高速公路现场临时施工用电电压不稳的解决方案

2014-12-25李卫斌

交通运输研究 2014年20期

李卫斌

（中铁隧道集团一处有限公司，重庆401121）

0 引言

随着我国经济的快速发展，国家公路、铁路建设规模逐渐增大，工程项目普遍分布在偏远山区和农村地带，临时施工用电一般都是在当地10kV 农网进行T 接，农网线路随着季节、昼夜的变化波动很大，电压质量不能满足临时施工用电要求，严重影响了工程施工的正常开展，给工程施工带来了一定的经济损失。本文结合福建省海西高速公路网莆永线莆田段路基土建工程A6 合同段临时施工用电情况，对网电电压不稳的现象进行了分析，提出了解决方法，以期为解决施工中遇到电压不稳的情况提供一定借鉴和参考。

1 临时施工用电电压存在的问题

1.1 工程概况

福建省海西高速公路网莆永线莆田段路基土建工程A6 合同段，起讫里程为K80+400～K91+400，标段全长11km。项目位于莆田市仙游县境内，起点位于大济镇溪口村，终点位于大济镇古濑村白鸽岭隧道。主要工程项目包括路基土石方、防护及排水、桥梁工程、涵洞及通道、隧道工程等。本合同段共有桥梁5座，其中大桥4座，中桥1座；隧道2.5 座（其中白鸽岭隧道进口端起讫里程为YK89+710～YK91+400）；涵洞23道；通道7处。

1.2 供电线路现状（供电单位提供）（见表1）

表1 供电线路总体现状

1.3 线路末端配置情况

线路的末端电线杆编号为409#，主要工作量为白鹤岭隧道，洞口安装有8台20m3空压机，2台110×2kW的通风机，2台75kW的混凝土输送泵，6台7.5kW 的湿喷机。故拟安装2 台S11—630—10/0.4的变压器、1台S11—500—10/0.4的变压器，变压器总容量为1 760kV·A。

1.4 配电站主要设备投入费用

变压器S11—630—10/0.4 单价（含配电盘）：85 000.00元，数量2台；

变压器S11—500—10/0.4 单价（含配电盘）：73 000.00元，数量1台；

共计：85000.00×2+53000.00×1=243000.00元。1.5 项目施工现场用电变压器输出电压情况

根据国标《电能质量供电电压允许偏差》（GB 12325—2003）的规定：35kV供电电压正、负偏差的绝对值之和不超过额定电压的10%；10kV及以下3 相供电电压允许偏差为额定电压的±7%；220V单相供电电压允许偏差为额定电压的+7%、-10%。

莆永工程项目，变压器已调到3 档档位，随机抽取其中7d 项目监控的变压器输出电压波动情况，如下图1所示。

图1 电压随时间波动图

从图1 中可以看出：全天施工用电电压低、波动大主要集中在7：00—22：00，其余时间属于正常现象（即电压值及波动处于规定允许范围之内）。

工程项目施工作业制为每天24h连续作业，两班或三班倒循环施工，在电压波动范围较大的期间，施工生产无法正常进行，仅仅依靠电压正常进行施工，施工进度受到制约，不能保证按期履约，严重影响企业信誉，因此急需解决施工现场临时用电电压不稳的现象。

2 施工用电电压偏低的原因分析

10kV 古濑622 线之前为农业负荷，现在该项目高速公路施工用电T 接于10kV 古濑线上，由于施工用电负荷大，线路又长，负荷集中在线路的末端。线路长、负荷大造成电压较低，机电设备无法正常工作，严重影响了工程的施工进度。

根据线路实际条件及莆永高速公路A6 项目实际情况，整条线路现有的最高负荷达4 210kW，线路主干线为LGJ-150 线路长度为21km，功率因数为0.9，整条线路负载按照均匀分布计算线路末端压降。

带入压降公式可以计算出变电站到主干线409#杆处的压降ΔU：

P=4210kW，S=150mm2，L=21km，cosφ=0.9，查表得感抗x=0.358Ω/km，电阻r=0.21Ω/km；Q=2034kvar。

式中：ΔU为10kV 线路的压降；UN为变电站出口电压；P，Q分别为线路有功功率，无功功率；R，X分别为线路的电阻，感抗；L为变电站到主干线409#杆的线路长度。

主干线409#杆的电压为：U409=UN-ΔU=10.30-3.29=7.01kV，由此可以看到线路末端的电压很低，给设备正常运行带来困难，影响施工生产。

从计算可以得出10/0.4 变压器输出端电压为7.01/25=0.28kV=280V，与随机抽取的最低电压基本吻合。

3 调节电压方案介绍及分析论证

3.1 调节电压方案介绍

目前为了保证电压质量，中低压配电网主要调压手段及措施为以下几种方案：

（1）变电站主变压器有载调压；

（2）改变线路的无功功率；

（3）变压器低压端安装低压稳压器；

（4）安装有载自动调压变压器。

3.1.1 变电站主变压器有载调压

目前，大多数变电站的主变压器都采用通过调节主变压器的分接头来改变电压水平和系统的功率分配方式进行调压。根据系统负荷情况来调节主变压器的分接头，使变电站出线电压满足预定的要求。由于调节的依据是以变电站的母线为基准，即将母线电压水平限制在一个预定的范围之内，以期在以母线为基准的一定输出半径内实现电压偏差要求，但无法满足长距离供电线路末端的电压要求。而变电站母线又会有多条出线，各条出线的负荷曲线也各有不同，压降也不同，不能保证所有线路的电压都满足要求。因此，这种调压方法灵活性、针对性差，当馈线复杂时往往造成距离变电站近的地方电压偏高，距离变电站远的地方电压偏低。而且偏远山区或者农村35 kV/10kV小型变电站的主变压器很多不具备有载调压能力，将其改造为有载调压变压器投资较大，改造期间需要间断停电，给用电用户造成严重影响，故限制了这种调压方式的应用。

3.1.2 改变线路的无功功率

采用无功率补偿方式来改善系统的无功功率，可以提高末端用户的电压质量。该项目临时施工用电线路沿仙游城关至大济镇622线路，距离仙游县城关变电站21km，在622 线路中点和距离该项目白鸽岭隧道5.5km处各安装了一台电容无功功率补偿器，事实检验证明虽然对稳定网电10kV电压有一定的效果，但效果甚微，不能解决电压降过大的问题。户外补偿器是电网系统中广泛使用的电压调整措施，其体积小，安装方便，实现了分散补偿，而且自动补偿。但是在偏远山区或者农村，在低谷运行时，投入电容补偿器会进一步增加配电变压器的铁损，从而使线损增加，更重要的是电容器补偿主要提高线路的功率因数，调压效果很有限，仅仅依靠电容补偿器并不能解决线路长、电阻等引起的电压降问题。

3.1.3 变压器低压端安装低压稳压器在低压端安装调压器就是稳定10kV/0.4kV 变压器输出端电压，在低压线路中安装调压设备把输出电压稳定在400V。目前国内市场上有技术比较成熟的一种SBW 系列补偿式交流稳压器，SBW系列三相全自动补偿式电力稳压器是为稳定交流电压而设计的，当外界的供电网络电压波动或负载变化而造成电压波动（260～450V 范围之内）时，能自动保持输出电压（可以调整的）的稳定。

SBW 系列三相全自动补偿式电力稳压器工作原理为：SBW 系列稳压器由三相补偿变压器TB、三相调压变压器TUV 电压检测单元、电动机控制与传动机构，接触操作电路，保护电路组成。电气原理图如图2所示。

图2 三相补偿式交流稳压器电气原理图

其稳压过程是：根据输出电压的变化，由电压检测单元采样，检测并输出然后控制电动机SM转动，经减速机构并经链条带动调压变压器TUV上的电刷组滑动来调节调压器的第二次电压，改变补偿变压器的极性和大小，在稳压精度允许的范围内，实现输出电压自动稳压从而达到自动稳压的目的。

它具有效率高、无波形畸变、电压调节平稳等优点，适用负载广泛，能承受瞬时超载，可长期连续工作，手动/自动切换，设有过压保护、缺相、相序保护及机械故障自动保护，以及体积小、重量轻、使用安装方便、运行可靠、性价比高等优点。市场上出售的630kVA、800kVA稳压器的价格在每台72 000.00元、86 000.00元。

根据项目施工特点，为了验证这种稳压器的使用效果，先在白鸽岭隧道配电站的其中1 台S11—630—10/0.4 变压器输出端安装1 台稳压器，通过1.4中电压降计算以及随机抽取，根据匹配原则，考虑安全、保险因素，最终选定SBW—800kVA的稳压器，输出电压在400V左右，通过安装这种SBW 系列三相全自动补偿式电力稳压器，施工用电得到了很好的改善，满足了项目施工生产的需要。

在变压器低压侧安装稳压器会使原来的变压器容量无形之中减少，以S11—630—10/0.4变压器为例通过计算加以说明：

式中：U为变压器低压侧的最低电压，280V（2.1计算及随机抽取）；I为变压器低压侧的最大电流，907.2A（变压器铭牌上标识的）。

Q=1.732UI=1.732×0.28×907.2=440kV·A

440/630×100=70%，即在变压器低压侧安装稳压器后，变压器的容量是原变压器容量的70%，降低了变压器容量，就不能满足原来变压器计划所载的负荷，那么要满足计划确定的负荷就要增加变压器的容量，增加了投入。

电压低、波动大，这种稳压器的碳刷在绕组上上下来回移动的频率比较高，会加快碳刷和绕组的磨损，从而出现故障使稳压器无法运行。

能够保证供电质量，满足白鸽岭隧道设备正常用电总投入费用见表2。

表2 白鸽岭隧道设备正常用电总投入费用表

比原计划多投入：632000.00-243000.00=389000.00元。

3.1.4 安装有载自动调压变压器

有载自动调压变压器有两种形式的：一种是10kV—10kV，即通过自动调整保证输出侧的电压保持在10kV 左右，输入侧理论值为10kV，简称“高-高”有载自动调压变压器；另外一种是10kV—0.4kV，即通过自动调整保证输出侧的电压保持在0.4kV 左右，输入侧理论值为10kV，简称“高-低”有载自动调压变压器，二者的工作原理相同。

有载自动调压变压器集自耦变压器、有载分解开关、智能控制器为一体，通过有载分解开关调节变压器变比来实现自动有载调压，智能控制器以单片机为核心，对信号进行采集、分析、判断、处理，然后发出信号，驱动有载分解开关调节电压，该装置具有完整的控制自动跟踪功能，电压调整精度高，动作可靠，可以保证用户电压要求；采用自耦式调压结构，与同容量的配电变压器相比较具有电磁容量小、体积小，损耗低的优点；采用工业级集成电路，可靠性高；控制器抗干扰能力强，可以适应户外恶劣环境；完善的保护功能，可以防止控制器参数设置错误，分接开关联动、频动；还设有上、下限位保护，防止各种可能情况出现误动；控制器设置了键盘，方便各种参数的设置和读取。

（1）有载自动调压变压器工作原理（见图3）

图3 有载自动调压变压器工作原理

有载自动调压变压器主要由3 部分组成即：三相自耦式调压变压器、三相有载分接开关、智能控制器。图中A 为输入端（一次侧）接电源，a 为输出端（二次侧）接负载。调压器控制器通过检测输出侧电压，和基准电压进行比较，如输出侧电压大于（或小于）基准值并且超过允许范围、控制器开始延时，如延时时间和动作间隔时间均满足，则控制器向有载分接开关发出降档（或升档）指令，控制有载分接开关内的电动机运转，带动分接开关从一个分接头切换至另一个分接头，从而改变变压器的变比以实现有载自动调压。

三相有载分接开关在带负载的情况下转换节点，控制线圈为控制器提供采样信号。在自动调压变压器中，串联绕组的抽头接在分接开关的不同节点上，通过转换接点调节变压器变比改变输出电压，一般常用的分接开关有7档和9档两种。

智能控制器是有载调压变压器的智能部分，它采集输出的电压信号与设定值进行比较，然后发出指令控制有载分接开关，进行调压操作，使馈线电压达到预定值。如果智能控制器采集到的电压信号小于基准电压，并且信号电压和基准电压之间的差值达到一定的数值，经一定延时后发出控制指令，通过继电器驱动分接开关的电机，升高分接开关档位从而升高输出电压。

（2）经济性比较

以满足线路末端白鸽岭隧道配电站变压器的计划负载为例，对两种形式的有载自动调压变压器进行经济比较。

①“高-高”有载自动调压变压器投入的费用（见表3）

线路末端为白鸽岭隧道，负荷总容量为1760kVA,一般按照有载自动调压变压器额度容量为用电负荷总容量的1.1倍来选择。有载调压变压器的容量为1760×1.1=1936kVA，可以选择容量为2 000kVA 有载自动调压变压器。

表3 “高-高”有载自动调压变压器投入的费用表

比原计划多投入：682800.00-243000.00=439800.00元。

投入这种有载自动调压变压器可以保证输出侧10kVA电压比较稳定，但是还要安装10/0.4的变压器才能满足设备所需要的电压等级，施工周期为40d。

②“高-低”有载自动调压变压器投入的费用（见表4）

原计划安装2 台S11—630—10/0.4 的变压器、1 台S11—500—10/0.4 的变压器，选择SZ9 系列有载自动调压变压器，考虑安全因素，经技术咨询和厂家现场查勘，选择同容量的有载自动调压变压器即可满足要求，即2 台SZ11—630—10/0.4，1台SZ11—500—10/0.4。

表4 “高-低”有载自动调压变压器投入的费用表

比原计划多投入：312000.00-243000.00=69000.00元。

投入这种有载自动调压变压器替换同等容量的变压器即可满足设备所需要的电压等级，施工周期为10d。

通过比较，在同样能满足用电质量要求的情况下，为节约成本，减少投入，创造经济效益，选择了“高-低”有载自动调压变压器，高压侧调压范围为7～11kV，档位为9档，每个档位相差0.5 kV。

通过安装有载自动调压变压器后409#杆最高电压为：

式中：C为0%～+30%调压范围时，调压器的最大变比。

通过安装有载自动调压变压器升压以后409#杆安装点的电压可以稳定在0.4kV左右，满足了设备用电要求，事实验证了此方案可行。

3.2 调压方案实践检验及论证

（1）方案一

调压方法灵活性、针对性差，距离变电站近的地方电压偏高，距离变电站远的地方电压偏低；改造时，投资较大，期间的间断停电给用电用户造成严重影响，这种调压方式不具有可操作性。

（2）方案二

由于线路太长，实践检验长距离输电电路无功补偿效果甚微。

（3）方案三

输出电压稳定在400V 左右，满足了设备用电要求，投入稍大，电压波动大且负荷大时，易出现不频繁故障。

（4）方案四

“高-高”有载自动调压变压器，设备及电力元器件投入较多且费用比较大，施工周期长，影响施工生产；“高-低”有载自动调压变压器，设备及电力元器件投入少且费用少，施工周期短。

根据莆永高速公路A6 合同段的实际情况，对以上四种方案，通过可行性和经济行综合考虑，选择了方案三和方案四之中的“高-低”有载自动调压变压器，彻底改变了白天黑夜电压低、波动大、设备无法正常运行给施工生产造成的影响，投入少，保证了临时施工用电，为本合同段保质保量按期完工打下了良好的基础。四种方案的各种指标比较如表5所示。

表5 4种方案的各种指标比较表

3.3 现场实施效果

经过技术可行性、经济性分析以及可操作性等方面综合考虑，同时也为了验证各方案的实施效果，过程中首先与电力公司协商实施了方案二，在线路当中安装无功补偿装置，通过安装后的电压波动图（见图4）可以看出效果差；然后尝试了方案三（只购置安装了1 台SBW—800kVA 的稳压器），通过安装后的电压波动图（见图5）可以看出输出电压稳定、可靠；其次尝试了方案四中“高-低”（起初只安装了1台SZ11—630—10/0.4 有载自动调压变压器），通过安装后项目记录的电压波动图（见图6）可知输出电压基本稳定在设定值，也进一步验证了此方案的可行性（备注：输出电压设定值为400V），后来又增加了一台SZ11—500—10/0.4 有载自动调压变压器。