劉 蘭 王洪杰 崔洪敏

城市軌道交通主變電所負(fù)荷過程實(shí)測(cè)分析

劉 蘭1王洪杰2崔洪敏3

（1. 廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣州 510000；2. 廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510010；3. 西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都 610031）

主變電所在城市軌道交通供電系統(tǒng)中占據(jù)著舉足輕重的地位，為了掌握其負(fù)荷特征，評(píng)估其供電能力及可靠性，指導(dǎo)主變壓器容量設(shè)計(jì)，本文以已運(yùn)營(yíng)線路主變電所的負(fù)荷過程測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)顯示高峰小時(shí)主變電所主變壓器的負(fù)荷率大多在37%～53%之間，負(fù)載率在11%～48%之間；同時(shí)通過模擬主變電所僅有一段進(jìn)線供電的負(fù)荷情況，表明單段供電時(shí)主變壓器負(fù)荷率在41%～48%之間，負(fù)載率在50%～95%之間，主變電所兩臺(tái)變壓器的同時(shí)系數(shù)約等于1。測(cè)試結(jié)果表明，被測(cè)試主變電所供電可靠性較高，且部分主變電所因?yàn)檫\(yùn)營(yíng)時(shí)期較短，其仍有較大裕量供電能力。

主變電所；供電能力；可靠性；負(fù)荷率；負(fù)載率；同時(shí)系數(shù)

城市軌道交通用電負(fù)荷是城市電網(wǎng)的一類重要負(fù)荷，其牽引負(fù)荷為一級(jí)負(fù)荷，動(dòng)力照明負(fù)荷大部分為一級(jí)負(fù)荷和二級(jí)負(fù)荷，因此為了保證城市軌道交通線路正常運(yùn)營(yíng)，采用安全可靠性高且經(jīng)濟(jì)合理的供電方式顯得至關(guān)重要[1]。目前，城市軌道交通供電系統(tǒng)主要采用110/35kV兩級(jí)電壓、集中供電方式[2]，并且設(shè)置了專用主變電所，兩回路110kV高壓交流電源由電網(wǎng)引入，通過主變壓器降壓為35kV或10kV電壓向各個(gè)車站的牽引變電所和降壓變電所供電[3-4]。

主變電所在城市軌道交通供電系統(tǒng)中占據(jù)著舉足輕重的地位，因此有必要對(duì)其負(fù)荷過程以及供電能力和可靠性進(jìn)行評(píng)估，并給出提高可靠性的方法措施。文獻(xiàn)[5]通過仿真計(jì)算方法對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行可靠性評(píng)估。文獻(xiàn)[6-8]給出了提高配電網(wǎng)可靠性的方法措施。本文通過對(duì)地鐵主變電所110kV側(cè)的進(jìn)線負(fù)荷進(jìn)行實(shí)測(cè)分析，得到主變電所的負(fù)荷過程；為了評(píng)估主變電所的供電能力，對(duì)其容量設(shè)計(jì)提供建議。本文基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，模擬主變電所僅有一段進(jìn)線供電時(shí)，計(jì)算僅有單臺(tái)主變壓器工作時(shí)的供電能力，并給出相應(yīng)的建議。

1 主變電所容量設(shè)計(jì)依據(jù)

為了保證城市軌道交通供電的可靠性，一條線路通常至少設(shè)置兩座主變電所，每座主變電所由兩路互相獨(dú)立的外部電源供電，主變電所內(nèi)部設(shè)置2臺(tái)相同型號(hào)的主變壓器互為備用[9]，城市軌道供電系統(tǒng)如圖1所示。主變壓器通常采用雙繞組變壓器或三相三繞組有載調(diào)壓變壓器。主變壓器容量應(yīng)滿足“-1準(zhǔn)則”[10]，即當(dāng)供電系統(tǒng)中的某個(gè)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，列車可以繼續(xù)安全運(yùn)行。正常運(yùn)行時(shí)，各變壓器只用承擔(dān)其所供區(qū)域內(nèi)的全部牽引負(fù)荷和動(dòng)力照明的供電。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)滿足如下條件：①當(dāng)一臺(tái)主變壓器發(fā)生故障時(shí)，分段斷路器合閘，另一臺(tái)主變壓器應(yīng)能滿足該供電區(qū)域高峰小時(shí)牽引負(fù)荷和動(dòng)力及照明一、二級(jí)負(fù)荷的供電；②當(dāng)一座變電所因故解列時(shí)，環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)合閘，剩余主變電所應(yīng)能承擔(dān)全線的動(dòng)力和照明一、二級(jí)負(fù)荷及牽引負(fù)荷。

圖1 城市軌道供電系統(tǒng)圖

在運(yùn)營(yíng)的初期和近期，主變長(zhǎng)期運(yùn)行在輕載工況，負(fù)荷率較低，造成了主變?nèi)萘康睦速M(fèi)，同時(shí)產(chǎn)生了大量的空載損耗，增加了城市軌道交通的運(yùn)營(yíng)成本。為了選擇主變的容量：①應(yīng)根據(jù)該線路的初、近、遠(yuǎn)期的發(fā)車密度，得到不同時(shí)期的牽引負(fù)荷；②考慮車站動(dòng)力照明負(fù)荷，得到不同時(shí)期的照明負(fù)荷；③經(jīng)過技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的考量，確定主變壓器容量和更換時(shí)間節(jié)點(diǎn)[11]。然而實(shí)際運(yùn)營(yíng)過程中，主變電所負(fù)載率普遍低于設(shè)計(jì)預(yù)期，主變電所更換時(shí)間節(jié)點(diǎn)應(yīng)根據(jù)實(shí)際負(fù)載率綜合評(píng)估。

2 負(fù)荷分析

通過在城市軌道主變電所兩路110kV進(jìn)線的二次側(cè)回路安裝Fluke電流鉗和電壓探頭，同步采集兩路進(jìn)線的電流與電壓，可以監(jiān)測(cè)城市軌道主變電所的負(fù)荷過程。本文通過對(duì)地鐵的負(fù)荷測(cè)試，積累了大量的主變電所實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，這對(duì)分析主變電所的負(fù)荷過程提供了大量的數(shù)據(jù)作為依據(jù)。主變壓器的典型負(fù)荷過程曲線如圖2所示，對(duì)主變電所全日的負(fù)荷過程統(tǒng)計(jì)見表1，對(duì)主變電所高峰小時(shí)的負(fù)荷過程統(tǒng)計(jì)見表2，對(duì)主變電所高峰小時(shí)的負(fù)載率與負(fù)荷率統(tǒng)計(jì)見表3。負(fù)荷率指在統(tǒng)計(jì)期間內(nèi)的平均負(fù)荷與最大負(fù)荷之比的百分?jǐn)?shù)，其反映了負(fù)荷整體波動(dòng)及沖擊水平；負(fù)載率指在統(tǒng)計(jì)期間內(nèi)的變壓器實(shí)際功率與額定容量的比值，其代表實(shí)際負(fù)荷對(duì)變壓器的利用率，反映了變壓器當(dāng)前供電可靠性及供電能力水平。計(jì)算如式（1）—式（2）所示。

圖2 主變壓器的典型負(fù)荷過程曲線

表1 主變電所全日的負(fù)荷過程統(tǒng)計(jì)

表2 主變電所高峰小時(shí)的負(fù)荷過程統(tǒng)計(jì)

表3 主變電所高峰小時(shí)的負(fù)載率與負(fù)荷率統(tǒng)計(jì)

由表1、表2可知，地鐵主變電所一般設(shè)置35kV集中式無功補(bǔ)償裝置，主變電所進(jìn)線110kV電纜的容性無功經(jīng)過主變壓器由35kV集中無功補(bǔ)償裝置吸收，從而提高了PCC的功率因數(shù)，避免地鐵運(yùn)營(yíng)公司遭受功率因數(shù)罰款。但是這種補(bǔ)償方式也會(huì)占用主變部分安裝容量，尤其當(dāng)110kV進(jìn)線電纜較長(zhǎng)時(shí)，B變電所1號(hào)變壓器進(jìn)線電纜較長(zhǎng)，無功功率遠(yuǎn)大于有功功率，因此無功功率占用了主變壓器大部分的容量。B主變電所2號(hào)變壓器由于110kV進(jìn)線電纜很短，未設(shè)置35kV集中無功補(bǔ)償裝置。由表3可知，高峰小時(shí)主變壓器的負(fù)荷率大多在37%～53%之間，差別不大，這說明城市軌道的負(fù)荷過程具有一樣的分布特性；主變壓器的負(fù)載率在11%～48%之間，差別較大，這與主變壓器的設(shè)計(jì)與安裝容量以及該條線路的客流量、行車密度有關(guān)，設(shè)計(jì)較早的主變壓器安裝容量一般較小，客流量也超過其近期規(guī)劃。但是從總體來看，地鐵單臺(tái)主變的負(fù)載率都偏低，這可能是因?yàn)槿萘吭O(shè)計(jì)時(shí)考慮到了遠(yuǎn)期載客能力，主變?nèi)萘吭O(shè)計(jì)普遍偏大造成的，對(duì)短期內(nèi)載客能力不會(huì)有明顯提升的線路，可以考慮先安裝小容量主變，再根據(jù)載客需求適時(shí)更換主變，或者考慮初始階段由一臺(tái)主變同時(shí)帶兩路供電區(qū)間的負(fù)荷，當(dāng)載客需求增大時(shí)再恢復(fù)正常的供電模式。通過對(duì)以上實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合主變壓器的安裝容量，發(fā)現(xiàn)C主變電所、D主變電所與E主變電所兩臺(tái)主變壓器的負(fù)載率較大，可能會(huì)影響主變電所的供電可靠性，因此下文對(duì)其供電能力及可靠性進(jìn)行分析與判斷。

3 供電能力及可靠性分析

由于主變壓器容量應(yīng)能應(yīng)滿足如下條件：當(dāng)一臺(tái)主變壓器發(fā)生故障時(shí)，另一臺(tái)主變壓器應(yīng)能滿足該供電區(qū)域高峰小時(shí)牽引負(fù)荷和動(dòng)力及照明一、二級(jí)負(fù)荷的供電；當(dāng)一座變電所因故解列時(shí)，剩余主變電所應(yīng)能承擔(dān)全線的動(dòng)力和照明一、二級(jí)負(fù)荷及牽引負(fù)荷。因此需要檢驗(yàn)一臺(tái)主變壓器帶兩臺(tái)主變壓器供電區(qū)間的供電能力，通過對(duì)主變壓器110kV的Ⅰ段、Ⅱ段同步進(jìn)行測(cè)試，模擬僅有一段進(jìn)線供電時(shí)的負(fù)荷情況，將Ⅰ段、Ⅱ段負(fù)荷按照有功功率和無功功率疊加，并計(jì)算視在功率，計(jì)算如式（3）至式（5）所示，即

式中，t、t、t為僅有一段進(jìn)線供電時(shí)，時(shí)刻主所的有功功率、無功功率和視在功率。1t、1t為實(shí)測(cè)1號(hào)主變壓器時(shí)刻的有功功率和無功功率。2t、2t為實(shí)測(cè)2號(hào)主變壓器時(shí)刻的有功功率和無功功率。

測(cè)試期間均正常供電，沒有切除降壓所的三級(jí)負(fù)荷。C、D與E主變電所僅有一臺(tái)主變壓器工作時(shí)，其高峰小時(shí)視在功率之和的統(tǒng)計(jì)值見表4。

根據(jù)以上實(shí)測(cè)結(jié)果，模擬主變電所僅有一段進(jìn)線供電時(shí)，3個(gè)主變電所負(fù)荷率在41%～48%之間，負(fù)荷率差別不大；負(fù)載率在50%～95%之間，D主變電所的負(fù)載率最大。D主變電所進(jìn)線視在功率最大值為53360kVA（Ⅰ、Ⅱ段最高負(fù)荷的同步出現(xiàn)有一定隨機(jī)性），高峰小時(shí)視在功率均方根值約23547kVA，此時(shí)主變負(fù)載率在94.19%左右。高峰小時(shí)階段，主變壓器的負(fù)載率在額定安裝容量以上的時(shí)間約持續(xù)966s，占高峰小時(shí)的26.83%。

表4 高峰小時(shí)單臺(tái)主變壓器工作視在功率統(tǒng)計(jì)

主變壓器負(fù)荷同時(shí)系數(shù)是電力系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)工作中的重要參數(shù)，體現(xiàn)每臺(tái)主變壓器負(fù)荷最大值同時(shí)出現(xiàn)的概率，同時(shí)系數(shù)會(huì)對(duì)城市配電網(wǎng)的規(guī)模以及高壓電纜的選型帶來影響。同樣，同時(shí)系數(shù)的計(jì)算對(duì)城市軌道主變壓器的容量配置也有很大的參考價(jià)值。需要系數(shù)法是計(jì)算負(fù)荷大小的方法之一，其原理如式（6）所示：

式中，e為主變壓器額定容量，t為需要系數(shù)，n為同時(shí)系數(shù)，為計(jì)算負(fù)荷。由此可以看出，同時(shí)系數(shù)的計(jì)算對(duì)主變壓器的容量選擇具有很大的參考價(jià)值。對(duì)上述3個(gè)主變電所測(cè)試期間的同時(shí)系數(shù)統(tǒng)計(jì)見表5。

表5 主變電所同時(shí)系數(shù)

由表5可得，以3個(gè)主變電所兩臺(tái)主變壓器的同時(shí)系數(shù)均約為1，表明城市軌道交通主變電所考慮“-1”運(yùn)行需求進(jìn)行主變壓器容量設(shè)計(jì)選型時(shí),其計(jì)算容量需求時(shí)直接求和兩段負(fù)荷提資數(shù)據(jù)即可，同時(shí)高峰小時(shí)均方根負(fù)載率不足95%，但約27%高峰小時(shí)時(shí)間是超過100%的，則表明主變電所負(fù)荷是有沖擊性特征的，設(shè)計(jì)中應(yīng)結(jié)合主變壓器的過負(fù)載能力適當(dāng)考慮安裝容量。

4 結(jié)論

本文介紹了城市軌道主變電所主變壓器容量設(shè)計(jì)依據(jù)，通過對(duì)已運(yùn)營(yíng)線路主變電所負(fù)荷過程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，評(píng)估了其供電能力及可靠性，主要得到以下結(jié)論：

1）城市軌道主變壓器高峰小時(shí)的負(fù)荷率大多在37%～53%之間，差別不大，這說明城市軌道主變電所負(fù)荷的整體波動(dòng)及沖擊水平具有較大的相似性。

2）從總體來看，地鐵單臺(tái)主變的負(fù)載率都偏低，這可能是因?yàn)槿萘吭O(shè)計(jì)時(shí)考慮到了遠(yuǎn)期載客能力，主變?nèi)萘吭O(shè)計(jì)普遍偏大造成的，對(duì)短期內(nèi)載客能力不會(huì)有明顯提升的線路，可以考慮先安裝小容量主變，再根據(jù)載客需求適時(shí)更換主變；或者考慮初始階段由一臺(tái)主變同時(shí)帶兩路供電區(qū)間的負(fù)荷，當(dāng)載客需求增大時(shí)再恢復(fù)正常的供電模式。

3）本文通過模擬僅有一段進(jìn)線供電時(shí)的負(fù)荷情況，在運(yùn)營(yíng)階段的高峰小時(shí)，假設(shè)一臺(tái)主變壓器發(fā)生故障時(shí)，另一臺(tái)主變壓器帶兩段負(fù)荷的情況，得到已運(yùn)營(yíng)線路主變壓器C、D、E的負(fù)載率分別為63.77%、94.19%、50.57%，主變電所的供電可靠性較高，可以較長(zhǎng)時(shí)間由一段主變壓器帶兩段負(fù)荷正常工作。

4）主變壓器容量選型和同時(shí)系數(shù)，需用系數(shù)有很大關(guān)系，通過模擬計(jì)算得到主變電所的同時(shí)系數(shù)接近1。這反應(yīng)在考慮“-1”運(yùn)行需求時(shí)，每臺(tái)主變壓器負(fù)荷最大值同時(shí)出現(xiàn)的概率為1，因此建設(shè)時(shí)期，主變壓器容量設(shè)計(jì)選型時(shí)應(yīng)考慮此值，避免主變壓器的容量選取偏小。

5）主變電所無功補(bǔ)償裝置的功率需穿越主變壓器對(duì)外部電源進(jìn)線電纜容性無功進(jìn)行補(bǔ)償，所以在建設(shè)階段，無功補(bǔ)償裝置容量選擇需統(tǒng)籌考慮主變壓器35kV側(cè)負(fù)荷無功需求及外部電源進(jìn)線情況，避免無功補(bǔ)償容量設(shè)置不足造成罰款，降低運(yùn)營(yíng)成本。

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Measurement and analysis of load process in main substation of urban rail transit

Liu Lan1Wang Hongjie2Cui Hongmin3

(1. Guangzhou Metro Group Co., Ltd, Guangzhou 510010; 2. Guangzhou Metro Design & Research Institute Co., Ltd, Guangzhou 510010; 3. School of Electrical Engineering, Southwest JiaoTong University, Chengdu 610031)

The high voltage substation of urban rail transit occupies a decisive position in city rail power supply system, in order to grasp its load characteristics, evaluate its power supply capability and reliability, and guide the design of the high voltage transformer capacity, this paper carries out statistics on load test data of the high voltage substation of existing operation line. The statistics show that the high voltage transformer's load factor of the main transformer in peak hours is mostly between 37%～53% and the load rate is between 11%～48%. At the same time, supposing the main transformer substation only uses one incoming line of power supply system, the load factor of the high voltage substation is between 41%～48%, the load rate of the high voltage substation is between 50%～95%, and the simultaneous coefficient of the two transformers in the high voltage substation is about 1. The test results show that the power supply reliability of the high voltage substation tested is high, and the power supply capacity of the high voltage substation is still relatively large due to the short operation time of the high voltage substation.

the high voltage substation; power supply capacity; reliability; load factor; load rate; simultaneous coefficient

2018-03-16

劉 蘭（1975-），女，碩士，高級(jí)工程師，工作于廣州地鐵集團(tuán)有限公司工程技術(shù)研發(fā)中心，主要研究方向?yàn)槌擒壗煌ü╇娤到y(tǒng)安全與運(yùn)維保障。