地铁降压变电所负荷情况实测与评估*

叶小雯 刘 炜 刘瑞龙 董 静 李鲲鹏

(1.西南交通大学电气工程学院，610031,成都;2.成都地铁运营有限公司，610051,成都;3.广州地铁设计研究院有限公司，510010,广州//第一作者，硕士研究生)

35 kV/400 V降压变电所(以下简为“降压所”)为地铁的照明及动力设备集中供电。降压所都在其2段35 kV母线上各设1台降压变压器，以各自承担供电负荷。防灾报警、消防、电梯、环控及冷源等重要的一级负荷由降压所采用放射式配电方式供电;其他二、三级负荷(如照明等)由降压所采用树干式配电方式供电[1]。降压所供电网络如图1所示。

图1 降压所供电网络示意图

地铁35 kV/400 V降压所中有多种采用变频装置的非线性负荷。这些负荷在吸收基波功率的同时，会将其中一部分基波功率转化为谐波功率注入系统，成为系统谐波源[2]。35 kV/400 V降压所会产生大量的3次、5次、7次等高次谐波[3-4]。400 V系统是地铁供电系统第二大谐波源。严重时谐波会导致设备损毁等一系列严重事故。有源滤波装置(APF)是一种性能良好的谐波治理和无功补偿装置,现已广泛应用,并引起了关注[5-6]。

本文以成都地铁部分降压所为例,对降压所动力负荷的电压及电流进行实测，并评估降压所内的变压器负载率,分析谐波电压和谐波电流特性，为降压所变压器容量设计、负荷电能质量评估和APF的设计等提供依据。

1 降压所各类负荷比例

降压所中主要负荷有商业用电,以及环控、冷源、电扶梯、电梯、直流电源、控制设备和照明设备等用电。各种负荷耗电量所占比例各不相同。成都地铁孵化园站降压所各类负荷某月用电量统计如表1所示。

表1 成都地铁孵化园站降压所各类负荷某月耗电量统计表

2 变压器负载率

成都地铁部分35 kV/400 V降压所变压器某日高峰负载率情况如表2所示。根据GB 50059—2011《35～110 kV变电所设计规范》规定,装有2台及以上主变压器的变电站，当断开1台变压器时，其余变压器的容量(包括过负荷能力)应能满足全部一、二级负荷用电的要求[7],而且,变压器的效率最佳负载率为45%～60%[9]。但降压所变压器容量设计时需考虑各类负荷的最大用电需求，并取负荷同时系数后累计，故设计富裕量一般偏大。

表2 成都地铁部分降压所变压器实测负载率统计表

3 母线及各类负荷的谐波特性

3.1 400 V母线谐波电压及电流分析

成都地铁降压所400 V母线的谐波电压畸变率实测情况如表3所示。降压所400 V母线奇次谐波电压含有率均小于4%,偶次谐波电压含有率均小于2%,电压总谐波畸变率(THDU)的95%概率值均小于5%。

表3 降压所400 V母线谐波电压畸变率的95%概率值

根据GB/T 14549-93《电能质量 公用电网谐波》[10]，计算降压所400 V母线谐波电流允许值为：

(1)

式中：

sk1——公共连接点最小短路容量；

sk2——基准短路容量；

Ihp——国标第h次谐波电流允许值；

Ih——短路容量,为sk1进线第h次谐波电流允许值。

成都地铁某降压所的变压器容量为1 600 kVA，400 V母线的最小短路容量为19 MVA，母线谐波电流允许值如表4所示。

表4 成都地铁某降压所400 V母线谐波电流允许值

统计成都地铁降压所400 V母线谐波电流情况如表5所示。谐波电流含量IH等于非正弦周期交流电流减去基波电流分量。经实测,成都地铁降压所400 V母线谐波电流畸变率(THDI)的95%概率值为9.1%～35.9%，谐波电流含量多为19～95 A，个别降压所的短时谐波电流含量接近100 A。

3.2 环控负荷谐波分析

降压所约1/3的电能都供于环控负荷，其谐波情况不可小觑。图2为某降压所某个环控负荷的电流瞬时值波形图。由图2可见,电流伴有明显谐波畸变。该环控负荷基波实测值见图3,其3次、5次、7次谐波电流较严重，相应电流有效值如图4所示。

表5 降压所400 V母线谐波电流含量及其畸变率

图2 某环控负荷电流周期波形图

图3 某环控负荷基波电流实测值

由图4可知，环控负荷在夜间非运营时段各次谐波电流都非常小，可忽略不计。上述环控负荷在运营时间内的谐波电流有效值统计情况见表6。

表6 环控负荷谐波电流统计值

图3中,环控负荷在运营时段的基波电流实测值均值为48.9 A。经分析,最大污染为5次谐波污染，其谐波电流95%概率值达24.6 A，5次谐波电流含有率达50%左右，情况较为严重。其次的较大污染是7次谐波电流，其95%概率值为15.7 A，谐波电流含有率为31%。

a)3次谐波电流

b)5次谐波电流

c)7次谐波电流

环控负荷的谐波电流允许值为:

(2)

式中：

Ihi——公共连接点处负荷i的第h次谐波电流允许值，A；

Bi——负荷i在公共连接点处所占的负荷比例；

α——相位叠加系数。

根据环控负荷耗电量所占比例,结合式(2),计算可得400 V母线环控类负荷谐波电流允许值见表7。

表7 400 V母线环控类负荷谐波电流允许值

由表7可见,环控负荷5次及7次谐波都较大,已达谐波限值的50%左右，但没有超标。在实际的降压所内每段母线带有1～3个环控负荷。这就需按GB/T 14549-93《电能质量 公用电网谐波》[10]将2个谐波源(母线)的同次谐波电流进行迭加，即：

(3)

式中：

Ihi1——一段母线负荷i的第h次谐波电流；

Ihi2——二段母线负荷i的第h次谐波电流；

kh——谐波迭加系数。

将多个环控负荷按式(3)进行迭加,可得其迭加谐波电流(见表8)。

表8 多个环控负荷迭加谐波电流

由表8可见,当一段400 V母线接入多个环控负荷时，环控负荷的5次及7次谐波电流均面临超标问题。

3.3 冷源负荷谐波分析

冷源负荷耗电量占降压所总耗电量的24%。某冷源负荷的电流波形如图5所示。

图5 某冷源负荷电流波形图

该冷源负荷基波实测值见图6,冷源负荷是一种具有冲击特性的负荷，其2次、3次、5次、7次谐波电流较为严重。相应的谐波电流有效值如图7所示。上述冷源负荷基波及谐波电流统计情况见表9。

图6 某冷源负荷基波电流

表9 某冷源负荷谐波电流统计值

a) 2次谐波电流

b) 3次谐波电流

c) 5次谐波电流

d) 7次谐波电流

在运营时段内，冷源基波电流有效值幅值可达220 A，均值维持在104 A左右;在非运营时间内，基波电流均值降为46.23 A。其中,5次及7次谐波电流较大，5次谐波电流的95%概率值为2.53 A，7次谐波电流的95%概率值为2.00 A。

冷源负荷谐波电流允许值如表10所示。降压所内一段400 V母线通常带有1～2个冷源负荷，其谐波电流都远小于基波电流幅值及表10的电流限值。

表10 400 V母线冷源类负荷谐波电流允许值

3.4 电扶梯负荷谐波分析

电扶梯负荷耗电量虽不多，但降压所会有多个电扶梯负荷，故其谐波特性不容忽视。图8为某电扶梯负荷电流波形图。由图8可见,其电流较小且畸变严重。

该电扶梯负荷基波电流如图9所示。电扶梯负荷明显为冲击负荷，其基波电流均值稳定于2.37 A左右，3次、5次、7次、9次谐波电流较为严重。相应的谐波电流有效值如图10所示。

图8 某电扶梯负荷电流周期波形图

图9 某电扶梯负荷基波电流

a) 3次谐波电流

b) 5次谐波电流

c) 7次谐波电流

d) 9次谐波电流

图10中,该电扶梯空载情况忽略不计，则上述电扶梯负荷谐波电流有效值情况统计如表11所示。

表11 某电扶梯负荷基波及谐波电流统计值

由表11可见,电扶梯的谐波电流都很小，仅5次及7次谐波电流相对较大。电扶梯负荷还需满足GB/T 24807—2009《电磁兼容 电梯、自动扶梯和自动人行道的产品系列标准》[11]的要求,某电梯谐波电流与基波电流均值比值如表12所示。

表12 某电梯谐波电流与基波电流均值的比值

由表12可见,电扶梯负荷的5次、7次、11次及13次谐波电流都严重超标。

降压所中谐波源众多，使得其电网及所内电气设备损耗严重，且容易因过热、过电压而损坏，从而造成经济损失和安全事故。

降压所中APF的安装可对幅值和频率都变化的谐波进行治理,并对无功进行补偿，但根据实测数据,400 V侧无功补偿前的功率因数即可达标，所以较大的APF安装容量对现有的降压所谐波问题显得裕量偏大。

4 结论

(1) 现有许多35 kV/400 V降压所内的变压器都处于轻载的状态，其负载率在6%～22%之间。

(2) 35 kV/400 V降压所的环控负荷和冷源负荷耗电量最大，分别占总耗电量的31%、24%，车站照明、商业等其它用电负荷略小。

(3) 降压所400 V母线电压总谐波畸变率的95%概率值均小于5%，谐波电流含量大多为19～95 A。

(4) 降压所电扶梯负荷容易受到其它负荷的影响，存在着谐波电流超标问题，其中,5次、7次、11次及13次谐波电流较大；降压所环控负荷是5次、7次谐波电流的最大污染源。

(5) 地铁降压所中,APF容量设置大小应综合考虑地面站或地下站的变压器负载率,以及各类负荷的谐波特性。