地鐵主變電所之間中壓環網支援方案探討

朱 玲

（深圳市市政設計研究院有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引 言

目前，城市軌道交通主流供電采用110 kV/35 kV兩級電壓集中供電方式，牽引和動力照明共用35 kV供電網絡，新建主變電所或共享既有主變電所進行供電[1-6]。隨著城市地鐵建設的發展，城市地鐵規模不斷擴大，主變電所資源變得緊缺。新建主變電所、電纜通道或電力局對側市政主變電站常因征地拆遷等問題在線路開通之時無法滿足地鐵供電需求，此時需要利用既有的主變電所或已建主變電所進行支援供電。在選擇支援供電方案時，需要系統評估供電的可靠性、倒閘的便利性，以保證地鐵的安全可靠運行。本文針對地鐵的臨時電源方案進行分析比較，并通過實際案例進行探討。

1 支援供電原則

地鐵作為重要的城市交通工具，其供電系統應確保安全、可靠。支援供電有以下4個原則。

一是中壓環網系統可靠且運行方式靈活，在正常運行方式、故障支援方式下均要確保供電系統安全、可靠運行，盡量避免造成大面積停運等嚴重影響[7]；二是電壓壓降滿足設備的運行需求，在任何運行方式下的中壓供電網絡線路末端電壓損失不宜超過額定值的5%[8,9]；三是倒閘操作簡便可行，避免因倒閘復雜造成誤操作，擴大停電范圍；四是在滿足功能要求的情況下技術方案需經濟合理，避免資源浪費[10]。

根據上述原則，以華南某大型地鐵工程為例，對其支援供電方案進行探討分析。

2 中壓環網方案及設計運行方式

華南某大型地鐵工程線路全長約40 km，共設站33座，采用110 kV/35 kV兩級電壓集中供電方式。全線新建主所兩座（以下簡稱“ZS1”和“ZS2”），共享既有主所1座（以下簡稱“ZS3”）。全線中壓環網采用小供電分區方案，一共劃分為9個供電分區。

2.1 正常運行方式（N-1）

由ZS1主變電所I、II段母線各饋出3回35 kV出線，分別向本工程第一、二、三供電分區供電；由ZS2主變電所I、II段母線各饋出3回35 kV出線，分別向第四、五、六供電分區供電；由ZS3主變電所I、II段母線各饋出1回35 kV出線，通過在接入車站設置開閉所分別向第七、八、九供電分區供電。由于ZS3主變電所為既有的變電所，僅為本工程預留一回出線，需利用本工程主變電所接入站變電所35 kV母線設置開閉所（以下簡稱“KBS1”）。35 kV側正常運行時的供電范圍劃分如圖1所示。

圖1 35 kV側正常運行時的供電范圍劃分

2.2 故障情況下運行方式一

當ZS1主變電所或ZS2主變電所一回進線電源電纜故障或一臺主變壓器解列時，閉合35 kV母聯開關，由另一回進線電源電纜或變壓器承擔該主變電所供電區域內的牽引及動力照明一、二級負荷。

當ZS3主變電所一回進線電源電纜故障或一臺主變壓器解列時，斷開第七供電分區的35 kV出線斷路器，閉合HSW2變電所的35 kV環網聯絡開關，閉合ZS3主變電所35 kV母聯開關，由另一回進線電源電纜或變壓器承擔第八、九供電分區供電區域內的牽引及動力照明一、二級負荷。與此同時，由ZS2主變電所向第七供電分區支援供電（ZS3主變電所為既有主變電所，單臺主所變壓器容量無法滿足第七、八、九供電分區的供電需求）。

2.3 故障情況下運行方式二

當ZS1主變電所故障解列時，閉合設置在HWS1變電所的35 kV環網聯絡開關，由ZS2主變電所承擔第一至第六供電分區的牽引負荷和動力照明一、二級負荷。

當ZS2主變電所故障解列時，斷開ZS2主變電所向第六供電分區供電的35 kV出線斷路器，閉合設置在HWS1、HWS2變電所的35 kV環網聯絡開關，由ZS1主變電所承擔第一至第五供電分區內的牽引負荷和動力照明一、二級負荷，由ZS3主變電所承擔第六至第九供電分區內牽引負荷和動力照明一、二級負荷。

當ZS3主變電所故障解列時，斷開機場北主變電所向KBS1供電的35 kV出線斷路器，閉合設置在HWS2變電所的35 kV環網聯絡開關，由ZS2主變電所承擔第四至第九供電分區的牽引負荷和動力照明一、二級負荷。

3 臨時供電系統方案

實際工程中，ZS1主所Ⅱ段母線110 kV外電受條件限制，送電時間晚于線路開通時間。為了確保該地鐵線路正常開通，有必要制定臨時供電方案。主所外電來源情況統計如表1所示。

表1 主變電所外電情況統計

根據表1，ZS1主變電所110 kV外電只有Ⅱ段方向暫緩接入，此時線路屬于運營初期，其他主所均引入兩路110 kV電源。

3.1 正常供電

當線路僅有ZS1主變電所Ⅱ段方向無法供電時，此時的供電方案分為以下兩種。

方案一：閉合35 kV母聯開關，由ZS1主變電所Ⅰ段承擔該主變電所供電區域內的牽引及動力照明一、二、三級負荷。具體供電分區范圍調整如圖2所示。

圖2 臨時供電下，35kV側正常運行時的供電范圍劃分（方案一）

方案二：參考運營常用方案，ZS2主變電所Ⅱ段支援ZS1主變電所Ⅱ段，由ZS2主變電所Ⅱ段承擔兩所正常供電范圍內Ⅱ段的牽引負荷和動力照明一、二、三級負荷。具體供電分區范圍調整如圖3所示。

圖3 臨時供電下，35kV側正常運行時的供電范圍劃分（方案二）

該方案也可滿足供電需求，但存在發生其他故障時倒閘復雜的問題，倒閘錯誤會擴大停電影響范圍。

方案一和方案二均可以滿足供電可靠性的要求，均不需要另外增加投資，也不需要修改定值。方案一直接合ZS1主變電所內母聯，方案二需要合HWS1站Ⅱ段環網聯絡開關，兩個方案倒閘操作簡單，但是后續如果在此基礎上再發生其他的進線故障，方案一相對方案二具有倒閘清晰、影響范圍小的優點。

3.2 一路電源故障（除ZS1主變電所外）

一路電源故障時，優先采用閉合該主變電所35 kV母線聯絡開關，由該主變電所非故障線路電源承擔剩下全部負荷。

3.2.1 ZS2主變電所Ⅱ段電源故障

ZS2主變電所Ⅱ段電源故障，閉合該主變電所35 kV母線聯絡開關，由該主所Ⅰ段非故障線路電源承擔第四、五、六供電分區的牽引負荷及動力照明一、二、三級負荷。ZS1主變電所Ⅰ段承擔第一、二、三供電分區的牽引負荷及動力照明一、二、三級負荷。具體供電分區范圍調整如圖4所示。

圖4 ZS2主變電所Ⅱ段故障的供電范圍劃分

若正常運行方式下選擇合ZS1主變電所母聯的方案，此時疊加ZS2主變電所Ⅱ段電源故障，僅需合ZS2主變電所的母聯即可，倒閘操作簡單。若正常運行方式下選擇的是由ZS2主變電所支援ZS1主變電所Ⅱ段的方案，在ZS2主變電所Ⅱ段也發生故障的情況下需斷開HWS1變電所的環網聯絡開關，再分別閉合ZS1主變電所和ZS2主變電所內的母聯，倒閘操作復雜，若誤操作則會擴大停電范圍，造成嚴重影響。

3.2.2 ZS2主變電所Ⅰ段電源故障。

方案一：ZS2主所Ⅰ段電源故障，閉合該主變電所35 kV母線聯絡開關，由該主所Ⅱ段電源承擔第四、五、六供電分區的牽引負荷及動力照明一、二、三級負荷，由ZS1主變電所Ⅰ段承擔第一、二、三供電分區的牽引負荷及動力照明一、二、三級負荷。具體供電分區范圍調整如圖5所示。

圖5 ZS2主所Ⅰ段故障的供電范圍劃分（方案一）

方案二：ZS2主變電所Ⅰ段電源故障，ZS2主變電所所帶Ⅰ段負荷均由ZS1主變電所Ⅰ段支援，即ZS1主變電所承擔第一至第六供電分區Ⅰ段的牽引負荷及動力照明一、二、三級負荷。ZS2主變電所Ⅱ段給ZS1主變電所Ⅱ段支援供電，即ZS2主所Ⅱ段承擔12號線第一至第六供電分區Ⅱ段的牽引負荷及動力照明一、二、三級負荷。具體供電分區范圍調整如圖6所示。

圖6 ZS2主變電所Ⅰ段故障的供電范圍劃分（方案二）

方案一和方案二均可以滿足供電可靠性的要求，不需要額外增加投資，也不需要修改定值。若正常運行方式下選擇的是方案一，此時再發生ZS2主變電所Ⅰ段故障，優先選擇方案一，直接合ZS2主變電所內母聯；若正常運行方式下選擇的是方案二，此時再發生ZS2主變電所Ⅰ段故障則需要合HWS1站Ⅰ段環網聯絡開關。

3.2.3 ZS3主變電所Ⅰ段/Ⅱ段電源故障

ZS3主變電所Ⅰ段/Ⅱ段電源故障時，由ZS2主變電所給第七供電分區支援供電，第八、九供電分區由ZS3主變電所非故障線路電源承擔故障范圍內全部負荷，ZS1主變電所Ⅰ段承擔第一、二、三供電分區的牽引負荷及動力照明一、二、三級負荷。由于ZS3為既有主變電所，因此ZS3主變電所所承擔的其他線路的負荷根據已有線路設計運行方式進行支援，如圖7所示。

圖7 ZS3主變電所一段故障的供電范圍劃分（圖中以Ⅰ段為例）

3.3 主所完全解列

3.3.1 ZS1主變電所完全解列

ZS2主變電所支援ZS1主變電所，由ZS2主變電所承擔第一至第六供電分區所有的牽引負荷和動力照明一、二級負荷，如圖8所示。

圖8 ZS1主變電所完全解列的供電范圍劃分

3.3.2 ZS2主變電所完全解列

方案一：ZS3主變電所支援ZS2主變電所，由ZS3主變電所承擔第四至第九供電分區所有的牽引負荷和動力照明一、二級負荷，由ZS1主變電所Ⅰ段承擔第一至第三供電分區所有牽引負荷和動力照明一、二級負荷，如圖9所示。

圖9 ZS2主變電所完全解列的供電范圍劃分（方案一）

此時第四至第九供電分區該線路Ⅰ段的負荷共計為19.42 MVA，Ⅱ段母線負荷共計為20.874 MVA，既有線路的Ⅰ段的負荷共計為33.693 MVA，Ⅱ段母線負荷為31.631 MVA，ZS3主變電所Ⅰ段的負荷共計為53.113 MVA，Ⅱ段母線負荷共計為52.505 MVA，ZS3主變電所變壓安裝容量為63 MVA，容量可滿足供電需求。

方案二：ZS1主變電所和ZS3主變電所同時支援ZS2主變電所，由ZS1主變電所Ⅰ段承擔第一至第五供電分區所有牽引負荷和動力照明一、二級負荷，由ZS3主變電所承擔第六至第九供電分區所有的牽引負荷和動力照明一、二級負荷，如圖10所示。

圖10 ZS2主變電所完全解列的供電范圍劃分（方案二）

此時第一至第五供電分區Ⅰ段的負荷共計為21.968 MVA，Ⅱ段母線負荷共計為18.865 MVA，ZS1主變電所Ⅰ段所需承擔的供電負荷為40.833 MVA，主變電所變壓安裝容量為63 MVA，可滿足供電需求，壓降可滿足供電要求。

方案一和方案二相比，方案一在進行整定保護時需考慮該運行方式，給出配套的整定定值。方案二的第一至第五供電分區僅由ZS1主變電所Ⅰ段支援供電，風險較大。綜上所述，優先考慮采用方案一。

3.3.3 ZS3主變電所完全解列

由ZS2主變電所支援ZS3主變電所，由ZS2主變電所承擔第四至第九供電分區內所有的牽引負荷和動力照明一、二級負荷，ZS1主變電所Ⅰ段承擔12號線第一、二、三供電分區的牽引負荷及動力照明一、二、三級負荷。由于ZS3為既有主變電所，因此ZS3主變電所所承擔的其他線路的負荷根據已有線路設計運行方式進行支援。具體供電分區范圍調整如圖11所示。

圖11 ZS3主變電所完全解列的供電范圍劃分

在正常運行、一路電源故障、主變電所完全解列3種運行方式下，經校驗，主變電所內主變壓器容量及壓降可滿足要求，系統供電能力可滿足用電需求，且不需要額外增加投資。

4 結 論

地鐵臨時支援供電方案應確保供電系統在其他線路正常、單進線故障、主變電所解列運行方式下主變電所容量及末端壓降均能滿足供電需求，保證系統安全可靠的運行。在對比選擇支援方案時，要盡可能選擇倒閘操作少、倒閘清晰的方案，避免出現故障情況，由于運營人員的誤操作導致停電范圍的擴大。若涉及到需要增加投資和進行改造時，還需要對比考慮改造的可行性和經濟性。