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关键词 集中式供配电 分布式供配电 负荷开关- 熔断器 20 kV 节能 环保
我国原有的10 kV 终端用户配电系统是以放射式、变压器集中供配电为主， 很少采用环网、变压器分布式供电。10 kV 成套开关柜的受电、馈电柜几乎都采用断路器， 很少采用负荷开关- 熔断器。这种传统的10 kV 配电方式对终端用户而言占地面积大、投资高。随着用户对配电要求的不断提高， 以及节能的需要， 特别是城市人口密度的激增和城市建筑密度的提高， 给线路敷设带来困难， 并使电网复杂化， 出现故障不易迅速查找和排除， 此种供配电方式和10 kV这一电压等级已不能满足各方面的要求。因此需要采用更加安全、可靠和节能环保的配电方式、电压等级及与此相关的配电设备， 中压配电系统的改进成为必然。本文就此从几个方面进行探讨。
1 中压终端用户配电方式的比较
长期以来， 我国10 kV 终端用户采用放射式配电， 往往将大容量变压器集中布置靠近主要的负荷中心， 这种配电方式虽然供电可靠性高， 便于管理， 但线路和高压开关柜数量多， 适用于出线数量少、距离近的配电系统。这种集中放射式配电存在不少弊端：由于变压器容量大， 使得低压防护电器的分断能力要求高； 远离负荷中心的设备低压线路长、有色金属消耗大、线路损耗大， 末端电压有时达不到要求， 供电质量差。
而环网、变压器分布式供配电可以避免前述缺点， 既可以降低工程初始投资， 又可以节能， 国标《供配电系统设计规范》（GB 50052 - 95） 第3. 0 . 9条条文说明就界定“ 将总变电所、配电所、变电所建在靠近负荷中心位置， 可以节省线材、降低电能损耗， 提高电压质量， 这是供配电系统设计的一条重要原则。至于对负荷较大的大型建筑物和高层建筑分散设置变电所， 这也是将变电所建在靠近各自低压负荷中心位置的一种形式”。对此有资料［1］ 明确建议面积大（> 5 000 m2） 时， 多台变压器的设置尽可能靠近分布的用电负荷供电， 以减少低压线路的长度， 这样可使配电线路通向用电设备的距离较短， 造成的电压降和输电损耗都较小。以分布在10 000 m2 的3 500 kV·A 用电负荷为例， 需要的电气设备的重量和电能消耗见表1。
由表1 可知， 低压电缆和线槽以及变压器是产生运行电耗和占有材料重量的大户， 尤其是低压线路， 减少低压配电线路的长度是降低电能损耗的重要途径。《全国民用建筑工程设计技术措施电气》（2003） 第2 . 3 . 1条条文说明介绍了国外实例： “法国1990 年建成的财政部大楼， 建筑面积22 . 5 万m2， 分散布置了48 台变压器， 深入负荷中心， 大大缩短了低压线路。其高压采用环网供电， 将高压负
荷开关、变压器、低压配电装置组成成套变配电装置， 深入负荷中心安装， 不值班， 占地很小。在日本也常是小容量变压器分散在负荷中心。” 分布式10 kV 变压器的容量一般不大于800 kV·A， 这样一来中压线路的电流较小， 其线路周围的电磁场也比较小。
2 中压系统配电设备的选用
2． 1 中压系统开关电器的比较
环网柜一般使用负荷开关和熔断器， 它由进出线负荷开关柜和变压器回路的负荷开关- 熔断器组合电器柜组成。以此来看， 负荷开关的使用量大， 据资料介绍［2 ］， 国外断路器和负荷开关之间的使用比例一般是1 : （5 ~ 6 ）。
2． 1． 1 负荷开关- 熔断器组合电器保护变压器的安全性比断路器好
10 kV 终端用户变压器一般容量不大于1 600 kV·A，其自我保护能力较差， 过载能力也差， 依赖于开关电器对它的保护。开关电器对它的保护主要有两种： 一种用断路器， 另一种用负荷开关- 熔断器组合电器（以下简称“组合电器”）。对使用断路器和组合电器，人们往往存在认识上的误区， 认为断路器既能控制又能保护， 为何还要使用熔断器作为保护而负荷开关作控制的组合电器， 这个认识问题必须解决， 才能正确使用断路器和组合电器。
1989 年国际配电网会议提供的资料表明， 大量的短路试验证明， 当油浸变压器内部出现短路故障时， 必须在20 ms 内切断故障， 方保变压器安然无恙。从断路器看， 断路器全分断时间由三部分组成：继电器保护动作时间＋ 断路器固有分闸动作时间＋燃弧时间。这三部分之和往往大于60 ms， 显然断路器对于保护此类变压器不奏效。对组合电器而言，充石英砂的限流熔断器有速断功能， 可在10 ms 内
熔断而切除短路故障， 完全满足20 ms 内动作， 从而达到有效保护变压器的需要。由于熔断器往往单相首先断开， 断开的同时， 其撞针（即弹簧储能撞击器） 撞击负荷开关的脱扣板， 负荷开关立即三相同时断开（两相燃弧）， 防止了变压器缺相运行。由于动作时间很短， 转移电流（熔断器的熔体熔断使弹簧储能撞击器将负荷开关断开的整个过程承受的三相对称电流） 远小于故障电流峰值， 达到了保护变压器的目的。
欧洲一些电力公司的实践完全证实了这点： 如德国RWE 电力公司在市区和城乡供电中， 使用了41 000 台由中压降至低压的降压变压器， 均采用中压熔断器保护， 1987 年变压器发生故障87 起， 仅有一次箱体炸开； 法国电力公司曾于1960 ～ 1970 年作了取消熔断器保护变压器的尝试， 7 500 台变压器在10年中发生了500 起故障， 结果50 起箱体炸开， 1 起人身事故， 最后得出的结论是： 这是一种错误的尝试； 在1991 年国际配电网会议(CIRED) 上， 比利时也提供了有力的证据， 比利时对40 000 台变压器观察10 年以上， 其中97 ％ 的变压器通过熔断器保护， 统计资料表明， 在此期间， 没有出现一次箱体炸开［2］。国内箱变运行情况也表明， 不论进口或国产产品， 用组合电器保护的箱变都没有发生过油箱炸开事故。资料［3］ 对保护10 kV 变压器的相关电器选用则规定得比较合理、详细： 变压器容量≤ 1 600 kV·A 且通断次数很少时， 选用负荷开关- 熔断器组合电器；而当1 600 kV·A ≥变压器容量≥ 800 kV·A ， 频繁
通断， 且低压侧有多台相互串联、具有短延时功能的断路器， 对中压熔断器不需要实现选择性时， 则使用配备定时限过电流延时保护装置的断路器。在江苏地方标准《35 kV 及以下客户端变电所建设标准》（DGJ 32 / J 14 - 2007） 第3． 1． 8 条规定，当采用负荷开关- 熔断器组合电器时， 干式变压器单台容量不大于1 250 kV·A； 油浸式变压器不大于630 kV·A。虽然该标准已将20 kV 作为推广的电压等级， 但此条并未规定具体适用于哪个电压等级。而对于20 kV 电压等级， 1 600 kV·A 变压器是可以采用熔断器进行保护的。在1998 年法国世界杯足球赛决赛的巴黎法兰西体育场的供配电系统中， 对于20 / 0． 41 kV 的1 600 kV·A 变压器， 中压20 kV 侧就采用了熔断器作为防护电器， 而非断路器［4］。
2． 1． 2 相关开关电器的经济性比较
负荷开关和断路器的作用不同， 因而其结构相差甚远。如果是环网接线， 采用负荷开关环网柜；如果是终端变压器， 则采用负荷开关- 熔断器的组合电器柜。在中压终端用户变电所， 开关投入和切断负荷是经常的， 而短路故障非常少， 断路器按很少发生的短路电流设计， 灭弧要求高， 分合闸速度要求快， 因此结构复杂， 操动机构庞大， 造价昂贵；组合电器则是把控制和保护两功能分开， 大量的、经常发生的投切负荷用负荷开关来完成， 而极少发生的短路保护由熔断器来完成， 充分发挥设备能力，达到经济、合理的目的。这样， 可将结构复杂、价格昂贵的断路器由结构简单、价格便宜的负荷开关- 熔断器代替。《高压交流负荷开关- 熔断器组合电器》（GB 16926 - 1997） 1. 1 条中指出， 负荷开关-熔断器组合电器中“装入熔断器是为了扩大组合电器的短路额定值， 并使其超过单独用负荷开关时的短路额定值。”
负荷开关环网柜的造价仅为断路器柜的30 % ～50 %， 组合电器组成的开关柜仅为断路器成套开关柜体积的60 % ～ 70 %， 这类开关柜高度低， 外形尺寸小， 可以靠墙或离墙安装， 减少高压配电室的面积并降低层高， 节约土建造价， 而且不需操作电源， 更不需专门的控制室， 可进一步减小占用面积， 这对于大型公共建筑群和高层建筑物内的变配电所更具优越性。安装、调试方便， 维护简单， 也易于实现电网自动化管理。
除了降低高压开关设备的投资费用外， 组合电器组成的开关柜与断路器柜相比还有以下优点： 首先， 减少对用电设备电能质量的影响。在熔断器后出现短路故障时， 电压扰动十分小， 而断路器在分断短路期间出现的电压扰动几乎达到100 %， 给用电设备带来干扰。其次， 由于熔断器的限流作用及极短的断开时间， 在发生短路时释放的能量（正比于I 2 t） 大大减少， 因此可选用截面较小的电缆（当然从电缆经济密度选择角度， 应选截面较大的电缆） 。在使用断路器时， 一般都根据所需短路强度来确定截面（例如IK = 20 kA 和tk ＝ 5％， 电缆的最小截面为95 mm2 的聚氯乙烯电缆）。可见采用环网柜比断路器柜产生的综合经济效益要大。
2． 1． 3 选用开关电器需要注意的问题
虽然采用环网柜比断路器柜有诸多优点， 但仍需在使用中注意一些问题， 否则事与愿违。
首先， 组合电器中的高压负荷开关和熔断器的选择除应分别满足相关的要求外， 还应进行转移电流或交接电流的校验［6］。
其次， 中压熔断器与低压主开关（一般是断路器） 应有选择性， 中压熔断器的曲线必须位于低压主开关曲线的右上侧； 为了使中压熔断器不误动作， 熔断器最小预燃弧曲线必须位于断路器曲线的右侧， 且乘以≥1 . 35 的系数， 熔断器的曲线还必须位于断路器的曲线之上， 再乘以≥2 的系数。系数1 . 35和2 是以中压熔断器和低压断路器产品制造的最大标准容许误差值为基础的。为了比较两个曲线， 中压电流必须转换成低压电流， 反之亦然。接线及曲线配合见图1、图2。
2． 2 合理选用变压器
对于许多工业及商业建筑物而言， 干式变压器看起来比油浸式变压器更为有利。它可避免油浸式变压器的火灾危险， 并且可以很方便地布置在建筑物内。很容易将干式变压器与低压开关设备布置在一起， 这样能够减少连接母线长度， 缩小变电所面积。正是干式变压器具有以上优点， 使得干式变压器被制造厂家积极大力推向市场， 特别是环氧树脂变压器被大量使用。但不少人不分场合、不进行必要的技术经济比较， 一概采用干式变压器的做法是值得商榷的。
相同容量干式变压器的价格是普通油浸式变压器的1 . 5 倍以上， 许多用户也知道这一点， 但基于防火及减少变电所建筑面积的想法， 愿意为此支增加的费用。然而， 许多人并不清楚干式变压器的电能效益较低， 且运行费用会明显不断的增加。相同容量干式变压器的体积比普通油浸式变压器的要大， 因为用空气作为绝缘系统的一部分时， 需要有较大的电气绝缘间隙， 加之空气作为传热介质时，其效率比油要低， 所以虽然通常允许有较高的温升，但要求的冷却风道也更大。尺寸增加意味着空载损耗的增加， 由于干式变压器工作温度较高， 绕组电阻随之增加， 使负载损耗（I 2R） 也上升。需要提出的是， 由于变压器损耗的增大而要加装通风机增加的用电负荷也不能忽略， 此外干式变压器的噪音比油浸式变压器高。
综上所述， 对于变压器的使用环境应综合分析，从防火要求高和减少变电所建筑面积角度出发， 变压器布置在室内应选用干式变压器； 布置在室外， 应首选油浸式变压器， 为尽量减少检修， 可采用全密封油浸式变压器， 这种变压器可以减缓变压器油的氧化，至少10 年内不需要做油的电介质强度试验， 因不用空气干燥设备而无须维护， 及时探测出漏油（即使很少）， 储油箱也不会进水。
无论干式变压器还是油浸式变压器， 都要采用符合国家标准《三相配电变压器能效限定值及节能评价值》（GB 20052 - 2006） 的节能产品。节能效果最好的是非晶合金变压器， 非晶合金变压器是采用导磁性能好的铁基非晶态合金取代传统的硅钢片作变压器铁芯材料， 可以大大降低变压器空载损耗。
10 kV 非晶合金干式变压器SCBH15 - 500 kV·A与普通干式变压器SCB10 - 500 kV·A 损耗比较见表2。
非晶合金变压器节能效果明显， 且对输电系统无特殊要求， 无论是电力使用高峰或是低谷它都是连续节能， 对长期处于低负荷率时段或季节性的城市电网和农村电网尤为重要； 虽然其初始价格稍高，由于节能， 多投资的部分， 可以从节省的电费中回收。根据电力行业标准《配电变压器能效技术经济评价导则》（DL / T 985 - 2005） 提供的配电变压器能效技术经济分析计算方法中提出的TOC 法（综合能效费用法， 是变压器在使用寿命期间总的经济代价的评价）， 用总费用最低的方法评价和选择变压器， 意味着能使购买者取得最佳的经济效益， 而非晶合金变压器就是最典型的产品。同容量各类变压器的价格见表3。
3 环保问题
国外已在考虑对环境的影响， 并分为三个阶段： 制造过程采用材料的质量和类型对自然资源的消耗； 运行过程能源的消耗； 材料使用寿命终期的可回收性。
前面主要谈及节能， 属运行阶段， 也有利于环保。我国1 / 3 能源用于发电， 75 % 的电力来自于火力发电， 其中绝大部分来自于煤炭， 减少发电厂各类污染的排放使节电的环境意义更为重要。以非晶合金变压器SCBH15 取代SCB10， 不仅在运行中节能，而且环保， 以10 kV、1 250 kV·A， 变压器正常寿命30 年为例， 节约电能342 954 kW·h， 少排放二氧化碳334 t、二氧化硫3 . 04 t、二氧化氮1 . 67 t， 节约天然煤152 t。
需要引起重视的是相关设备在制造阶段和可回收阶段的环保问题， 尤其是欧盟针对电子电气产品在制造和可回收的RoHS （电气、电子设备中限制使用某些有害物质指令） 和WEEE （报废电子电气设备指令） 环保指令。不得不提的是应用范围很广的SF6气体具有优良的绝缘强度和灭弧性能， 以及良好的冷却特性和不燃性， 在电力系统中得到了广泛的应用， 但SF6气体是高度稳定的温室效应气体， 当被排放到大气中时， 将给地球气候变化带来严重影响。从抑制地球温室效应的角度来看， 应当削减电力用SF6气体的使用量并限制排放量， 探索新的可替代气体， 加强对SF6混合气体回收技术的攻关［5］。
因此对产品的选用应多从环保角度考虑， 减少原材料的使用， 尽量选用对环境污染低的电气产品， 在尽可能的情况下不选用带有SF6的电气装置。
4 结论
从国外运行经验来看， 中压电压等级多选择20 kV，配电系统采用环网小容量变压器分布式供电， 大量使用环网柜， 终端用户变压器采用组合电器进行保护，不仅从安全上是可行的， 而且提高供电可靠性， 还可节约大量材料， 降低运行用电能耗， 值得我国借鉴。那种不分使用场合和使用性质， 一律采用断路器或干式变压器的做法既不经济也不科学， 应尽快改变， 大力推广安全可靠、节能环保的环网分布式供电。江苏省试点推广20 kV 中压供配电系统， 其不仅可以替代10 kV 和35 kV 两个电压等级， 减少供电等级和变电所数量， 而且比10 kV 电压等级更加节能， 配套产品也容易生产， 希望这些能使我国中压电网无论从技术上还是经济上都更加合理。