，負(fù)責(zé)對(duì)端線路的運(yùn)維隊(duì)伍需要臨時(shí)掌握線路調(diào)整后的異常運(yùn)行方式，無形中增加了管理難度。

6)其他情況，比如有些封閉區(qū)域無可聯(lián)絡(luò)線路，無法形成雙電源或多電源聯(lián)絡(luò)網(wǎng)；再者，有些地區(qū)變電站10 kV開關(guān)間隔數(shù)量受限，在變電站增容或擴(kuò)建之前，亦無法形成雙電源或多電源聯(lián)絡(luò)網(wǎng)。

3 自環(huán)互聯(lián)式接線模式研究分析

自環(huán)互聯(lián)式接線模式為同變電站不同母線或不同變電站出線的互聯(lián)絡(luò)接線方式，其最主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：每條線路自身呈環(huán)形結(jié)構(gòu)，在線路首端靠近出站第一號(hào)桿處分為兩枝，在線路末端裝設(shè)一常開聯(lián)絡(luò)開關(guān)，在線路自身開環(huán)點(diǎn)兩側(cè)主干線上分別裝設(shè)與相鄰線路互聯(lián)的常開聯(lián)絡(luò)開關(guān)，形成環(huán)與環(huán)之間互聯(lián)絡(luò)的架空網(wǎng)，如圖6所示。

圖6 自環(huán)互聯(lián)式接線模式

3.1 方式靈活、可靠性高

自環(huán)互聯(lián)式接線模式在線路任一區(qū)段發(fā)生故障時(shí)，非故障區(qū)段均可通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)調(diào)整運(yùn)行方式，快速恢復(fù)供電；同樣道理，線路任一區(qū)段安排計(jì)劃停電時(shí)，非工作區(qū)段均不需要停電，只要在工作開始前調(diào)整運(yùn)行方式即可。從運(yùn)行靈活性和供電可靠性方面來講，自環(huán)互聯(lián)式接線模式與分段多聯(lián)絡(luò)模式基本相當(dāng)。

3.2 異常運(yùn)行方式負(fù)荷轉(zhuǎn)移量小

同樣設(shè)定單條線路的總負(fù)荷為M，分段數(shù)量設(shè)定為N(N>3)，假定負(fù)荷和分段開關(guān)沿線路均勻分布，且同一線路不同分段的運(yùn)行環(huán)境基本相同。則自環(huán)互聯(lián)式接線模式故障或計(jì)劃停電情況下的平均負(fù)荷轉(zhuǎn)移量計(jì)算如下：

線路故障或計(jì)劃停電發(fā)生在某一區(qū)段的概率為

P=1/N

(4)

當(dāng)某次線路故障或計(jì)劃停電發(fā)生在圖6中QF1與QF4分段開關(guān)之間時(shí)：

M轉(zhuǎn)=(1-1/N)M=(N-1)M/N

(5)

當(dāng)某次線路故障或計(jì)劃停電發(fā)生在圖6中QF1與QF4分段開關(guān)之后的任意區(qū)段時(shí)，可以通過線路末端聯(lián)絡(luò)開關(guān)調(diào)整故障線路自身的運(yùn)行方式，將非故障區(qū)段負(fù)荷恢復(fù)供電，不需向其他線路轉(zhuǎn)移負(fù)荷，故

M轉(zhuǎn)=0

(6)

由此，可得自環(huán)互聯(lián)式接線模式故障或計(jì)劃停電情況下的平均負(fù)荷轉(zhuǎn)移量計(jì)算模型為

M轉(zhuǎn)=P(1-1/N)M=(N-1)M/N2

(7)

自環(huán)互聯(lián)式接線模式與傳統(tǒng)聯(lián)絡(luò)接線方式在故障或計(jì)劃停電下的平均負(fù)荷轉(zhuǎn)移量對(duì)比見表1和圖7。

表1 平均負(fù)荷轉(zhuǎn)移量對(duì)比

圖7 平均負(fù)荷轉(zhuǎn)移量對(duì)比

通過以上理論計(jì)算對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，同樣分段數(shù)量的情況下，自環(huán)互聯(lián)式接線模式比傳統(tǒng)聯(lián)絡(luò)接線方式在故障或計(jì)劃停電情況下的平均負(fù)荷轉(zhuǎn)移量小得多。

實(shí)際情況中，北京地區(qū)10 kV架空線路往往都會(huì)在出站一號(hào)桿位置裝設(shè)一個(gè)分段開關(guān)。電網(wǎng)故障或停電工作極少發(fā)生在線路首段或線路電源側(cè)設(shè)備上。以北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)配電網(wǎng)為例，近5年來，10 kV架空線路首段或電源側(cè)設(shè)備發(fā)生故障的次數(shù)在10 kV架空配電網(wǎng)故障總次數(shù)中的占比不足2%；架空線路首段或電源側(cè)設(shè)備安排停電工作的次數(shù)僅占10 kV架空線路計(jì)劃停電工作的3%左右。因此可以認(rèn)為，除了極端情況下，10 kV電網(wǎng)故障或停電工作絕大多數(shù)發(fā)生在非首段線路或非電源側(cè)設(shè)備上。由前述分析，當(dāng)10 kV架空網(wǎng)故障點(diǎn)發(fā)生在非首段線路或非電源側(cè)設(shè)備時(shí)，可以通過線路末端聯(lián)絡(luò)開關(guān)調(diào)整運(yùn)行方式將非故障區(qū)段負(fù)荷恢復(fù)供電，無需將負(fù)荷轉(zhuǎn)移至其他線路，從而有效克服前面所提到的10 kV架空線路傳統(tǒng)聯(lián)絡(luò)方式存在的共性缺陷。同樣道理，當(dāng)10 kV架空線路非首段或非電源側(cè)設(shè)備安排停電工作時(shí)，同樣可以有效地克服所提到的10 kV架空線路傳統(tǒng)聯(lián)絡(luò)方式存在共性缺陷。

3.3 負(fù)載率

極端情況下，自環(huán)互聯(lián)式接線模式在電源側(cè)設(shè)備或線路首段失電時(shí)，需要通過其他線路將負(fù)荷轉(zhuǎn)移以恢復(fù)供電。以圖6中的兩聯(lián)絡(luò)為例，線路全部負(fù)荷由與之聯(lián)絡(luò)的另外兩條線路帶出，線路的負(fù)載率可以達(dá)到67%。通常情況下，故障或計(jì)劃停電發(fā)生在線路非電源側(cè)設(shè)備或非線路首段位置，調(diào)整線路本身的運(yùn)行方式即可將非故障或非停電區(qū)段負(fù)荷轉(zhuǎn)移。因此，一般情況下可以不用考慮備用容量的問題，即線路運(yùn)行的最大負(fù)載率允許達(dá)到100%。若線路電源側(cè)設(shè)備或線路首段安排計(jì)劃停電工作，可以考慮將停電時(shí)間安排在夜間負(fù)荷低谷時(shí)段，此時(shí)段相互聯(lián)絡(luò)的線路存在充足的備用容量，可以靈活地安排線路運(yùn)行方式。

3.4 經(jīng)濟(jì)性

對(duì)于同一供電區(qū)域，在負(fù)荷密度相同的情況下，10 kV配電架空自環(huán)互聯(lián)式接線模式的經(jīng)濟(jì)性與三分段三聯(lián)絡(luò)接線模式基本相同[10]。在供電可靠性要求較高的城市郊區(qū)，選擇架空自環(huán)互聯(lián)式接線模式可以滿足經(jīng)濟(jì)性要求。

3.5 線路保護(hù)配置

自環(huán)互聯(lián)式接線模式不會(huì)造成線路過長，分段較多的情況，保護(hù)配合比較容易?？梢栽诰€路兩個(gè)分支的第1級(jí)分段開關(guān)處安裝保護(hù)裝置，在故障情況下減少停電影響。

4 建 議

通過對(duì)自環(huán)互聯(lián)式接線模式的研究分析，可以看出在負(fù)荷較為密集且飽和的地區(qū)比較適合建設(shè)和發(fā)展此類型的10 kV互聯(lián)接線模式，尤其是用戶分布按塊狀結(jié)構(gòu)劃分的地區(qū)。在城市新開發(fā)地區(qū)可按照自環(huán)互聯(lián)式網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行規(guī)劃，電網(wǎng)建設(shè)初期，若暫時(shí)無條件形成多路互聯(lián)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，可以先期建成單路自環(huán)形結(jié)構(gòu)(開環(huán)運(yùn)行)，后期逐步發(fā)展成為自環(huán)互聯(lián)式網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。在發(fā)展較為成熟區(qū)域，可以通過工程改造逐步將傳統(tǒng)的互聯(lián)結(jié)構(gòu)發(fā)展為成熟的自環(huán)互聯(lián)式網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。

5 結(jié) 語

通過對(duì)北京地區(qū)傳統(tǒng)10 kV架空線路聯(lián)絡(luò)方式的研究，指出了它們的共性缺陷，并在此基礎(chǔ)上提出了自環(huán)互聯(lián)式架空線路接線模式，從可靠性、異常方式對(duì)互聯(lián)線路的影響(負(fù)荷轉(zhuǎn)移)、負(fù)載率等方面論證了自環(huán)互聯(lián)式架空線路接線模式的優(yōu)勢(shì)。關(guān)于自環(huán)互聯(lián)式架空線路接線模式的分析研究對(duì)城市地區(qū)10 kV架空線路網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)與發(fā)展具有重要的指導(dǎo)與參考意義。