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【摘 要】文中综述了目前我国配电网络电压等级的运行现状及存在的弊端，通过技术、经济两层面的可行性分析论证，提出了优化现行中压配电网、宜采用20kV电压等级的发展方向。阐明了随着国民经济蓬勃发展和人民生活用电量的快速持续递增，负荷密度较893726112大的区域不断涌现，配电网建设必须优化配置电压等级序列、简化变电层次、倡导节能降耗、提高配电电压等级；另结合我国国情，明确了推行220（110）/20/0.4kV配电电压制的实施建议及其过渡方法。
【关键词】中压配电网络；电压等级；优化配置
1我国电网的发展及改造
我国电网的发展改造，是随着用电需求的增长和负荷密度的增加而进行的，其电压等级经历了长时间的调整时期。建国以来，我国电网交流电压等级有200V（受端电压190V、相电压110V）、400V（受端电压380V、相电压220V）、2.2kV（额定电压、下同）、3.3kV、6.6kV、10kV、20kV、35kV、66kV、77kV、110kV、154kV、220kV、330kV、500kV等十多种；20世纪70年代，我国完成了将众多且繁杂的中压配电电压（2.2kV、3.3kV、5.2kV、6kV、13.2kV）等统一为10kV的工作，全国各地区中压配电电压得到统一。随后，各地首先从原有供电区开始，将分割的地区配电网扩大成以城市为中心的统一的配电网络；除东北地区为500/220/66/10kV、西北地区为330/110/10kV外，其他地区各级电压的级差配合均为500/220/110/35/10kV；目前我国最高交流电压等级已达1000kV（长治---荆门线），已于08年投运。
我國直流电压等级有±50kV、±100kV、±400kV和±500kV、±660kV，前三种应用得少，目前我国已投运的最高直流电压等级已达±800kV（云南--广东线、向家坝--上海线），由南方电网公司和国家电网公司于2009至2010年分别建成。
在电力网发展的过程中，中压配电网起着承上启下的桥梁作用，其电压等级的选择经历了一个发展过程，促进了电网的发展，也是随着经济发展自然形成的必然趋势。
2我国配电网络的标准电压等级及运行状况
2.1现行配电网络的标准电压
规划一个国家或一个地区的电力发展时，确定配电网络中的电压等级是必须首先考虑的主要问题。目前，我国电力系统电压等级有220/380V（0.4kV）、3kV（不常用）、6kV（不常用）、10kV、20kV、35kV、66kV（不常用）、110kV、220kV、330kV（不常用）、500kV、1000kV。随着电机制造工艺的提高，10kV电动机已批量生产（3kV、6kV已较少使用），20kV、66kV也很少使用；供电系统以10kV、35kV为主；输配电系统以110kV以上为主。发电厂发电机有6kV与10kV两种，现在以10kV为主，用户均为220/380V（0.4kV）低压系统。我国自1981年开展城市配电网改造以来，电压等级已初步归为220/110（66、35）/（10，20）/0.38kV。
根据《城市电力网规定设计规则》规定：输电网为1000kV、500kV、330kV、220kV、110kV，高压配电网为220kV、110kV、66kV（农电），中压配电网为20kV、10kV、6kV，低压配电网为0.4kV（220V/380V）。
2.2现行配电网络的运行情况及存在问题
目前，除东北地区实行500/220/66/10/0.4kV五级电压制外，我国大都采用500/330（220）/110/35/10/0.4kV六级电压制。在电力网发展的过程中，中压配电网起着承上启下的桥梁作用；我国现行中压配电网，城市以10kV电压等级为主，农村以10kV或35kV电压等级为主。随着国民经济高速发展和人民生活用电需求的增长，用电负荷日益提高，现行传统的110kV/35kV/10kV配电网络的缺点日益突出，电力供需矛盾不断加剧，现将我国中压配电网运行中日益突显出来的主要问题归纳如下：
2.2.1供电半径不足，难以扩建发展
10kV线路供电半径，在负荷密度为20～30kW/km2时不足8km。受负荷大小与供电半径约束，每平方公里需要建1～2座110kV降压变电所。部分地区原有配电网络的供电能力不足，亟待扩建配电变电站，在电力负荷增长较快地区，负荷的增加必然导致配电变电站的扩建。
2.2.2难以满足高负荷密度用户供电需求
随着经济快速发展，用电负荷骤增，出现了许多机场、学校、居民小区、商业娱乐中心、厂矿以及高层建筑等高负荷密度的用电户，这些用电户受供电电压与导线截面约束，10kV配电线路数目巨大。因而在设备投资、基建占地、线路走廊、网架结构、运行管理以及降损节能等方面都不可避免地出现许多难题，且其建设协调难度大、实施困难。
2.2.3配电线损大，电能质量差
随负荷的迅速增加，损耗呈快速增加态势。目前农村10kV配电网线损率大都在10%以上，线路过长，末端电压过低，配变长期处于低电压运行。
上述呈现的网络容载比比较低、供电半径小、供配电能力不足、供电可靠性差、线路损耗居高不下的缺陷，暴露出现行电网配网等级、变电层次、布局结构等方面不适应与不合理性的存在。
2.3优化现行配电电压等级的必要性
电压等级的确定是一个综合性问题，除考虑供电容量、供电距离、运行方式外，还应考虑电压质量、功率损失，以及减少变电重复容量，简化电压等级等方面。电压等级的确定与组合，尤其是中压配电电压的确定，对于简化电压等级、减少变电层次、合理优化网络结构和提高配电网运行的经济性是非常重要的环节。
现行的配电系统从供电能力、供电距离及线路损耗等方面均难以适应负荷发展的需求。优化10kV配电网、推行20kV中压配电网已势在必行。目前，“提高输电电压，高压深入城市负荷中心，简化电压等级，减少中间变压层次，提高配电电压”已逐步形成了各地区改造城网的指导思想。 3国内外中压配电网运行状况
20kV中压配电网介于10kV中压配电网与35kV高压配电网之间，经过反复研讨和多方论证，现国标GB156-2007《标准电压》中已列入20kV电压等级。目前，世界上已有数十个国家和地区将20kV电压等级作为中压配电网的标准电压，并已列入国际电工委员会标准，已具有非常成熟的技术和经验。
3.1国外采用20kV配电网运行情况
国外中压配电网现已普遍采用20kV配电电压，如法国、英国、意大利、俄罗斯、德国、美国、日本、印度等17个国家20kV电网现已运行多年；东南亚14个国家中已有新加坡、马来西亚、韩国等9个国家采用20kV电网供电，我国台湾也采用20kV电网供电。
法国配电网中早期为3kV、5.5kV、15kV、22kV、30kV电压并存，后来确定为15kV为标准电压，其余被淘汰。后经进一步研究确认20kV代替15kV可使配电网传输能力显著提高，增加的费用不大，所以又决定在新建配电网中采用20kV，逐步淘汰了15kV。
因此，法国电力公司（EDF）自从1961年规定20kV为城网中压系统唯一标准电压，此后新建电厂设计都采用此电压等级，20世纪90年代初约有2/3配网运行于20kV，其余配网运行于老的15kV，并将逐渐改造成20kV。
3.2国内采用20kV配电网运行情况
在我国，20kV电压等级早在1993年就已经被纳入我国的标准电压等级，而且一直以来国内很多专家学者都呼吁把大中城市的配电电压升级到20kV的电压水平，但是迄今为止该电压等级还没有得到很大的应用，只有在部分地区应用。
如辽宁省本溪市南芬区农电局自2003年4月至2004年4月，对南芬变电站原66/10kV进行了升压至66/20kV的改造；本溪供电公司电力设备制造公司自行设计制造出S-315/20型配电变压器，并通过了鉴定。
江苏省苏州工业园区。为了确定园区采用哪一级电压等级更为合适，1993年苏州电力局特意委托中国电机工程学会城市专委会进行专题论证，选用的降压层次为：220/110/20kV-20/0.4kV或110/20kV-20/0.4kV；现已在园区中建有2个220kV变电站（220/110/20kV）和3个110kV变电站（110/20kV），最终负荷将达到303万kW，区内平均负荷密度可达3～5万kW/km2，满足了现代高新技术园区集人口、商业、工业于一体的电力负荷密集地区可靠供电的需求。
上海轨道交通、地铁和轻轨均采用20kV中压配电电压等级。
云南昆明“世纪城”，其集住宅、公建和商贸于一体，预计该工程建成后电力负荷将达8.65万kW。2004年，经供用电专委会对其进行了20kV适配性的论证，最终选定20kV中压配电网。
以上工程通过策划、设备选用、直至现在的运行，实践已证明：推行20kV中压配电网进展顺利、事故率低、可靠性高、网损率低。
4优化中压配电网采用20kV电压等级的技术经济分析论证
4.1现行中压配电网运行模式问题的分析
目前，我国绝大多数地区是以110/35/10/0.38kV四级电压层次作为高、中、低配电电压模式。其中高压配电网电压等级为110kV和35kV；中压配电网以10kV为主要电压等级。城市配电网绝大多数用户采用10/0.38kV，部分厂矿生产需要大容量电动机的用户采用35/0.38kV；农村配电网大多数采用10/0.38kV或35/10/0.38kV供电电压模式。随着用电负荷密度的日益提高，现行110/10kV、35/10kV供电模式的不适应性问题，现已日渐突显出来。
城市地域有限，增加变电所落点问题难以协调，110kV线路敷设走廊更为困难；有的新建变电所10kV出线也相当困难。如果变电所增大变压器容量，就导致短路电流居高不下。
现我国正处现代经济快速发展时期，城市规划、市政建设不允许线路太多，既要落实供电的可靠性，又需要“N-1”供电接线方式，矛盾突出。有的用户拟定采用35kV供电余度太大，投资过高；若采用10kV供电，其回路数过多，主接线、出线回路走廊均存在问题。
例如某机场用电，因其负荷容量大、供电可靠性要求高；若采用四回10kV线路供电，10kV分两段，每段设置两回主进线，其主回路保护和备自投逻辑关系繁杂，既操作不灵活又易产生误动作；若采用20kV供电，只需两回主进线分段运行即可，操作运行既简便可靠，其电气与机械互锁又易实现。
农村地域空旷，居住点分散，供电半径大；采用传统10kV供电，其线路损耗大、电压压降大、供电电压质量差。如果采用35kV配电，存在造价高、线路走廊大、占地多、征地难、变电所进出线困难等诸多弊端。即使从发展的眼光看，也不可能用35kV直接配电到中小用户；如果要满足主干网及重要用户“N-1”、“N-2”供电接线方式的要求，则上述问题更为突出。
鉴于上述，若采用20kV配电，既能实现可靠供电，又能简化供电电压层次、减少线路通道拥挤、变电站多、管理层次繁琐等诸多问题，故采用20kV配电应有绝对优势。下面就中压配电网采用20kV电压等级，从理论技术、经济实效两个层面展开可行性分析论证。
4.2理论技术方面的可行性分析
4.2.1供电半径的分析比较
下图为“允许供電半径与负荷密度的关系曲线”，由下图可以看出20kV介于35kV与10kV之间，略偏向10kV曲线侧。在供电半径为3km处，20kV配电负荷可达1.6MW/km2，而10kV仅为0.4MW/km2，相差4倍，可减少其电压损耗，可用于城区负荷密度较大或农村配电网分散负荷供电。
因此在参数可比条件下，20kV供电半径是10kV的3～4倍，可少建变电所，对解决规划落点征地困难的问题也相对容易些。 图 允许供电半径与负荷密度的关系
4.2.2传输容量的分析比较
在相同规格导线、相同供电距离的条件下，输电线路的传输容量可以表示为：。式中：为额定电压；为额定电流。
在相同的线路规格和传输电流情况下，则有：
式中：S为输电容量，U为电压，I为电流；下标10和20分别表示10kV和20kV电压等级下的量，下面出现相似变量的意义与此雷同。
上述推出20kV为10kV配送容量的2倍。即20kV单回线路相当于10kV单回线路供电容量的2倍；20kV线路回路数可比10kV少，解决了出线回路多、协调难度大的问题；适用于城市高密度负荷区配电网的供电。
4.2.3电压降落的分析比较
输电线路的电压降可以表示为：ΔU%式中：ΔU%表示电压压降；P、Q、R和X分别为有功、无功、电阻和电抗。
在相同的负荷下，则有：
上述结论为：在设备不变（相同负荷）的条件下，U%与U2成反比，20kV电压配电线路电压降落仅为10kV的1/4。
4.2.4配电线损的分析比较
电力线路输送功率将产生功率损耗和电能损耗，其大小取决于送电电压、输送距离、负荷功率因数，并与导线的规格有关。线路的有功损耗可以表示为：
式中：ΔP为有功损耗，cosφ为功率因数。
在相同的有功功率、线路参数与功率因素情况下，则有：
上述结论为：在相同的配电容量和线路参数条件下，20kV电压配电线路功率损耗仅为10kV的1/4。
因此，在可比参数的条件下，供电电压愈高，线损愈低，而且线损随电压的平方成反比例下降。所以在有条件的情况下，将10kV供电电压升压为20kV运行，即能大幅度降低线损。据初步估算，以中压配电网供电20MVA，最大负荷利用小时3000h计算，20kV电网电能损失只有10kV电网的17%，一年能减少137万kW.h，按平均电价0.55元/kW·h计算，能节约近75万元。
4.2.5导线截面的分析比较
导线截面积与导线输送容量、额定电压及导线经济电流密度之间有如下的关系：
式中：A表示导线截面积；Ij为导线经济电流密度。
经济电流密度为常量，在输送容量S不变的情况下，导线截面积只随电压变化。因此，在相同的负荷下，有如下结论：
4.2.6技术分析的指标参数对比
综上所述，在同样的负荷条件下，以10kV为基准，20kV和10kV的技术性能指标关系如下表所示。从表中可见，20kV电压等级在上述5个方面均优于10kV电压等级。
20kV和10kV技术性能指标对比表
电压等级（kV） 传输能力（%） 电压降落（%） 电能损耗（%） 导线截面（%）
20 200 25 25 50
10 100 100 100 100
4.3经济实效方面的可行性分析
由于20kV和10kV电压等级都处于中压，在技术性能指标要求上差异不大，因此设备造价区别并不大，基本设备的造价分析如下：
电力变压器：在同一容量下，20kV除出线套管用20kV级别外，其他与10kV并无区别，成本差别在5%之内。按国内报价估算20kV与10kV配电变压器（三相）造价比大体在1.02～1.20之间。
开关设备：两者都处于中压，开关属同一绝缘设备，开关结构基本相同，20kV造价比10kV稍高5%。按国内报价估算20kV开关柜与10kV开关柜造价比为1.2～1.4之间。
电力电缆：两者处同一绝缘水平，产品数据一样，成本一样；铜芯电缆价格比为1.15～1.17。可见如按同样的输送功率进行比较，则20kV的电缆造价仅为10kV的0.5～0.6。
架空输电线路：一般认为，在相同的导线截面积下，20kV与10kV架空线路的造价比在1.05～1.1之间。因此按相同输送功率计算，则20kV线路造价可低于10kV的造价。根据《电气设备安装规程》规定：10、20kV架空配电线路对地面、水面的允许高度是相同的。因此，现有10kV杆塔可直接用于20kV电压等级，更便于城乡电网的升压改造。
绝缘子：相比10kV的绝缘子，20kV要求较高，价格明显增加，但是绝缘子属低值品，对增加成本总量的影响不大。
设备制造和供给：行业制造部门认为，20kV输变配电设备的技术要求与10kV相比并无特殊技术要求之外，国内制造厂家现有的技术及生产条件都具备成熟条件，不必增加很多投资；只要用户需要，各类设备均可满足20kV输变配电设备的制造要求。20kV的设备国内厂家完全能够生产，不存在进口垄断的问题。
鉴于上述，在具有相同供电能力的条件下，新建变电所110/20kV与110/10kV供电电压模式相比，其设备总造价可降低15%左右，而其20kV用户设备总造价基本上与10kV用户设备总造价持平。
5推行中压配电网采用20kV电压等级的优越性
与传统10kV中压配电网相比，20kV配电网具有以下优势：
①简化电压层次由于增加变电层次会导致建设投资及网络损耗的增加（有分析与计算结果显示，每经过一次变压，有功损失会增加2%～3%），因此很多城市都在力求減少变压层次，如很多城市已经在限制35kV电压等级的使用。如果采用20kV电压等级的话，就可以直接用220/20kV或者110/20kV降压，从而减少变压层次。随着20kV电压等级的推行，对于城网配电来说，还可以考虑逐渐把10kV甚至35kV电压简化掉，把电压等级简化为220/110/20/0.4kV四级电压。
②电网容量、电损耗、供电半径、材料节省的优势。 从理论上说，20kV与10kV配电电压相比较，在其它条件不变情况下，其配电网容载比可提高一倍。
③提高电压质量经过理论推算可知，在同样输送功率条件、同等导线截面和架设方式下，20kV电压损耗较10kV减少一半，可保证更好的配电网电压质量。
④提高供电能力，增加供电半径经过简单计算可知，在同等导线截面和架设方式下，20kV配电供电能力较10kV提高1倍。其次在同等容量情况下，供电半径可扩大一倍。
⑤減少杆塔和变电站的布点密度，节约土地资源。
在额定电流与短路电流分别相同的条件下，采用20kV比采用10kV可扩大变电站1倍的容量；在同一地区可使降压变电站的数量减半，从而减少投资成本；同时变电站配电出线回路数也可减半，可避免由于出线过多带来的通道路径困难问题，也减少城网的杆塔数及其占地数量。
20kV与10kV电压同处于中压电压等级，技术要求并无多大差异，仅线间距离及导线对横担或杆塔等的要求略大些，实施起来并不困难，仅需将线间距离由0.9m增至1.15m，在升压改造时只需调换瓷瓶与横担即可。
新建线路按20kV电压等级标准选择瓷瓶、横担、配电变压器，增加费用不大，但经济效益、节能效果显著。对需要新建变电站的地方应建110kV变电站，选用110/20kV变压器，直接降至04kV电压，可避免35/10/04kV两次降压，减少了变电层次，降低电能损耗，节约设备投资、年运行费及维护工作量，减少电力设施所占的通道及土地面积。
6推行中压配电网采用20kV电压等级的制约因素
配电电压等级的选用涉及面非常广，受本地区电网历史发展的影响很大，同时也受配电网现有运行维护技术和管理人员思路等方面的限制，受到的制约因素很多。
①中压配电网在电网中起着承上启下的桥梁作用，在负荷密集区引入20kV电压就要对110kV变电站主变和中压配电室进行更换改造。在现有高密度负荷中心城区，如此规模的改造在经济上是不可行的；在技术上做好过渡方案也是难以保证的。
②配电网是电网的末端环节，要过渡到20kV电压等级，用电客户的设备资产改造势在必行，让客户自身投资进行改造难度太大，因此推行20kV电压等级除了行业要出台相关可行性政策外，电力公司对客户设备进行改造需要投资。
③国内大部分地区缺乏20kV电压等级建设运行经验。
虽然20kV电压配电技术成熟，但仍有一些基础性的技术问题存在，如变电站中性点运行方式、配电变压器的接线方式等尚待研究与应用。对于全电缆出线或者少数绝缘架空出线，可以选择20kV中性点经小电阻接地，配电网绝缘水平为50kV；对于架空出线较多的地区，20kV中性点需经过消弧线圈接地，以确保供电可靠性的要求；根据国际要求，此时设备对地绝缘水平将提升到65kV，这意味着全配电网绝缘水平的提高，从而使设备成本大幅上涨。
④电网等级改造的难度
近些年来，各地电网公司大力投入了城市改造和农村电网建设，10kV配电网已形成规模，用户多且分布广泛，一次性彻底改造为20kV配电网难度大。而且在一段时间内20kV配电网还不能形成网状结构，导致20kV线路互供的灵活性较低，对供电可靠性将会有一定的影响。这就决定了中压配电网的电压等级由10kV过渡到20kV是一个长期的循序渐进的过程，需从小区域逐步扩大供电面积。
7结语
尽管新增加一个电压等级的制约因素很多，但20kV配电依其卓越的经济性、技术性，已成为中压配电网发展的必然趋势，其可行性已在国内外得到充分实践。
近年来，随着国民经济的快速发展和电力负荷的迅猛增长，各地区新型开发区的持续涌现，各地区电网建设投资规模也持续增大，为推广20kV电压等级的应用提供了历史契机，同时20kV配电设备也得到广泛应用。
目前推行20kV电压等级，符合国家建设资源节约型、环境美好社会和谐型的国策，既利于节能降耗、节约耕地，又避免出线走廊过于拥挤的矛盾，利国利民；同时，有利于我国电网与国际接轨，简化电压等级，优化电网结构。
在推行20kV电压等级的中压配电网过程中，应当遵循“统筹兼顾、制定规划，抓住时机、搞好试点，因地制宜、逐步过渡”的原则。同时，建议如下：
①针对城市负荷密度比较高（如工业园区、市商业中心等）和农村负荷密度低且较分散的情况，宜采用20kV配电电压。
②对于20kV配网的边缘地区或与10kV配网的交界处，采用哪种配电电压，应根据经济效益来确定，不要按区域“一刀切”。
③城市电网已建成10kV配网，特别是通过近几年的城网改造，供电能力已强的地区，无需再将10kV配网改造为20kV配网。
由于现全国大部分地区缺乏20kV电压等级建设运行经验。因此，建议考虑在一定范围内进行20kV配电电压等级试点推行，试点范围的选择优先在负荷密度较大的城市新兴区域，特别是目前电网规划已为高新技术或经济开发区的区域；也可在局部农网进行试点，范围不宜太小，以免影响区域内客户的供电可靠性。
对新建装接容量在2000～5000kvA的高科技区域，更宜采用20kV配网，其负荷密度可达50MW/km2，达到了有效降低线损、提高供电能力、确保供电质量目的。
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[6]孙西骅，城市电网改造与推广20kV中压配电的问题[J].河南电力.1995.（4）.
作者简介：
王群芳，女，湖北省水利水电规划勘测设计院，高级工程师，主要从事水电项目电气专业设计；本科，武汉水利电力大学电力系统及其自动化专业
姜树斌，男，湖北省武汉市供电公司，高级工程师，主要从事配电运行管理及其设计；本科，武汉大学电气工程专业。
【关键词】中压配电网络；电压等级；优化配置
1我国电网的发展及改造
我国电网的发展改造，是随着用电需求的增长和负荷密度的增加而进行的，其电压等级经历了长时间的调整时期。建国以来，我国电网交流电压等级有200V（受端电压190V、相电压110V）、400V（受端电压380V、相电压220V）、2.2kV（额定电压、下同）、3.3kV、6.6kV、10kV、20kV、35kV、66kV、77kV、110kV、154kV、220kV、330kV、500kV等十多种；20世纪70年代，我国完成了将众多且繁杂的中压配电电压（2.2kV、3.3kV、5.2kV、6kV、13.2kV）等统一为10kV的工作，全国各地区中压配电电压得到统一。随后，各地首先从原有供电区开始，将分割的地区配电网扩大成以城市为中心的统一的配电网络；除东北地区为500/220/66/10kV、西北地区为330/110/10kV外，其他地区各级电压的级差配合均为500/220/110/35/10kV；目前我国最高交流电压等级已达1000kV（长治---荆门线），已于08年投运。
我國直流电压等级有±50kV、±100kV、±400kV和±500kV、±660kV，前三种应用得少，目前我国已投运的最高直流电压等级已达±800kV（云南--广东线、向家坝--上海线），由南方电网公司和国家电网公司于2009至2010年分别建成。
在电力网发展的过程中，中压配电网起着承上启下的桥梁作用，其电压等级的选择经历了一个发展过程，促进了电网的发展，也是随着经济发展自然形成的必然趋势。
2我国配电网络的标准电压等级及运行状况
2.1现行配电网络的标准电压
规划一个国家或一个地区的电力发展时，确定配电网络中的电压等级是必须首先考虑的主要问题。目前，我国电力系统电压等级有220/380V（0.4kV）、3kV（不常用）、6kV（不常用）、10kV、20kV、35kV、66kV（不常用）、110kV、220kV、330kV（不常用）、500kV、1000kV。随着电机制造工艺的提高，10kV电动机已批量生产（3kV、6kV已较少使用），20kV、66kV也很少使用；供电系统以10kV、35kV为主；输配电系统以110kV以上为主。发电厂发电机有6kV与10kV两种，现在以10kV为主，用户均为220/380V（0.4kV）低压系统。我国自1981年开展城市配电网改造以来，电压等级已初步归为220/110（66、35）/（10，20）/0.38kV。
根据《城市电力网规定设计规则》规定：输电网为1000kV、500kV、330kV、220kV、110kV，高压配电网为220kV、110kV、66kV（农电），中压配电网为20kV、10kV、6kV，低压配电网为0.4kV（220V/380V）。
2.2现行配电网络的运行情况及存在问题
目前，除东北地区实行500/220/66/10/0.4kV五级电压制外，我国大都采用500/330（220）/110/35/10/0.4kV六级电压制。在电力网发展的过程中，中压配电网起着承上启下的桥梁作用；我国现行中压配电网，城市以10kV电压等级为主，农村以10kV或35kV电压等级为主。随着国民经济高速发展和人民生活用电需求的增长，用电负荷日益提高，现行传统的110kV/35kV/10kV配电网络的缺点日益突出，电力供需矛盾不断加剧，现将我国中压配电网运行中日益突显出来的主要问题归纳如下：
2.2.1供电半径不足，难以扩建发展
10kV线路供电半径，在负荷密度为20～30kW/km2时不足8km。受负荷大小与供电半径约束，每平方公里需要建1～2座110kV降压变电所。部分地区原有配电网络的供电能力不足，亟待扩建配电变电站，在电力负荷增长较快地区，负荷的增加必然导致配电变电站的扩建。
2.2.2难以满足高负荷密度用户供电需求
随着经济快速发展，用电负荷骤增，出现了许多机场、学校、居民小区、商业娱乐中心、厂矿以及高层建筑等高负荷密度的用电户，这些用电户受供电电压与导线截面约束，10kV配电线路数目巨大。因而在设备投资、基建占地、线路走廊、网架结构、运行管理以及降损节能等方面都不可避免地出现许多难题，且其建设协调难度大、实施困难。
2.2.3配电线损大，电能质量差
随负荷的迅速增加，损耗呈快速增加态势。目前农村10kV配电网线损率大都在10%以上，线路过长，末端电压过低，配变长期处于低电压运行。
上述呈现的网络容载比比较低、供电半径小、供配电能力不足、供电可靠性差、线路损耗居高不下的缺陷，暴露出现行电网配网等级、变电层次、布局结构等方面不适应与不合理性的存在。
2.3优化现行配电电压等级的必要性
电压等级的确定是一个综合性问题，除考虑供电容量、供电距离、运行方式外，还应考虑电压质量、功率损失，以及减少变电重复容量，简化电压等级等方面。电压等级的确定与组合，尤其是中压配电电压的确定，对于简化电压等级、减少变电层次、合理优化网络结构和提高配电网运行的经济性是非常重要的环节。
现行的配电系统从供电能力、供电距离及线路损耗等方面均难以适应负荷发展的需求。优化10kV配电网、推行20kV中压配电网已势在必行。目前，“提高输电电压，高压深入城市负荷中心，简化电压等级，减少中间变压层次，提高配电电压”已逐步形成了各地区改造城网的指导思想。 3国内外中压配电网运行状况
20kV中压配电网介于10kV中压配电网与35kV高压配电网之间，经过反复研讨和多方论证，现国标GB156-2007《标准电压》中已列入20kV电压等级。目前，世界上已有数十个国家和地区将20kV电压等级作为中压配电网的标准电压，并已列入国际电工委员会标准，已具有非常成熟的技术和经验。
3.1国外采用20kV配电网运行情况
国外中压配电网现已普遍采用20kV配电电压，如法国、英国、意大利、俄罗斯、德国、美国、日本、印度等17个国家20kV电网现已运行多年；东南亚14个国家中已有新加坡、马来西亚、韩国等9个国家采用20kV电网供电，我国台湾也采用20kV电网供电。
法国配电网中早期为3kV、5.5kV、15kV、22kV、30kV电压并存，后来确定为15kV为标准电压，其余被淘汰。后经进一步研究确认20kV代替15kV可使配电网传输能力显著提高，增加的费用不大，所以又决定在新建配电网中采用20kV，逐步淘汰了15kV。
因此，法国电力公司（EDF）自从1961年规定20kV为城网中压系统唯一标准电压，此后新建电厂设计都采用此电压等级，20世纪90年代初约有2/3配网运行于20kV，其余配网运行于老的15kV，并将逐渐改造成20kV。
3.2国内采用20kV配电网运行情况
在我国，20kV电压等级早在1993年就已经被纳入我国的标准电压等级，而且一直以来国内很多专家学者都呼吁把大中城市的配电电压升级到20kV的电压水平，但是迄今为止该电压等级还没有得到很大的应用，只有在部分地区应用。
如辽宁省本溪市南芬区农电局自2003年4月至2004年4月，对南芬变电站原66/10kV进行了升压至66/20kV的改造；本溪供电公司电力设备制造公司自行设计制造出S-315/20型配电变压器，并通过了鉴定。
江苏省苏州工业园区。为了确定园区采用哪一级电压等级更为合适，1993年苏州电力局特意委托中国电机工程学会城市专委会进行专题论证，选用的降压层次为：220/110/20kV-20/0.4kV或110/20kV-20/0.4kV；现已在园区中建有2个220kV变电站（220/110/20kV）和3个110kV变电站（110/20kV），最终负荷将达到303万kW，区内平均负荷密度可达3～5万kW/km2，满足了现代高新技术园区集人口、商业、工业于一体的电力负荷密集地区可靠供电的需求。
上海轨道交通、地铁和轻轨均采用20kV中压配电电压等级。
云南昆明“世纪城”，其集住宅、公建和商贸于一体，预计该工程建成后电力负荷将达8.65万kW。2004年，经供用电专委会对其进行了20kV适配性的论证，最终选定20kV中压配电网。
以上工程通过策划、设备选用、直至现在的运行，实践已证明：推行20kV中压配电网进展顺利、事故率低、可靠性高、网损率低。
4优化中压配电网采用20kV电压等级的技术经济分析论证
4.1现行中压配电网运行模式问题的分析
目前，我国绝大多数地区是以110/35/10/0.38kV四级电压层次作为高、中、低配电电压模式。其中高压配电网电压等级为110kV和35kV；中压配电网以10kV为主要电压等级。城市配电网绝大多数用户采用10/0.38kV，部分厂矿生产需要大容量电动机的用户采用35/0.38kV；农村配电网大多数采用10/0.38kV或35/10/0.38kV供电电压模式。随着用电负荷密度的日益提高，现行110/10kV、35/10kV供电模式的不适应性问题，现已日渐突显出来。
城市地域有限，增加变电所落点问题难以协调，110kV线路敷设走廊更为困难；有的新建变电所10kV出线也相当困难。如果变电所增大变压器容量，就导致短路电流居高不下。
现我国正处现代经济快速发展时期，城市规划、市政建设不允许线路太多，既要落实供电的可靠性，又需要“N-1”供电接线方式，矛盾突出。有的用户拟定采用35kV供电余度太大，投资过高；若采用10kV供电，其回路数过多，主接线、出线回路走廊均存在问题。
例如某机场用电，因其负荷容量大、供电可靠性要求高；若采用四回10kV线路供电，10kV分两段，每段设置两回主进线，其主回路保护和备自投逻辑关系繁杂，既操作不灵活又易产生误动作；若采用20kV供电，只需两回主进线分段运行即可，操作运行既简便可靠，其电气与机械互锁又易实现。
农村地域空旷，居住点分散，供电半径大；采用传统10kV供电，其线路损耗大、电压压降大、供电电压质量差。如果采用35kV配电，存在造价高、线路走廊大、占地多、征地难、变电所进出线困难等诸多弊端。即使从发展的眼光看，也不可能用35kV直接配电到中小用户；如果要满足主干网及重要用户“N-1”、“N-2”供电接线方式的要求，则上述问题更为突出。
鉴于上述，若采用20kV配电，既能实现可靠供电，又能简化供电电压层次、减少线路通道拥挤、变电站多、管理层次繁琐等诸多问题，故采用20kV配电应有绝对优势。下面就中压配电网采用20kV电压等级，从理论技术、经济实效两个层面展开可行性分析论证。
4.2理论技术方面的可行性分析
4.2.1供电半径的分析比较
下图为“允许供電半径与负荷密度的关系曲线”，由下图可以看出20kV介于35kV与10kV之间，略偏向10kV曲线侧。在供电半径为3km处，20kV配电负荷可达1.6MW/km2，而10kV仅为0.4MW/km2，相差4倍，可减少其电压损耗，可用于城区负荷密度较大或农村配电网分散负荷供电。
因此在参数可比条件下，20kV供电半径是10kV的3～4倍，可少建变电所，对解决规划落点征地困难的问题也相对容易些。 图 允许供电半径与负荷密度的关系
4.2.2传输容量的分析比较
在相同规格导线、相同供电距离的条件下，输电线路的传输容量可以表示为：。式中：为额定电压；为额定电流。
在相同的线路规格和传输电流情况下，则有：
式中：S为输电容量，U为电压，I为电流；下标10和20分别表示10kV和20kV电压等级下的量，下面出现相似变量的意义与此雷同。
上述推出20kV为10kV配送容量的2倍。即20kV单回线路相当于10kV单回线路供电容量的2倍；20kV线路回路数可比10kV少，解决了出线回路多、协调难度大的问题；适用于城市高密度负荷区配电网的供电。
4.2.3电压降落的分析比较
输电线路的电压降可以表示为：ΔU%式中：ΔU%表示电压压降；P、Q、R和X分别为有功、无功、电阻和电抗。
在相同的负荷下，则有：
上述结论为：在设备不变（相同负荷）的条件下，U%与U2成反比，20kV电压配电线路电压降落仅为10kV的1/4。
4.2.4配电线损的分析比较
电力线路输送功率将产生功率损耗和电能损耗，其大小取决于送电电压、输送距离、负荷功率因数，并与导线的规格有关。线路的有功损耗可以表示为：
式中：ΔP为有功损耗，cosφ为功率因数。
在相同的有功功率、线路参数与功率因素情况下，则有：
上述结论为：在相同的配电容量和线路参数条件下，20kV电压配电线路功率损耗仅为10kV的1/4。
因此，在可比参数的条件下，供电电压愈高，线损愈低，而且线损随电压的平方成反比例下降。所以在有条件的情况下，将10kV供电电压升压为20kV运行，即能大幅度降低线损。据初步估算，以中压配电网供电20MVA，最大负荷利用小时3000h计算，20kV电网电能损失只有10kV电网的17%，一年能减少137万kW.h，按平均电价0.55元/kW·h计算，能节约近75万元。
4.2.5导线截面的分析比较
导线截面积与导线输送容量、额定电压及导线经济电流密度之间有如下的关系：
式中：A表示导线截面积；Ij为导线经济电流密度。
经济电流密度为常量，在输送容量S不变的情况下，导线截面积只随电压变化。因此，在相同的负荷下，有如下结论：
4.2.6技术分析的指标参数对比
综上所述，在同样的负荷条件下，以10kV为基准，20kV和10kV的技术性能指标关系如下表所示。从表中可见，20kV电压等级在上述5个方面均优于10kV电压等级。
20kV和10kV技术性能指标对比表
电压等级（kV） 传输能力（%） 电压降落（%） 电能损耗（%） 导线截面（%）
20 200 25 25 50
10 100 100 100 100
4.3经济实效方面的可行性分析
由于20kV和10kV电压等级都处于中压，在技术性能指标要求上差异不大，因此设备造价区别并不大，基本设备的造价分析如下：
电力变压器：在同一容量下，20kV除出线套管用20kV级别外，其他与10kV并无区别，成本差别在5%之内。按国内报价估算20kV与10kV配电变压器（三相）造价比大体在1.02～1.20之间。
开关设备：两者都处于中压，开关属同一绝缘设备，开关结构基本相同，20kV造价比10kV稍高5%。按国内报价估算20kV开关柜与10kV开关柜造价比为1.2～1.4之间。
电力电缆：两者处同一绝缘水平，产品数据一样，成本一样；铜芯电缆价格比为1.15～1.17。可见如按同样的输送功率进行比较，则20kV的电缆造价仅为10kV的0.5～0.6。
架空输电线路：一般认为，在相同的导线截面积下，20kV与10kV架空线路的造价比在1.05～1.1之间。因此按相同输送功率计算，则20kV线路造价可低于10kV的造价。根据《电气设备安装规程》规定：10、20kV架空配电线路对地面、水面的允许高度是相同的。因此，现有10kV杆塔可直接用于20kV电压等级，更便于城乡电网的升压改造。
绝缘子：相比10kV的绝缘子，20kV要求较高，价格明显增加，但是绝缘子属低值品，对增加成本总量的影响不大。
设备制造和供给：行业制造部门认为，20kV输变配电设备的技术要求与10kV相比并无特殊技术要求之外，国内制造厂家现有的技术及生产条件都具备成熟条件，不必增加很多投资；只要用户需要，各类设备均可满足20kV输变配电设备的制造要求。20kV的设备国内厂家完全能够生产，不存在进口垄断的问题。
鉴于上述，在具有相同供电能力的条件下，新建变电所110/20kV与110/10kV供电电压模式相比，其设备总造价可降低15%左右，而其20kV用户设备总造价基本上与10kV用户设备总造价持平。
5推行中压配电网采用20kV电压等级的优越性
与传统10kV中压配电网相比，20kV配电网具有以下优势：
①简化电压层次由于增加变电层次会导致建设投资及网络损耗的增加（有分析与计算结果显示，每经过一次变压，有功损失会增加2%～3%），因此很多城市都在力求減少变压层次，如很多城市已经在限制35kV电压等级的使用。如果采用20kV电压等级的话，就可以直接用220/20kV或者110/20kV降压，从而减少变压层次。随着20kV电压等级的推行，对于城网配电来说，还可以考虑逐渐把10kV甚至35kV电压简化掉，把电压等级简化为220/110/20/0.4kV四级电压。
②电网容量、电损耗、供电半径、材料节省的优势。 从理论上说，20kV与10kV配电电压相比较，在其它条件不变情况下，其配电网容载比可提高一倍。
③提高电压质量经过理论推算可知，在同样输送功率条件、同等导线截面和架设方式下，20kV电压损耗较10kV减少一半，可保证更好的配电网电压质量。
④提高供电能力，增加供电半径经过简单计算可知，在同等导线截面和架设方式下，20kV配电供电能力较10kV提高1倍。其次在同等容量情况下，供电半径可扩大一倍。
⑤減少杆塔和变电站的布点密度，节约土地资源。
在额定电流与短路电流分别相同的条件下，采用20kV比采用10kV可扩大变电站1倍的容量；在同一地区可使降压变电站的数量减半，从而减少投资成本；同时变电站配电出线回路数也可减半，可避免由于出线过多带来的通道路径困难问题，也减少城网的杆塔数及其占地数量。
20kV与10kV电压同处于中压电压等级，技术要求并无多大差异，仅线间距离及导线对横担或杆塔等的要求略大些，实施起来并不困难，仅需将线间距离由0.9m增至1.15m，在升压改造时只需调换瓷瓶与横担即可。
新建线路按20kV电压等级标准选择瓷瓶、横担、配电变压器，增加费用不大，但经济效益、节能效果显著。对需要新建变电站的地方应建110kV变电站，选用110/20kV变压器，直接降至04kV电压，可避免35/10/04kV两次降压，减少了变电层次，降低电能损耗，节约设备投资、年运行费及维护工作量，减少电力设施所占的通道及土地面积。
6推行中压配电网采用20kV电压等级的制约因素
配电电压等级的选用涉及面非常广，受本地区电网历史发展的影响很大，同时也受配电网现有运行维护技术和管理人员思路等方面的限制，受到的制约因素很多。
①中压配电网在电网中起着承上启下的桥梁作用，在负荷密集区引入20kV电压就要对110kV变电站主变和中压配电室进行更换改造。在现有高密度负荷中心城区，如此规模的改造在经济上是不可行的；在技术上做好过渡方案也是难以保证的。
②配电网是电网的末端环节，要过渡到20kV电压等级，用电客户的设备资产改造势在必行，让客户自身投资进行改造难度太大，因此推行20kV电压等级除了行业要出台相关可行性政策外，电力公司对客户设备进行改造需要投资。
③国内大部分地区缺乏20kV电压等级建设运行经验。
虽然20kV电压配电技术成熟，但仍有一些基础性的技术问题存在，如变电站中性点运行方式、配电变压器的接线方式等尚待研究与应用。对于全电缆出线或者少数绝缘架空出线，可以选择20kV中性点经小电阻接地，配电网绝缘水平为50kV；对于架空出线较多的地区，20kV中性点需经过消弧线圈接地，以确保供电可靠性的要求；根据国际要求，此时设备对地绝缘水平将提升到65kV，这意味着全配电网绝缘水平的提高，从而使设备成本大幅上涨。
④电网等级改造的难度
近些年来，各地电网公司大力投入了城市改造和农村电网建设，10kV配电网已形成规模，用户多且分布广泛，一次性彻底改造为20kV配电网难度大。而且在一段时间内20kV配电网还不能形成网状结构，导致20kV线路互供的灵活性较低，对供电可靠性将会有一定的影响。这就决定了中压配电网的电压等级由10kV过渡到20kV是一个长期的循序渐进的过程，需从小区域逐步扩大供电面积。
7结语
尽管新增加一个电压等级的制约因素很多，但20kV配电依其卓越的经济性、技术性，已成为中压配电网发展的必然趋势，其可行性已在国内外得到充分实践。
近年来，随着国民经济的快速发展和电力负荷的迅猛增长，各地区新型开发区的持续涌现，各地区电网建设投资规模也持续增大，为推广20kV电压等级的应用提供了历史契机，同时20kV配电设备也得到广泛应用。
目前推行20kV电压等级，符合国家建设资源节约型、环境美好社会和谐型的国策，既利于节能降耗、节约耕地，又避免出线走廊过于拥挤的矛盾，利国利民；同时，有利于我国电网与国际接轨，简化电压等级，优化电网结构。
在推行20kV电压等级的中压配电网过程中，应当遵循“统筹兼顾、制定规划，抓住时机、搞好试点，因地制宜、逐步过渡”的原则。同时，建议如下：
①针对城市负荷密度比较高（如工业园区、市商业中心等）和农村负荷密度低且较分散的情况，宜采用20kV配电电压。
②对于20kV配网的边缘地区或与10kV配网的交界处，采用哪种配电电压，应根据经济效益来确定，不要按区域“一刀切”。
③城市电网已建成10kV配网，特别是通过近几年的城网改造，供电能力已强的地区，无需再将10kV配网改造为20kV配网。
由于现全国大部分地区缺乏20kV电压等级建设运行经验。因此，建议考虑在一定范围内进行20kV配电电压等级试点推行，试点范围的选择优先在负荷密度较大的城市新兴区域，特别是目前电网规划已为高新技术或经济开发区的区域；也可在局部农网进行试点，范围不宜太小，以免影响区域内客户的供电可靠性。
对新建装接容量在2000～5000kvA的高科技区域，更宜采用20kV配网，其负荷密度可达50MW/km2，达到了有效降低线损、提高供电能力、确保供电质量目的。
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作者简介：
王群芳，女，湖北省水利水电规划勘测设计院，高级工程师，主要从事水电项目电气专业设计；本科，武汉水利电力大学电力系统及其自动化专业
姜树斌，男，湖北省武汉市供电公司，高级工程师，主要从事配电运行管理及其设计；本科，武汉大学电气工程专业。