借鉴新加坡配电网接线方式，广州配电网在高负荷密度和高供电可靠性需求的知识城地区建设20kV花瓣型配电网。该花瓣型配电网属于正常合环运行的电网，在建设过程中遇到了设备选型、运行方式选取、接地小电阻阻值选择、继电保护与控制方案等技术问题。文章详细分析了以上问题，认为关键在于限制三相短路电流并增大单相接地短路电流。分析过程及最终方案可供其他地区建设合环运行配电网时参考。
0 引言
随着经济不断发展，城市用电负荷密度迅速增长。由于20kV电压等级能够比较妥善的解决传统10kV电压等级供电半径不足、线损过大和供电线路末端电压低等问题，同时在同等输配电能力下可节省线路走廊，而且设备造价费用增加不多，因此，国内部分城市在负荷密度高、供电范围大的新区，试点采用20kV电压等级供电。
高负荷密度的新区对供电可靠性也提出很高的要求(如中新广州知识城提出供电可靠率RS-3>99.999%)。传统配电网的辐射性供电方式无法满足供电可靠性要求。借鉴供电可靠性处于世界领先地位的新加坡配电网接线方式，国内的广州、苏州等城市配电网，在高负荷密度和高供电可靠性需求的区域建设合环运行的20kV“花瓣型”配电网。
与新加坡电网相比，国内电网在电网规模、保护控制等方面均存在较大差异，如何结合本地区电网的特点建设20kV“花瓣型”配电网是亟待解决的问题。
本文介绍中新广州知识城(简称“知识城”)20kV“花瓣型”配电网基本情况及其建设过程中遇到的若干技术问题，如一次设备选型、电网运行方式选取、接地小电阻阻值选择、继电保护与控制方案等，并对以上问题进行分析。
1. 广州20kV花瓣型配电网及相关技术问题简介
1.1 电网接线简介
按照《中新知识城电网规划设计原则》要求，知识城高压电网规划为220kV直降20kV电压序列模式，其中220kV电网采用自愈式环网接线，20kV配电网参考新加坡花瓣型接线方式，合环运行。
知识城中压配电网花瓣接线示意如图1所示。为降低短路电流，每个花瓣的两回电源线路来自于同一变电站的同一段20kV母线，每两个花瓣之间通过联络线形成联络。正常运行方式下，花瓣合环运行，联络线处于充电运行状态。
图1 知识城配电网结构图
花瓣内部详细示意如图2所示。图中，按线路在花瓣内的作用，可分为站端出线(L1、L7、L8、L14)、联络线路(L15)、其他线路。
图2 花瓣接线方式示意图
花瓣在正常运行方式下具有两路电源供电，花瓣内任何设备“-1”均不影响其他设备供电。若变电站侧20kV母线故障或检修，本花瓣负荷通过联络线L15转相邻花瓣供。若变电站侧变压器故障或检修，则本花瓣负荷通过20kV母联转相邻变压器供。
为提高知识城供电可靠性，实现故障发生时在最小范围内切除的目标，20kV环网内各间隔采用断路器，即变电站出线、配电房各间隔均采用断路器。
1.2 存在的技术问题
1)三相短路电流大。
广州电网主网联系紧密，系统短路容量大，各电压等级短路电流易超标[7]。知识城电网采用220kV直降20kV供电模式，在选用高阻抗变压器后，20kV电网三相短路电流仍接近25kA。若考虑分布式电源接入20kV电网，则三相短路电流会超过25kA。
三相短路电流过大，既限制了运行方式的安排，也对配电网中20kV断路器的选择造成困难。为了抑制20kV电网的三相短路电流，需要考虑从运行方式(如变压器并列或分列运行)、变电站内主变压器参数(如容量和短路阻抗百分比)等方面采取措施。
2)单相接地短路电流小。
知识城20kV电网配电线路均为电缆线路，中性点选择经小电阻接地。若参考经小电阻接地的10kV电网，将单相接地最大短路电流限制在577A以内，则20kV电网发生接地故障时零序电流小(特别是高阻接地)，反映接地故障的快速主保护纵联零序电流差动保护无灵敏度，导致其拒动而扩大事故范围。
因此，从继电保护灵敏度角度应增大20kV电网单相接地短路电流。由于中性点接地电阻对接地故障电流大小起着主导作用，所以应减小中性点接地电阻阻值。
然而，除继电保护灵敏度外，小电阻阻值选择还必须综合考虑过电压倍数限制、接触电压、跨步电压和对通信的干扰等诸多问题。
3)常规备自投所挽救的负荷有限。
为进一步提高供电可靠性，需在失去上级电源的情况下，依靠备自投将本花瓣负荷通过联络断路器转由相邻花瓣供电。
以图2为例，若配电房K仅配置基于就地信息的常规备自投，在甲站20kV母线故障时，该备自投动作后会切除线路L4、L5靠近配电房K侧断路器，然后合上联络断路器。备自投动作后仅能恢复配电房K的负荷供电，配电房A～E负荷供电会中断。
因此，需要提出能保证更高供电可靠性的控制方案。
2. 一次设备选型
2.1 主变压器容量
最初，《中新知识城电网规划设计技术原则》规定主变压器参数：双绕组变压器，额定容量120MVA，额定电压220/20kV，联接组别YNd11，短路阻抗百分比k%=16。
为限制20kV电网三相短路电流，在系统电压恒定的条件下，必须增加故障回路中的阻抗值。故障回路主要阻抗是变压器阻抗，计算公式如下：
式中：Uk%为短路阻抗百分比，UN为变压器额定电压，SN为变压器额定容量。
根据式(1)可知，为增大变压器阻抗，应选择更大短路阻抗百分比或更小额定容量的变压器，以减小三相短路电流。
Uk%=16的变压器已属高阻抗变压器，继续增大短路阻抗百分比空间有限，而且提高短路阻抗百分比会增加变压器损耗，不符合知识城“低碳、绿色”的定位。因此，应根据给定的Uk%计算短路电流来确定主变压器容量。
按照Uk%=16，计算不同容量的220kV主变压器分列运行时短路电流，如表1所示。
由表1可知，在短路阻抗百分比相同的情况下，变压器容量越小，20kV电网中的三相短路电流越小。适当降低变压器容量是限制20kV三相短路电流的重要方法。
主变压器容量降低到多大容量合适还需进一步考虑20kV电网中分布式电源的影响。按知识城电网规划中最大接入容量30MW的分布式电源考虑，分别进行三相短路电流计算，见表2。
从表2数据可知，若220kV主变压器容量选择从规划的120MVA降低为100MVA，即使单台变压器接入30MW的分布式电源，20kV电网的三相短路电流也会控制在25kA以内。因此，主变压器容量最终选定为100MVA。
2.2 20kV配电房断路器
最初，《中新广州知识城智能配电房设备配置规范》要求，配电房20kV断路器选用遮断容量为31.5kA的铠装空气绝缘型小车开关柜。配置规范未选择气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)，原因是市场上成熟的GIS的遮断容量仅能达到25kA。
与GIS相比，铠装空气绝缘型小车开关柜维护工作量重、操作风险高。因此，负责运维知识城20kV电网的区局提出，应采取措施减小20kV电网三相短路电流至25kA以下，以便采用GIS。
根据2.1中的计算结果，选取100MVA主变压器后，在未来该变压器低压侧接入30MW的分布式电源的条件下，三相短路电流仍限制在25kA以下，20kV开关遮断容量可按25kA考虑。最终，20kV配电房断路器选择为遮断容量25kA的GIS。
3. 花瓣两路电源的选取
知识城花瓣接线中的两路电源不能照搬新加坡经验，即取自不同主变压器变低母线，理由如下：
若花瓣两路电源来自于不同变压器变低母线，意味着不同主变压器通过20kV花瓣并列运行。在计算三相短路电流时，若忽略花瓣中线路阻抗，两台容量100MVA的变压器并列运行的阻抗值则等效为单台容量200MVA的变压器的阻抗。根据表1和表2数据揭示的规律，20kV电网中的三相短路电流必然大于25kA，超过断路器遮断容量。
若花瓣电源出自于同一变低的不同的母线(如图3所示)，当主变压器“-1”故障时，备自投动作导致两台主变压器通过花瓣合环运行(如图4所示)，三相短路电流会大于25kA。
图3 同一变低的不同母线花瓣出线供电示意图
图4 备自投动作后的供电示意图
因此，正常运行时知识城两台主变压器应分列运行，花瓣两路电源必须选取同一主变压器变低的同一段20kV母线。
4. 中性点接地电阻的选择
新加坡20kV花瓣型配电网接地电阻6.5Ω，接地故障电流控制在2kA左右。在我国，小电阻接地方式的配电网单相接地故障电流限定为600～1000A。参考10kV电网中性点接地电阻10Ω，20kV电网的中性点经选择经20Ω小电阻接地方式，单相接地最大短路电流限制在577A以内。根据上文所述，不满足继电保护灵敏度要求，应选择更小的接地电阻值以增大单相接地短路电流。
分析限制单相接地短路电流大小的关键因素。
1)人身安全对接触电压的限制。
2)人身安全对跨步电压的限制。经计算，最大接地故障短路电流应小于8.8kA。
3)接地变压器和接地电阻等一次设备热稳定性的限制。
另外，计算20kV电网中性点经不同电阻接地时单相接地短路电流(考虑接地变压器阻抗)，如表3所示。
结合表3可知，第2)点不影响小电阻值选择。根据变电站设计规范要求，需考虑接地故障最长隔离时间条件下接地电流所产生的接触电压对人身安全的影响。按保护切除20kV接地故障最长时间1.8s计算，最大接地故障短路电流应限制小于1600A。结合表3确定小电阻阻值为5Ω。经咨询设备制造商，可生产满足热稳定要求的接地变压器和小电阻。因此，知识城20kV花瓣型电网中性点经5Ω小电阻接地。
5. 保护与控制方案
5.1 新加坡及国内典型花瓣型配电网保护方案
新加坡20kV花瓣型配电网中，环网线路配置有主保护单套导引线差动保护和定时限相过流、定时限零序过流保护;20kV配电房出线配置定时限相过流、定时限零序过流保护。环网线路上发生故障时，由主保护瞬时隔离故障，主保护拒动或检修退出时则由后备保护切除故障。20kV配电房出线故障时，由相应间隔的后备保护切除故障。
江苏苏州供电公司20kV花瓣型配电网中，环网线路配置有光纤纵联差动保护和定时限相过流、定时限零序过流保护，20kV配电房各出线间隔独立配置定时限相过流、定时限零序过流保护。故障隔离过程与新加坡20kV花瓣型配电网类似，不再赘述。
江苏泰州供电公司10kV花瓣型配电网中，选择基于配电自动化实现故障隔离。由各配电房内配电自动化终端(简称DTU)构成联动式方向过流保护，在环网线路故障时快速确定故障区域，跳开故障线路两侧断路器隔离故障。
5.2 广州花瓣型配电网保护欲控制方案
5.2.1 保护方案
广州20kV花瓣型配电网保护方案如图5所示。图中，20kV环网中变电站与配电房之间或两配电房之间的联络线路配置光纤纵联电流差动保护，作为反映线路相间和接地故障的主保护。各配电房配置1台一体化配电终端，作为配电房内进出线间隔的相间和接地后备保护。
图5 继电保护配置示意图
以上继电保护方案，可满足20kV环网故障最小范围隔离的要求。方案中后备保护主要解决以下问题：①当故障点经过渡电阻接地，零序电流较小，光纤纵联电流差动保护无灵敏度;②光纤纵联电流差动保护退出或拒动;③配电房断路器拒动;④配电房母线故障。
5.2.2 控制方案
目前，新加坡和国内花瓣运行时未考虑备自投功能。知识城20kV花瓣因两路电源来自于同一段20kV母线，在主变压器、变低母线等“-1”时会全部失压。
本文1.2已论述仅在联络配电房配置常规备自投无法满足需求，因此针对知识城20kV花瓣提出区域备自投。
区域备自投主要是通过变电站20kV区域控制主站装置与配电房一体化配电终端装置及花瓣间联络线保护装置之间的通信完成。配电房一体化配电终端主要上送母线有压、无压标志和花瓣环线开关位置、无流标志及后备保护动作信号供20kV区域控制主站判断花瓣环网上的故障，同时接收20kV区域控制主站跳花瓣环线开关及过负荷减载切馈线的命令;花瓣间联络线保护装置主要接收对侧联络线配电房的母线有压标志、联络线开关位置、对侧花瓣过载切负荷命令，同时接收20kV区域控制主站合联络线开关及过载切对侧花瓣负荷命令。
1)正常供电方式下，220kV变压器故障、20kV母线“-1”故障会导致所供花瓣失压，区域备自投通过合花瓣间联络线恢复供电。
2)环网线路检修导致花瓣开环运行时，若花瓣内发生故障，光纤电流差动保护正确动作隔离故障，区域备自投通过合花瓣间联络线恢复供电。
该区域备自投方案实现了“实时采集、实时判别、实时控制”，能自动适应电网运行方式变化。
6. 结语
本文介绍了广州20kV花瓣型配电网基本情况并对其建设过程中遇到的若干技术问题进行了详细讨论，得出以下结论：
1)20kV花瓣型配电网在一次设备选型时，应注意短路电流超标问题。选择高阻抗变压器并控制其额定容量，以增大变压器阻抗，限制三相短路电在25kA以内，以便选择成熟、可靠的20kV断路器设备。
2)20kV花瓣两路电源因三相短路电流太大被迫采用同一变低的同一段20kV母线。
3)20kV电网中性点选择经5Ω小电阻接地，该阻值兼顾了保护灵敏度和人身安全等多方面因素，较为合理。
4)20kV花瓣采用光纤纵联电流差动保护、一体化配电终端和区域备自投作为保护与控制方案，可满足最小范围内隔离故障的要求。
20kV花瓣型配电网本质上是合环运行的配电网，本文所提问题及解决方案对10kV电压等级合环电网也有借鉴意义。