文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2018.S1.069
0 引言
經濟結構轉型和城市化進程對配電網建設提出了新要求。隨著我國城市化進程不斷推進，《國家新型城鎮化規劃（2014～2020年）》提出京津冀、長江三角洲等京津滬江浙等大都市的發展“以建設世界級城市群為目標”，“建設區域生態網絡”，“發揮其對全國經濟社會發展的重要支撐和引領作用”。《國務院關于加強城市基礎設施建設的意見》也要求“進一步加強城市配電網建設”。一流城市迫切需要一流配網支撐，配電網作為城市發展基礎設施，面臨新的發展機遇。
新能源發展和新技術應用對配電網建設起到了促進作用。隨著分布式清潔能源發電的推廣，電動汽車、電采暖和儲能等多元化負荷發展，配電網由“無源”變為“有源”，潮流由“單向”變為“雙向”，需要“源網荷”協調發展，是建設一流配電網的源動力。而伴隨“大、云、物、移”、增強現實技術（AR）、人工智能（AI）、虛擬現實技術（VR）、機器人、無人機等技術的發展和進步，配電網智能化發展技術基礎日益堅實，是建設一流配電網的助推力。
本文針對10座大型城市，開展世界一流城市配電網建設，范圍覆蓋市域10（20）千伏及以下電網。通過對比分析國網十座大型城市與東京巴黎新加坡等國際先進城市在配電網設備技術選型、配置原則、質量保障等方面的差異，結合配電網設備技術升級的發展方向，提出十座大型城市配電網設備水平的提升改進的探討。
1 現狀及差異分析
通過對國內外配電網裝備水平調研，對比分析國內10個重點城市與巴黎、東京、新加坡等世界典型發達城市配電網設備的異同，為一流城市配電網裝備水平提升指明方向。
近年來，配電變壓器建設改造力度較大，10個重點城市配變中，運行10年以下的配變占70%，在運配變主要型號有S9、S11、S13、SH15、SCB10和SCB12等。
據有關資料統計，近20年來干式變壓器得到了迅猛發展，隨著城市電纜化率的不斷提高和配電站房的普及，干式變壓器占比愈來愈大，如歐美發達國家已占50%以上；我國起步晚，近年約占到3%-5%，大中城市中約占20%-30%。
國內配電變壓器技術經濟指標已與國外處在同等水平，但配電變壓器作為電網終端產品，相對主變來說技術含量不高，入網門檻低，價格體系低，競爭激烈，部分廠家質量工藝要求降低或過程控制不到位，導致部分配變存在質量問題。從配電變壓器質量監督情況看，配電變壓器質量問題主要有：
（1）未按照設計圖紙、技術規范等設計制造，或制造工藝控制不佳，造成組部件尺寸偏差、變壓器內部存在異物、線圈存在毛刺、澆筑過程中真空不徹底、本體密封質量不良、絕緣缺陷、噪音偏高等問題。
（2）組部件或絕緣油材質控制不到位，導致密封件易老化、硅鋼片性能差、絕緣液試驗不合格、繞組直流電阻不合格、損耗大等問題。
（3）個別制造商為了節約成本，以次充好，偷工減料，存在以鋁代銅、使用二次硅鋼片和絕緣油等問題。
目前，國內配電線路架空絕緣化率較高的城市為廈門、寧波、杭州，分別為100%、94.32%和90.00%；配電線路電纜化率較高的城市為廈門、上海、北京，分別為74.71%、70.42%和57.77%。
架空絕緣導線主要由導體、絕緣組成，一般采用鋁絞線和承載型鋼芯鋁絞線做導體，常用的絕緣材料有交聯聚乙烯、聚氯乙烯和聚乙烯等。
中壓電纜主要由導體、絕緣、外護層組成。中低壓電纜生產工藝較成熟，一般采用銅做導體，交聯聚乙烯作為絕緣材料。
架空絕緣導線/電纜生產環節中大量使用的橡膠、聚氯乙烯等高分子化工材料等材料會對環境帶來影響，因此采用環境友好型電纜符合環保未來發展趨勢。
架空絕緣導線常見問題如下：
（1）雷擊斷線，由于雷擊短路故障，破壞絕緣層，造成導體熔斷事故；
（2）絕緣進水，導體氧化。在線路施工的終端、接口及“T”接頭處絕緣護層處理不當，水份進入絕緣內部，與導體發生氧化反應，產生氧化物并腐蝕導體。
（3）架空絕緣導線的質量問題主要為偏心度超標、直流電阻超標、絕緣收縮、絕緣熱延伸、導體直流電阻等試驗不合格。導致絕緣熱收縮不合格的主要原因，一是原材料質量不合格，如一些企業為降低成本，采用普通聚乙烯絕緣料代替交聯聚乙烯絕緣料；二是工藝控制不到位，如交聯不充分、擠出速度太快、擠出模具大等。導致絕緣熱延伸不合格的主要原因，一是原材料質量存在問題，如原材料不合格、混料不均勻、交聯劑配比不合適等；二是生產工藝控制不到位，如擠出溫度偏低、接枝不充分、溫水交聯時水溫偏低或溫度不均勻、交聯時間偏短等。導致直流電阻項目不合格主要原因，一是導體原材料材質不純，造成電阻率偏大；二是導體截面積偏小。
配電電纜常見問題有：
（1）電纜終端和中間接頭在制作過程中施工工藝不良破壞了電纜絕緣層，在運行過程造成絕緣擊穿；
（2）接頭壓接工藝不良造成接觸電阻增大，導致中間接頭過熱；接頭應力管長度不良，造成屏蔽層斷口處電場應力集中導致絕緣擊穿；
（3）接頭密封不嚴進入水氣，長期潮濕運行使絕緣發生水樹老化。
（4）電纜生產制造的質量問題主要為偏心度超標、直流電阻超標、絕緣收縮、絕緣熱延伸、導體直流電阻等試驗不合格。導致絕緣熱收縮不合格的主要原因，一是原材料質量不合格，如一些企業為降低成本，采用普通聚乙烯絕緣料代替交聯聚乙烯絕緣料；二是工藝控制不到位，如交聯不充分、擠出速度太快、擠出模具大等。導致絕緣熱延伸不合格的主要原因，一是原材料質量存在問題，如原材料不合格、混料不均勻、交聯劑配比不合適等；二是生產工藝控制不到位，如擠出溫度偏低、接枝不充分、溫水交聯時水溫偏低或溫度不均勻、交聯時間偏短等。導致直流電阻項目不合格主要原因，一是導體原材料材質不純，造成電阻率偏大；二是導體截面積偏小。
截至2016年底，10個城市配電自動化配置了5.3萬臺三遙終端、1.2萬臺二遙終端。其中南京、廈門的配電自動化覆蓋率較高，超過90%。
2 國內外差異分析
2.1 配電裝備差異分析
2.1.1 配電變壓器
配電變壓器方面，使用節能環保型配電變壓器是配變發展的新趨勢，美國、歐洲、日本等發達國家主要傾向于新型材料、新結構、新型工藝節能配變的研發及應用，相關技術水平較成熟，投運率較高。近年來，國內開始大規模應用非晶合金鐵心配電變壓器、立體卷鐵心配電變壓器、有載調容配電變壓器、13型及以上系列節能配變，且運行穩定性及經濟效益良好。
2.1.2 配電開關
配電開關技術方面，歐、美、日等發達國家受環境保護和能源政策以及現代新技術的驅動，配電開關技術發展很快。配電開關在國內一直未能得到有效重視，技術改進和研發支撐不夠，缺乏相應的技術政策與標準規范。國內大多數配電開關企業仍處于仿制、跟隨階段，缺乏核心技術，產品質量良莠不齊，在穩定性和可靠性方面與國際知名產品存在著較大差距。受成本和技術的雙重影響，國內配電開關產品的標準化程度低，互換性差，智能化程度低、一二次融合程度低。
配電開關應用趨勢方面，考慮到環境污染問題，目前國際上使用環保絕緣氣體替代SF6是一個發展方向，少維護或免維護的充氣柜也成為開關設備新的發展方向。歐美發達國家在戶內或運行環境較好的條件下較多使用空氣絕緣開關設備，戶外較多使用充氣式開關設備；日本較多使用固體絕緣或全密封充氣式開關設備，且基本已實現全覆蓋。近年來，環保型充氣柜及固體絕緣開關柜開始在國內試點應用，正在積累應用經驗。
2.1.3 配電終端
在配電終端方面，國外著名電力設備制造廠商（如ABB、GE、ALSTOM、SEL、Schneider等）均生產制造配電終端，但沒有統一的標準。國內目前終端已有了一系列的標準，規范了配電自動化終端的有序發展，同時各種新技術也應用于配電終端，提高了終端的運行水平。配電終端可靠性和可維護性有待提高。
2.1.4 配電線纜
在線纜方面，國內架空絕緣電纜普遍采用單芯型結構或平行集束結構，國外（非洲、南美洲、美國等）多采用多芯擰絞結構。另外國外單芯結構導體多采用鋁合金。
國內外對比結果來看，公司經營區世界一流城市配電網試點城市目前在運配電設備種類較多，通用性、互換性較差，存在部分配電設備和電纜質量參差不齊、缺陷多發等問題，配電網設備標準化程度與質量水平有待持續加強。
2.2 狀態檢測差異分析
法國巴黎和日本東京地區的配電網已經趨于成熟，供電可靠性達到了較高的水平，開關設備也已經趨于標準，因此狀態檢測技術應用與國內情況差別不大，目前僅檢測開關設備的位置及電流電壓信號，對于溫度、局放等狀態數據未大面積進行檢測。
新加坡大范圍開展了狀態檢測工作，并將其作為日常巡檢工作中的主要手段，目前已成為世界上狀態檢測應用最好的電網。新加坡電網雖然擁有比肩乃至超過東京、巴黎的電網架構和自動化策略，但在實施狀態檢測前平均停電時間也維持在幾分鐘級。新加坡主要的配網22千伏網架和輔助的6.6千伏網架設備主要采用了振蕩波、超聲波、地電波、紅外熱成像等離線狀態監測技術，及時監控運行設備的狀態，對電纜外護套耐壓試驗與路徑精細定位、進行0.1 Hz余弦方波交流耐壓試驗和電纜振蕩波局放測試。借助全面開展狀態檢測后，80%采用狀態監測，20%采用檢修維護，大量缺陷隱患可以被提前發現，將被動故障搶修轉變為計劃檢修，極大提升了供電可靠性，入網設備質量得到了保證，主設備檢修停電周期和使用壽命明顯加長，用戶年平均停電時間發生了數量級的變化，從幾分鐘降低到了0.5分鐘。因此開展狀態檢測是我們提升供電可靠性的有效手段。
配網設備的狀態檢測在國內剛剛起步，在全面推進帶電檢測的過程中，存在設備配置不全面、設備可靠性低、質量差、故障率高、檢驗裝置無標準、評判標準不完善、歷史數據和案例庫匱乏，影響狀態評價。同時此項工作剛起步，總體的技術水平相較國外仍需加強，日常巡檢中也要提升狀態檢測的比例，轉換思維，將被動工作轉為更加主動。
由國外引進的先進檢測手段和技術通過國內適應化改進使得國內帶電檢測的技術手段和類型和國外對比以無明顯差異，只是在檢測儀器設備的本土化研發、制造水平上差異明顯。由于國內外電網運行條件和實際情況有所區別，引進的先進檢測手段和技術必須通過國內適應化改進才能正確的反映國內電網實際運行情況的故障分析。例如，一些發達國家電網設備中的開關柜類設備制造工藝、運行條件等要明顯優于國內，國外對開關柜暫態地電壓檢測數據的數值評判標準較為嚴格，而此標準如果直接應用于國內電網中開關柜類設備的暫態地電壓數值評判就顯得過于嚴格，它受制于國內電網運行條件和環境因素。因此，引進國外先進試驗技術的同時要定制適用于國內電網實際情況的評判標準。
3 配電網設備新技術
隨著經濟社會的發展，新一代智能配電網建設對配電網設備新技術和新產品提供了更高的需求，環保型、免維護、高可靠性、智能化成為新一代配電裝備的發展方向，節能型配電變壓器、環境友好型開關設備、少維護或免維護開關設備以及一、二次融合智能開關設備成為新的發展熱點。
3.1 環境友好型(少/免維護)開關設備
氣體絕緣開關柜因其體積小，高壓絕緣不受外界環境的影響，不易老化；所有高壓元件密封在充氣的金屬殼體內，特別適用于高海拔、嚴寒、潮濕、污穢等惡劣環境，因而適合于滿足高可靠性，少/免維護的需求。按絕緣介質分類如下：
（1）SF6氣體絕緣
主絕緣采用SF6氣體，采用真空滅弧，所有高壓元件密封在充氣的金屬殼體內，為微正壓力系統，氣箱發生漏氣故障，仍在零表壓時維持足夠的絕緣強度不會影響正常運行，氣箱防護等級達到IP65，能夠有效隔離外界環境的影響。可在高海拔、低溫、潮濕、鹽霧、污穢等惡劣環境條件下安全使用，環境適應性強，但是需考慮SF6氣體檢測與防護。
（2）常壓空氣絕緣
主絕緣采用常壓空氣，開斷元件采用真空滅弧室，箱體密封采用帶有壓力平衡裝置常壓密封箱體，氣箱體防護等級達到IP65。能夠有效隔離運行環境的污染，降低氣體泄漏風險。因而具有良好的環境適應性，從而可以適用于運行環境復雜，污染、濕熱環境地區的應用，但是只適用于2000米以下海拔地區應用。
（3）干燥空氣絕緣
主絕緣采用微正壓干燥空氣（氣箱的氣壓不高于0.04MPa表壓），開斷元件采用真空滅弧室，采用全金屬密封結構、輔以少量固體絕緣作支撐件，氣箱防護等級達到IP67。高壓元器件均密封在可靠接地的氣室內，避免了人員觸及帶電體的可能性；可以大量使用在非獨立建筑的配電室；對環保要求和供電可靠性要求高的地區；偏遠、交通與運輸不便、不易巡視維護的地區；運行環境惡劣的地區（沿海、潮濕、高熱、嚴寒、高海拔、具有腐蝕性化學氣體或污穢嚴重地區等）。
（4）純N2氣體絕緣
采用N2氣體作為絕緣介質，其他技術方案及外形尺寸與SF6絕緣開關柜完全相同，與前者相比較，無溫室氣體排放綠色環保，配電站設計無需考慮SF6氣體檢測與防護。
（5）非SF6混合氣體絕緣
采用新型環保混合氣體為主絕緣介質，真空滅弧室作為主開斷元件，采用全金屬密封結構，輔以少量固體絕緣作支撐件，正常運行時為微正壓（氣箱的氣壓不高于0.04 MPa表壓），氣箱防護等級達到IP65。高壓帶電體均密封在氣室內，外界環境對于開關柜沒有任何影響。
這種新型環保混合氣體基于氟化酮，在運輸過程中呈液態，在填充到開關設備的過程中蒸發且混合，該混合氣體在大氣中存在時間很短（大約為15天，而SF6在大氣中存在的時間為3200年），全球變暖潛能值（GWP–Global Warming Potential）不到1，不但避免了溫室氣體SF6的使用，同時還可以將GWP從SF6的22800降低到小于1，從而在全壽命周期的角度減少了產品對環境的影響，另外其絕緣能力、耐電強度等特性指標與SF6相似，是可替代SF6的新型環保氣體。
3.2 節能型配電變壓器
（1）S13型平面疊鐵心變壓器，采用新型絕緣結構，提高了抗短路能力，鐵芯由高質量冷軋晶粒取向硅鋼片制成；高、低壓繞組選用優質無氧銅線并采用多層圓筒式工藝結構；所有緊固件均采用特殊防松處理，機械強度高，空載損耗較S11降低30%。缺點：與S13立體卷鐵心比較，磁路不平衡，與非晶合金比較，空載損耗略大。
（2）S13型立體卷鐵心變壓器，三相磁路對稱，三相空載電流和空載電壓平衡對稱，減少了空載電流畸變和三次諧波分量，提高供電質量，空載電流、空載損耗和運行噪音相對較低。缺點：加工工藝復雜，生產周期長，出現問題后維修困難，必須整體返廠修理。
（3）SCB12型干式變壓器，機械強度高，抗短路阻抗能力強，過負載能力強，熱穩定好，使用壽命長，無油，防火性能高，空載損耗和空載電流小。缺點：不能裸露在戶外使用，澆筑后的環氧樹脂不能降解。
（4）SH15型油浸式非晶合金配電變壓器，突出優勢是空載損耗和空載電流非常小，采用非晶合金做鐵心比采用硅鋼片做鐵心的S9型變壓器空載損耗降低70%，空載電流下降約80%。缺點：非晶體無法回收利用，非晶的鐵心在制造過程中易產生碎片，控制不當易造成變壓器燒毀。
（5）SCH15型干式非晶合金配電變壓器，空載損耗低、無油、阻燃自熄，免維護。缺點：不能裸露在戶外使用，澆筑后的環氧樹脂不能降解，噪音較同等級硅鋼片變壓器略大。
（6）SH17型非晶合金配電變壓器，在安全性、穩定性和節能性方面較S13及SH15型變壓器有了較大程度的提高， S17型非晶合金配電變壓器，空負載性能均優于目前市場主流的SH15型配電變壓器（空載損耗及負載損耗在SH15的基礎上下降10%），SH17型變壓器的大力發展與應用將對配電網的能效提升提供強有力的支撐。缺點：未批量使用，行業內無相關標準。
3.3 電力電纜/架空絕緣線
電力電纜方面，鋁合金電纜相對于銅芯電纜的成本低，但是載流量小，要滿足與銅導體電纜相同的載流量，鋁導體電纜截面積應上升1～2檔，在管孔、開關柜中安裝不方便；鋁合金的耐高溫能力弱，鋁的熔融溫度為660℃，鋁合金電纜不適用于耐火電纜；連接可靠性差，電纜安裝過程中連接工藝控制困難。
架空絕緣導線方面，采用6201系列鋁合金導線，機械強度高、電纜拉重比大，架設檔距大（檔距最大可達200 m），抗腐蝕性、耐熱蠕變性能好；但此類型導線較同等截面普鋁的導電性能略差。
3.4 配網設備一二次融合
通過提高配電一、二次設備的標準化、集成化水平，提升配電設備運行水平、運維質量與效率，滿足線損管理的技術要求，服務配電網建設改造行動計劃。
4 狀態檢測發展趨勢
4.1 停電試驗
由于配電網的設備面廣量大，無法定期開展停電檢測，以故障事后檢測為主。目前國內開展的停電試驗嘗試主要是在配電電纜方面，但因配電電纜的狀態檢測手段應用相對較少，傳統主網電纜狀態檢測方法對配網電纜的檢測適用性有待驗證。因此，應著重探索配網電纜有效的狀態檢測方法。
開展阻尼振蕩波局放檢測等試驗工作，評估電纜接頭制作質量，對電纜線路工程整體質量進行嚴格把關。開展配網電纜線路低頻介損測量、耐壓試驗、局放檢測工作，評估電纜線路整體老化狀態尤其是長期運行電纜壽命，對高水位、潮濕地區電纜絕緣水樹狀態以及電纜損耗參數進行有效檢測。
4.2 帶電檢測
近年來，對輸變電設備開展了以帶電檢測為重要技術手段的狀態檢修工作，取得了很好的效果，避免了大量電力設備故障的發生。然而，配網設備帶電檢測技術的推廣應用一直面臨巨大阻力，原因在于：
（1）配網主設備的帶電檢測尚缺乏行之有效的實用化技術手段和裝備儀器，一些試點的配網帶電檢測技術只能采用輸電網的帶電檢測設備，靈活性不強、限制條件多、參數設置針對性差，嚴重阻礙了配網帶電檢測工作的開展和推廣。
（2）配網設備數量眾多，現有的帶電檢測裝備功能單一，缺乏集多功能帶電檢測于一體的檢測裝備，檢測人員需要攜帶多種類型檢測裝備至現場，很難單人完成帶電檢測工作，且現場操作復雜、工作量大、結果判定技術要求高。
（3）配網設備的數量數百倍于輸變電設備，且種類繁多、型號結構相距甚遠、地域覆蓋范圍廣、所處環境條件復雜多變，人員相對而言配置不足，簡化對人員的技能要求、提高數據管理效率是推廣帶電檢測的關鍵之一。
5 結論
本文以配電設備現狀、狀態檢測現狀、質量保障體系現狀三個維度，通過對大型城市與世界典型發達城市進行對比分析，有效評估了國內外差距和未來發展趨勢，在此基礎上提供相應改進措施和建議，相關內容總結如下：配電設備方面，配電設備呈現出以環境友好、節能型、智能化、一二次高效融合為特點的發展趨勢；狀態檢測方面，配網狀態檢測應充分利用紅外測溫、局放測試、電纜振蕩波等技術，對配電開關、配變、線纜等開展設備定期檢測和動態檢測；并加強對狀態檢測數據分析應用，建立配網帶電檢測典型案例庫和信息共享交流平臺，準確掌握配網設備狀況，提高檢測效率。
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作者信息:
張 嵩，劉 洋，王秋筠，周 潔，張 楠，趙 芃，劉 麗
（國網冀北電力有限公司經濟技術研究院，北京 100038）