地鐵主變電所電壓水平匹配調整分析

李良威，李 強，張 彤

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031)

城市地鐵圈作為拉開城市框架，促進新型城市城鎮化建設，推動“產城一體化”的有效策略，已經成為“十三五”規劃中重點發展的基礎設施，其建設規模越來越大。

目前國內、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進線電纜較短，且初期主變負載率不高，對于地鐵電能質量，尤其是110 kV、35 kV、0.4 kV各電壓等級的電壓水平關注較小，隨著外部電源距離較長110 kV電纜線路的普遍應用以及負荷變化，再加上地方電網電源電壓的穩定抬升，使得一些地鐵供電系統高、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整電壓變比，也使地鐵供電系統的電壓水平偏高，可調范圍縮小。本文以國內某地鐵線遇到的電壓問題為例，通過采用德國電力系統分析軟件(Digsilent/PowerFactory)建立了地鐵供電系統交直流仿真模型，對高、中、低電壓水平的匹配調整問題進行了系統分析，并提出了相關的解決方案。

1 地鐵供電系統

地鐵供電系統分為高壓供電系統和地鐵內部供電系統兩個重要部分。集中供電方式是通過從地方電網的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，經過降壓后通過35 kV電纜環網給各個車站的牽引所和降壓所供電，交流35 kV經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經降壓為0.4 kV為動力、照明燈等常規負荷供電。整個地鐵供電系統如圖1所示。

圖1 地鐵供電系統示意

2 供電電壓標準分析

通常，主變電所設計和地鐵供電系統設計一般分別由地方電力設計院和地鐵設計院兩家單位完成，主變電所專業與地鐵供電系統專業的分界點為地鐵主變電所35 kV環網開關柜饋出線端子，兩家設計單位對各自電壓范圍的設計規范理解會有一些差異。

2.1 主變電所進線運行電壓及其波動范圍

地鐵供電系統普遍認為主變電所的110 kV進線運行電壓為110±5 % kV，而實際城市供電系統，電網的建設越來越完善，電源點增加，線路改造降低了網損，電纜的采用減低了壓損，整個電網系統的電壓值是普遍抬升的，網絡電力系統110 kV運行電壓一般在系統平均額定電壓(115±5 % kV)。

2.2 35 kV供電網絡運行電壓及其波動范圍

根據GB 50157-2013《地鐵設計規范》中15.1.16條規定：“供電系統的中壓網絡應按列車運行的遠期通過能力設置，對互為備用線路，一路退出運行另一路應承擔其一、二級負荷的供電，線路末端電壓損失不宜超過5 %”。

GB 50052-2009《供配電系統設計規范》中5.0.8條規定：“電壓偏差應符合用電設備端電壓的要求，大于等于35 kV電網的有載調壓宜實行逆調壓方式。逆調壓的范圍為額定電壓的0～+5 %”。

GB/T 12325-2008《電能質量供電電壓偏差》中4.1條規定：“35 kV及以上供電電壓正、負偏差絕對值之和不超過標稱電壓的10 %”。

電力系統認為地鐵35 kV供電網絡運行電壓宜為36.75 kV(35 kV的1.05倍)，不應超過38.5 kV(35 kV的1.1倍)。

2.3 配電變壓器低壓側額定電壓范圍

GB 50157-2013根據《地鐵設計規范》中15.1.26條規定：“低壓配電電壓應采用220 V/380 V”。

GB 50052-2009《供配電系統設計規范》中5.0.4條規定：“正常運行情況下，用電設備端子處電壓偏差允許值宜符合下列要求：(1)電動機為±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《電能質量供電電壓偏差》中4.2條規定：“20 kV及以下三相供電電壓偏差為標稱電壓的±7 %”。

電力系統認為降壓所低壓側電壓406.6 V(380 V的1.07倍)為運行最高電壓，不應抬升到420 V(400 V的1.05倍)。

3 供電系統建模

電力系統電磁機電暫態混合仿真程序DIgSILENT/PowerFactory是德國DIgSILENT GmbH公司開發的電力系統仿真軟件，DIgSILENT這一名稱來源于數字仿真和電網計算程序(Digital Simulation and Electrical Network)。軟件提供了全面的電力系統元件的模型庫，包括發電機、電動機、控制器、動態負荷、線路、變壓器、無功功率補償設備的模型。

DIgSILENT/PowerFactory的AC/DC潮流計算分析模塊可以描述復雜的單相和三相AC系統及各種交直流混合系統。潮流求解過程提供了3 種方法以供選擇：經典的牛頓—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)。在進行潮流計算的同時，DIgSILENT/PowerFactory 還有變電站控制、網絡控制和變壓器分接頭調整控制可供選擇。

按照圖1的供電示意圖進行電力系統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

以國內某地鐵線其中的TT主變電所2#主變供電范圍的出現的電壓問題為例進行分析。

4.1 基礎條件

(1)供電方案：TT主變電所2#主變供電范圍方案及相關參數如圖3所示。

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

(3)變壓器變比參數：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

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

表1 各個變壓器的分接頭調整電壓

由仿真結果可以看出，由于中壓側標準電壓設置的不匹配問題，現有外部電源進線電壓高，主變壓器的變比分接頭變比已經拉到最大，系統中壓側環網電壓還是偏高，同時配電變分接頭檔位少，調整有限，低壓側的出口電壓普遍較高，運行電壓過高會危及到電氣設備的正常運行，輕則加速電氣設備絕緣老化，降低壽命，在遇到外部電源在標準范圍內突然升高，可能直接燒毀用電器，導致電器損壞甚至引起火災。

4.3 解決方案

為適應外部電網的波動性，確保主變壓器分接頭有可調范圍，考慮到運營、時間、投資、技術、場地等因素，研究對中壓調整方案進行了經濟技術對比，主要包括三個方案：

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

(2)對中壓35 kV側增加與主變容量相同的雙繞組降壓變壓器38.5/35 kV，需要對中壓35 kV側改造，需要調節接線和增加場地等要求；

(3)中壓側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，自耦變壓器的設計是按照電磁感應傳遞的功率即結構容量(也就是鐵芯功率)來設計，而不是按其傳遞容量(即輸出功率)來設計，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 結束語

地鐵供電系統是一個復雜，動態的過程，電壓、分接頭、負荷、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電能，又轉接給地鐵內部供電的核心位置，在整個系統的設計過程中，電網方和地鐵方，在設計過程中應該采用一體化設計手段，充分考慮外部和內部的實際特性，使得整個地鐵各個電壓等級匹配達到最佳配置。同時，為適應外部電網的波動性，為了運營安全，建議在投入運營前，應通過高、中、低壓，交直流全供電系統仿真計算，分析研究主變壓器和配電變壓器的分接頭配合使用的優化方案，使得各側電壓在規范規定的范圍內的波動，并為負荷變化，外部電網變化留出更多的可調裕度，并制定相應的調整方案。