地鐵主變電所電壓水平匹配調(diào)整分析

李良威，李 強(qiáng)，張 彤

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031)

城市地鐵圈作為拉開城市框架，促進(jìn)新型城市城鎮(zhèn)化建設(shè)，推動“產(chǎn)城一體化”的有效策略，已經(jīng)成為“十三五”規(guī)劃中重點(diǎn)發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施，其建設(shè)規(guī)模越來越大。

目前國內(nèi)、外大部分城市地鐵均采用集中供電方式，通過自建110 kV主變電所從城市電網(wǎng)引入兩路110 kV電源。早期地鐵線路圍繞城市中心，地方變電站資源相對較多，110 kV進(jìn)線電纜較短，且初期主變負(fù)載率不高，對于地鐵電能質(zhì)量，尤其是110 kV、35 kV、0.4 kV各電壓等級的電壓水平關(guān)注較小，隨著外部電源距離較長110 kV電纜線路的普遍應(yīng)用以及負(fù)荷變化，再加上地方電網(wǎng)電源電壓的穩(wěn)定抬升，使得一些地鐵供電系統(tǒng)高、中、低電壓等級的電壓匹配超出了控制范圍，即使通過變壓器分接頭調(diào)整電壓變比，也使地鐵供電系統(tǒng)的電壓水平偏高，可調(diào)范圍縮小。本文以國內(nèi)某地鐵線遇到的電壓問題為例，通過采用德國電力系統(tǒng)分析軟件(Digsilent/PowerFactory)建立了地鐵供電系統(tǒng)交直流仿真模型，對高、中、低電壓水平的匹配調(diào)整問題進(jìn)行了系統(tǒng)分析，并提出了相關(guān)的解決方案。

1 地鐵供電系統(tǒng)

地鐵供電系統(tǒng)分為高壓供電系統(tǒng)和地鐵內(nèi)部供電系統(tǒng)兩個重要部分。集中供電方式是通過從地方電網(wǎng)的220 kV(110 kV)變電所的110 kV母線引出饋線，新建110 kV電纜線路，在地鐵線路附近新建110/35 kV主變電所，經(jīng)過降壓后通過35 kV電纜環(huán)網(wǎng)給各個車站的牽引所和降壓所供電，交流35 kV經(jīng)整流變壓器整流為直流1 500 V或750 V(大部分采用1 500 V)為列車供電，同時35 kV經(jīng)降壓為0.4 kV為動力、照明燈等常規(guī)負(fù)荷供電。整個地鐵供電系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 地鐵供電系統(tǒng)示意

2 供電電壓標(biāo)準(zhǔn)分析

通常，主變電所設(shè)計和地鐵供電系統(tǒng)設(shè)計一般分別由地方電力設(shè)計院和地鐵設(shè)計院兩家單位完成，主變電所專業(yè)與地鐵供電系統(tǒng)專業(yè)的分界點(diǎn)為地鐵主變電所35 kV環(huán)網(wǎng)開關(guān)柜饋出線端子，兩家設(shè)計單位對各自電壓范圍的設(shè)計規(guī)范理解會有一些差異。

2.1 主變電所進(jìn)線運(yùn)行電壓及其波動范圍

地鐵供電系統(tǒng)普遍認(rèn)為主變電所的110 kV進(jìn)線運(yùn)行電壓為110±5 % kV，而實(shí)際城市供電系統(tǒng)，電網(wǎng)的建設(shè)越來越完善，電源點(diǎn)增加，線路改造降低了網(wǎng)損，電纜的采用減低了壓損，整個電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓值是普遍抬升的，網(wǎng)絡(luò)電力系統(tǒng)110 kV運(yùn)行電壓一般在系統(tǒng)平均額定電壓(115±5 % kV)。

2.2 35 kV供電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行電壓及其波動范圍

根據(jù)GB 50157-2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》中15.1.16條規(guī)定：“供電系統(tǒng)的中壓網(wǎng)絡(luò)應(yīng)按列車運(yùn)行的遠(yuǎn)期通過能力設(shè)置，對互為備用線路，一路退出運(yùn)行另一路應(yīng)承擔(dān)其一、二級負(fù)荷的供電，線路末端電壓損失不宜超過5 %”。

GB 50052-2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》中5.0.8條規(guī)定：“電壓偏差應(yīng)符合用電設(shè)備端電壓的要求，大于等于35 kV電網(wǎng)的有載調(diào)壓宜實(shí)行逆調(diào)壓方式。逆調(diào)壓的范圍為額定電壓的0～+5 %”。

GB/T 12325-2008《電能質(zhì)量供電電壓偏差》中4.1條規(guī)定：“35 kV及以上供電電壓正、負(fù)偏差絕對值之和不超過標(biāo)稱電壓的10 %”。

電力系統(tǒng)認(rèn)為地鐵35 kV供電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行電壓宜為36.75 kV(35 kV的1.05倍)，不應(yīng)超過38.5 kV(35 kV的1.1倍)。

2.3 配電變壓器低壓側(cè)額定電壓范圍

GB 50157-2013根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》中15.1.26條規(guī)定：“低壓配電電壓應(yīng)采用220 V/380 V”。

GB 50052-2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》中5.0.4條規(guī)定：“正常運(yùn)行情況下，用電設(shè)備端子處電壓偏差允許值宜符合下列要求：(1)電動機(jī)為±5 %額定電壓。(2)照明：在一般工作場所為±5 %額定電壓”。

GB/T 12325-2008《電能質(zhì)量供電電壓偏差》中4.2條規(guī)定：“20 kV及以下三相供電電壓偏差為標(biāo)稱電壓的±7 %”。

電力系統(tǒng)認(rèn)為降壓所低壓側(cè)電壓406.6 V(380 V的1.07倍)為運(yùn)行最高電壓，不應(yīng)抬升到420 V(400 V的1.05倍)。

3 供電系統(tǒng)建模

電力系統(tǒng)電磁機(jī)電暫態(tài)混合仿真程序DIgSILENT/PowerFactory是德國DIgSILENT GmbH公司開發(fā)的電力系統(tǒng)仿真軟件，DIgSILENT這一名稱來源于數(shù)字仿真和電網(wǎng)計算程序(Digital Simulation and Electrical Network)。軟件提供了全面的電力系統(tǒng)元件的模型庫，包括發(fā)電機(jī)、電動機(jī)、控制器、動態(tài)負(fù)荷、線路、變壓器、無功功率補(bǔ)償設(shè)備的模型。

DIgSILENT/PowerFactory的AC/DC潮流計算分析模塊可以描述復(fù)雜的單相和三相AC系統(tǒng)及各種交直流混合系統(tǒng)。潮流求解過程提供了3 種方法以供選擇：經(jīng)典的牛頓—拉夫遜算法、牛頓—拉夫遜電流迭代法和線性方程法(直接將所有模型作線性化處理)。在進(jìn)行潮流計算的同時，DIgSILENT/PowerFactory 還有變電站控制、網(wǎng)絡(luò)控制和變壓器分接頭調(diào)整控制可供選擇。

按照圖1的供電示意圖進(jìn)行電力系統(tǒng)元件的等效模型變換為圖2。

圖2 等效圖1的DIgSILENT電力仿真模型

4 案例分析

以國內(nèi)某地鐵線其中的TT主變電所2#主變供電范圍的出現(xiàn)的電壓問題為例進(jìn)行分析。

4.1 基礎(chǔ)條件

(1)供電方案：TT主變電所2#主變供電范圍方案及相關(guān)參數(shù)如圖3所示。

(2)外部電源：TT主變電所2#主變110 kV電纜進(jìn)線2.8 km，電纜選用400 mm2單芯電纜，電力系統(tǒng)輸入電壓116.4 kV。

(3)變壓器變比參數(shù)：2#主變壓器電壓比：110±8×1.25 %/38.5 kV，共17檔；降壓所配電變壓器：35±2×2.5 %/0.4 kV，共5檔。

圖3 TT主變電所2#主變供電范圍方案示意

4.2 供電仿真分析

由以上基礎(chǔ)建立DIgSILENT電力仿真模型，在各個變壓器的分接頭均運(yùn)行下中間檔位時，由于主變的中壓側(cè)標(biāo)準(zhǔn)采用的是38.5 kV，而進(jìn)線電壓為116.4 kV，此時正常運(yùn)行情況下，中壓側(cè)電壓達(dá)到40.5 kV，必須通過調(diào)整分接頭來降低中壓側(cè)電壓，通過使用DIgSILENT軟件的變壓器分接頭自動調(diào)整控制模塊，可以使其達(dá)到最優(yōu)匹配(表1)。

表1 各個變壓器的分接頭調(diào)整電壓

由仿真結(jié)果可以看出，由于中壓側(cè)標(biāo)準(zhǔn)電壓設(shè)置的不匹配問題，現(xiàn)有外部電源進(jìn)線電壓高，主變壓器的變比分接頭變比已經(jīng)拉到最大，系統(tǒng)中壓側(cè)環(huán)網(wǎng)電壓還是偏高，同時配電變分接頭檔位少，調(diào)整有限，低壓側(cè)的出口電壓普遍較高，運(yùn)行電壓過高會危及到電氣設(shè)備的正常運(yùn)行，輕則加速電氣設(shè)備絕緣老化，降低壽命，在遇到外部電源在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)突然升高，可能直接燒毀用電器，導(dǎo)致電器損壞甚至引起火災(zāi)。

4.3 解決方案

為適應(yīng)外部電網(wǎng)的波動性，確保主變壓器分接頭有可調(diào)范圍，考慮到運(yùn)營、時間、投資、技術(shù)、場地等因素，研究對中壓調(diào)整方案進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)技術(shù)對比，主要包括三個方案：

(1)分期逐臺改造主變壓器，主變返回原廠進(jìn)行繞組改造，對運(yùn)營影響較大，時間較長；

(2)對中壓35 kV側(cè)增加與主變?nèi)萘肯嗤碾p繞組降壓變壓器38.5/35 kV，需要對中壓35 kV側(cè)改造，需要調(diào)節(jié)接線和增加場地等要求；

(3)中壓側(cè)35 kV出線后串接降壓式自耦變壓器38.5/35 kV，自耦變壓器因一、二次邊共用一部分繞組，與雙繞組變壓器相比，在變壓器額定容量(通過容量)相同時，自耦變壓器的繞組容量(電磁容量)比雙繞組變壓器的小，自耦變壓器的設(shè)計是按照電磁感應(yīng)傳遞的功率即結(jié)構(gòu)容量(也就是鐵芯功率)來設(shè)計，而不是按其傳遞容量(即輸出功率)來設(shè)計，因此自耦變壓器的重量及外形尺寸都較雙繞組變壓器小，場地增加要求較小。

5 結(jié)束語

地鐵供電系統(tǒng)是一個復(fù)雜，動態(tài)的過程，電壓、分接頭、負(fù)荷、無功功率等因素是相互影響的，110/35 kV 主變電站處于即承接地方電網(wǎng)電能，又轉(zhuǎn)接給地鐵內(nèi)部供電的核心位置，在整個系統(tǒng)的設(shè)計過程中，電網(wǎng)方和地鐵方，在設(shè)計過程中應(yīng)該采用一體化設(shè)計手段，充分考慮外部和內(nèi)部的實(shí)際特性，使得整個地鐵各個電壓等級匹配達(dá)到最佳配置。同時，為適應(yīng)外部電網(wǎng)的波動性，為了運(yùn)營安全，建議在投入運(yùn)營前，應(yīng)通過高、中、低壓，交直流全供電系統(tǒng)仿真計算，分析研究主變壓器和配電變壓器的分接頭配合使用的優(yōu)化方案，使得各側(cè)電壓在規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi)的波動，并為負(fù)荷變化，外部電網(wǎng)變化留出更多的可調(diào)裕度，并制定相應(yīng)的調(diào)整方案。