地铁主变电所电压水平匹配调整分析

李良威，李 强，张 彤

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031)

城市地铁圈作为拉开城市框架，促进新型城市城镇化建设，推动“产城一体化”的有效策略，已经成为“十三五”规划中重点发展的基础设施，其建设规模越来越大。

目前国内、外大部分城市地铁均采用集中供电方式，通过自建110 kV主变电所从城市电网引入两路110 kV电源。早期地铁线路围绕城市中心，地方变电站资源相对较多，110 kV进线电缆较短，且初期主变负载率不高，对于地铁电能质量，尤其是110 kV、35 kV、0.4 kV各电压等级的电压水平关注较小，随着外部电源距离较长110 kV电缆线路的普遍应用以及负荷变化，再加上地方电网电源电压的稳定抬升，使得一些地铁供电系统高、中、低电压等级的电压匹配超出了控制范围，即使通过变压器分接头调整电压变比，也使地铁供电系统的电压水平偏高，可调范围缩小。本文以国内某地铁线遇到的电压问题为例，通过采用德国电力系统分析软件(Digsilent/PowerFactory)建立了地铁供电系统交直流仿真模型，对高、中、低电压水平的匹配调整问题进行了系统分析，并提出了相关的解决方案。

1 地铁供电系统

地铁供电系统分为高压供电系统和地铁内部供电系统两个重要部分。集中供电方式是通过从地方电网的220 kV(110 kV)变电所的110 kV母线引出馈线，新建110 kV电缆线路，在地铁线路附近新建110/35 kV主变电所，经过降压后通过35 kV电缆环网给各个车站的牵引所和降压所供电，交流35 kV经整流变压器整流为直流1 500 V或750 V(大部分采用1 500 V)为列车供电，同时35 kV经降压为0.4 kV为动力、照明灯等常规负荷供电。整个地铁供电系统如图1所示。

图1 地铁供电系统示意

2 供电电压标准分析

通常，主变电所设计和地铁供电系统设计一般分别由地方电力设计院和地铁设计院两家单位完成，主变电所专业与地铁供电系统专业的分界点为地铁主变电所35 kV环网开关柜馈出线端子，两家设计单位对各自电压范围的设计规范理解会有一些差异。

2.1 主变电所进线运行电压及其波动范围

地铁供电系统普遍认为主变电所的110 kV进线运行电压为110±5 % kV，而实际城市供电系统，电网的建设越来越完善，电源点增加，线路改造降低了网损，电缆的采用减低了压损，整个电网系统的电压值是普遍抬升的，网络电力系统110 kV运行电压一般在系统平均额定电压(115±5 % kV)。

2.2 35 kV供电网络运行电压及其波动范围

根据GB 50157-2013《地铁设计规范》中15.1.16条规定：“供电系统的中压网络应按列车运行的远期通过能力设置，对互为备用线路，一路退出运行另一路应承担其一、二级负荷的供电，线路末端电压损失不宜超过5 %”。

GB 50052-2009《供配电系统设计规范》中5.0.8条规定：“电压偏差应符合用电设备端电压的要求，大于等于35 kV电网的有载调压宜实行逆调压方式。逆调压的范围为额定电压的0～+5 %”。

GB/T 12325-2008《电能质量供电电压偏差》中4.1条规定：“35 kV及以上供电电压正、负偏差绝对值之和不超过标称电压的10 %”。

电力系统认为地铁35 kV供电网络运行电压宜为36.75 kV(35 kV的1.05倍)，不应超过38.5 kV(35 kV的1.1倍)。

2.3 配电变压器低压侧额定电压范围

GB 50157-2013根据《地铁设计规范》中15.1.26条规定：“低压配电电压应采用220 V/380 V”。

GB 50052-2009《供配电系统设计规范》中5.0.4条规定：“正常运行情况下，用电设备端子处电压偏差允许值宜符合下列要求：(1)电动机为±5 %额定电压。(2)照明：在一般工作场所为±5 %额定电压”。

GB/T 12325-2008《电能质量供电电压偏差》中4.2条规定：“20 kV及以下三相供电电压偏差为标称电压的±7 %”。

电力系统认为降压所低压侧电压406.6 V(380 V的1.07倍)为运行最高电压，不应抬升到420 V(400 V的1.05倍)。

3 供电系统建模

电力系统电磁机电暂态混合仿真程序DIgSILENT/PowerFactory是德国DIgSILENT GmbH公司开发的电力系统仿真软件，DIgSILENT这一名称来源于数字仿真和电网计算程序(Digital Simulation and Electrical Network)。软件提供了全面的电力系统元件的模型库，包括发电机、电动机、控制器、动态负荷、线路、变压器、无功功率补偿设备的模型。

DIgSILENT/PowerFactory的AC/DC潮流计算分析模块可以描述复杂的单相和三相AC系统及各种交直流混合系统。潮流求解过程提供了3 种方法以供选择：经典的牛顿—拉夫逊算法、牛顿—拉夫逊电流迭代法和线性方程法(直接将所有模型作线性化处理)。在进行潮流计算的同时，DIgSILENT/PowerFactory 还有变电站控制、网络控制和变压器分接头调整控制可供选择。

按照图1的供电示意图进行电力系统元件的等效模型变换为图2。

图2 等效图1的DIgSILENT电力仿真模型

4 案例分析

以国内某地铁线其中的TT主变电所2#主变供电范围的出现的电压问题为例进行分析。

4.1 基础条件

(1)供电方案：TT主变电所2#主变供电范围方案及相关参数如图3所示。

(2)外部电源：TT主变电所2#主变110 kV电缆进线2.8 km，电缆选用400 mm2单芯电缆，电力系统输入电压116.4 kV。

(3)变压器变比参数：2#主变压器电压比：110±8×1.25 %/38.5 kV，共17档；降压所配电变压器：35±2×2.5 %/0.4 kV，共5档。

图3 TT主变电所2#主变供电范围方案示意

4.2 供电仿真分析

由以上基础建立DIgSILENT电力仿真模型，在各个变压器的分接头均运行下中间档位时，由于主变的中压侧标准采用的是38.5 kV，而进线电压为116.4 kV，此时正常运行情况下，中压侧电压达到40.5 kV，必须通过调整分接头来降低中压侧电压，通过使用DIgSILENT软件的变压器分接头自动调整控制模块，可以使其达到最优匹配(表1)。

表1 各个变压器的分接头调整电压

由仿真结果可以看出，由于中压侧标准电压设置的不匹配问题，现有外部电源进线电压高，主变压器的变比分接头变比已经拉到最大，系统中压侧环网电压还是偏高，同时配电变分接头档位少，调整有限，低压侧的出口电压普遍较高，运行电压过高会危及到电气设备的正常运行，轻则加速电气设备绝缘老化，降低寿命，在遇到外部电源在标准范围内突然升高，可能直接烧毁用电器，导致电器损坏甚至引起火灾。

4.3 解决方案

为适应外部电网的波动性，确保主变压器分接头有可调范围，考虑到运营、时间、投资、技术、场地等因素，研究对中压调整方案进行了经济技术对比，主要包括三个方案：

(1)分期逐台改造主变压器，主变返回原厂进行绕组改造，对运营影响较大，时间较长；

(2)对中压35 kV侧增加与主变容量相同的双绕组降压变压器38.5/35 kV，需要对中压35 kV侧改造，需要调节接线和增加场地等要求；

(3)中压侧35 kV出线后串接降压式自耦变压器38.5/35 kV，自耦变压器因一、二次边共用一部分绕组，与双绕组变压器相比，在变压器额定容量(通过容量)相同时，自耦变压器的绕组容量(电磁容量)比双绕组变压器的小，自耦变压器的设计是按照电磁感应传递的功率即结构容量(也就是铁芯功率)来设计，而不是按其传递容量(即输出功率)来设计，因此自耦变压器的重量及外形尺寸都较双绕组变压器小，场地增加要求较小。

5 结束语

地铁供电系统是一个复杂，动态的过程，电压、分接头、负荷、无功功率等因素是相互影响的，110/35 kV 主变电站处于即承接地方电网电能，又转接给地铁内部供电的核心位置，在整个系统的设计过程中，电网方和地铁方，在设计过程中应该采用一体化设计手段，充分考虑外部和内部的实际特性，使得整个地铁各个电压等级匹配达到最佳配置。同时，为适应外部电网的波动性，为了运营安全，建议在投入运营前，应通过高、中、低压，交直流全供电系统仿真计算，分析研究主变压器和配电变压器的分接头配合使用的优化方案，使得各侧电压在规范规定的范围内的波动，并为负荷变化，外部电网变化留出更多的可调裕度，并制定相应的调整方案。