高速公路現(xiàn)場臨時施工用電電壓不穩(wěn)的解決方案

李衛(wèi)斌

（中鐵隧道集團一處有限公司，重慶401121）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，國家公路、鐵路建設(shè)規(guī)模逐漸增大，工程項目普遍分布在偏遠山區(qū)和農(nóng)村地帶，臨時施工用電一般都是在當?shù)?0kV 農(nóng)網(wǎng)進行T 接，農(nóng)網(wǎng)線路隨著季節(jié)、晝夜的變化波動很大，電壓質(zhì)量不能滿足臨時施工用電要求，嚴重影響了工程施工的正常開展，給工程施工帶來了一定的經(jīng)濟損失。本文結(jié)合福建省海西高速公路網(wǎng)莆永線莆田段路基土建工程A6 合同段臨時施工用電情況，對網(wǎng)電電壓不穩(wěn)的現(xiàn)象進行了分析，提出了解決方法，以期為解決施工中遇到電壓不穩(wěn)的情況提供一定借鑒和參考。

1 臨時施工用電電壓存在的問題

1.1 工程概況

福建省海西高速公路網(wǎng)莆永線莆田段路基土建工程A6 合同段，起訖里程為K80+400～K91+400，標段全長11km。項目位于莆田市仙游縣境內(nèi)，起點位于大濟鎮(zhèn)溪口村，終點位于大濟鎮(zhèn)古瀨村白鴿嶺隧道。主要工程項目包括路基土石方、防護及排水、橋梁工程、涵洞及通道、隧道工程等。本合同段共有橋梁5座，其中大橋4座，中橋1座；隧道2.5 座（其中白鴿嶺隧道進口端起訖里程為YK89+710～YK91+400）；涵洞23道；通道7處。

1.2 供電線路現(xiàn)狀（供電單位提供）（見表1）

表1 供電線路總體現(xiàn)狀

1.3 線路末端配置情況

線路的末端電線桿編號為409#，主要工作量為白鶴嶺隧道，洞口安裝有8臺20m3空壓機，2臺110×2kW的通風機，2臺75kW的混凝土輸送泵，6臺7.5kW 的濕噴機。故擬安裝2 臺S11—630—10/0.4的變壓器、1臺S11—500—10/0.4的變壓器，變壓器總?cè)萘繛? 760kV·A。

1.4 配電站主要設(shè)備投入費用

變壓器S11—630—10/0.4 單價（含配電盤）：85 000.00元，數(shù)量2臺；

變壓器S11—500—10/0.4 單價（含配電盤）：73 000.00元，數(shù)量1臺；

共計：85000.00×2+53000.00×1=243000.00元。1.5 項目施工現(xiàn)場用電變壓器輸出電壓情況

根據(jù)國標《電能質(zhì)量供電電壓允許偏差》（GB 12325—2003）的規(guī)定：35kV供電電壓正、負偏差的絕對值之和不超過額定電壓的10%；10kV及以下3 相供電電壓允許偏差為額定電壓的±7%；220V單相供電電壓允許偏差為額定電壓的+7%、-10%。

莆永工程項目，變壓器已調(diào)到3 檔檔位， 隨機抽取其中7d 項目監(jiān)控的變壓器輸出電壓波動情況，如下圖1所示。

圖1 電壓隨時間波動圖

從圖1 中可以看出：全天施工用電電壓低、波動大主要集中在7：00—22：00，其余時間屬于正?，F(xiàn)象（即電壓值及波動處于規(guī)定允許范圍之內(nèi)）。

工程項目施工作業(yè)制為每天24h連續(xù)作業(yè)，兩班或三班倒循環(huán)施工，在電壓波動范圍較大的期間，施工生產(chǎn)無法正常進行，僅僅依靠電壓正常進行施工，施工進度受到制約，不能保證按期履約，嚴重影響企業(yè)信譽，因此急需解決施工現(xiàn)場臨時用電電壓不穩(wěn)的現(xiàn)象。

2 施工用電電壓偏低的原因分析

10kV 古瀨622 線之前為農(nóng)業(yè)負荷，現(xiàn)在該項目高速公路施工用電T 接于10kV 古瀨線上，由于施工用電負荷大，線路又長，負荷集中在線路的末端。線路長、負荷大造成電壓較低，機電設(shè)備無法正常工作，嚴重影響了工程的施工進度。

根據(jù)線路實際條件及莆永高速公路A6 項目實際情況，整條線路現(xiàn)有的最高負荷達4 210kW，線路主干線為LGJ-150 線路長度為21km，功率因數(shù)為0.9，整條線路負載按照均勻分布計算線路末端壓降。

帶入壓降公式可以計算出變電站到主干線409#桿處的壓降ΔU：

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

式中：ΔU為10kV 線路的壓降；UN為變電站出口電壓；P，Q分別為線路有功功率，無功功率；R，X分別為線路的電阻，感抗；L為變電站到主干線409#桿的線路長度。

主干線409#桿的電壓為：U409=UN-ΔU=10.30-3.29=7.01kV，由此可以看到線路末端的電壓很低，給設(shè)備正常運行帶來困難，影響施工生產(chǎn)。

從計算可以得出10/0.4 變壓器輸出端電壓為7.01/25=0.28kV=280V，與隨機抽取的最低電壓基本吻合。

3 調(diào)節(jié)電壓方案介紹及分析論證

3.1 調(diào)節(jié)電壓方案介紹

目前為了保證電壓質(zhì)量，中低壓配電網(wǎng)主要調(diào)壓手段及措施為以下幾種方案：

（1）變電站主變壓器有載調(diào)壓；

（2）改變線路的無功功率；

（3）變壓器低壓端安裝低壓穩(wěn)壓器；

（4）安裝有載自動調(diào)壓變壓器。

3.1.1 變電站主變壓器有載調(diào)壓

目前，大多數(shù)變電站的主變壓器都采用通過調(diào)節(jié)主變壓器的分接頭來改變電壓水平和系統(tǒng)的功率分配方式進行調(diào)壓。根據(jù)系統(tǒng)負荷情況來調(diào)節(jié)主變壓器的分接頭，使變電站出線電壓滿足預(yù)定的要求。由于調(diào)節(jié)的依據(jù)是以變電站的母線為基準，即將母線電壓水平限制在一個預(yù)定的范圍之內(nèi)，以期在以母線為基準的一定輸出半徑內(nèi)實現(xiàn)電壓偏差要求，但無法滿足長距離供電線路末端的電壓要求。而變電站母線又會有多條出線，各條出線的負荷曲線也各有不同，壓降也不同，不能保證所有線路的電壓都滿足要求。因此，這種調(diào)壓方法靈活性、針對性差，當饋線復(fù)雜時往往造成距離變電站近的地方電壓偏高，距離變電站遠的地方電壓偏低。而且偏遠山區(qū)或者農(nóng)村35 kV/10kV小型變電站的主變壓器很多不具備有載調(diào)壓能力，將其改造為有載調(diào)壓變壓器投資較大，改造期間需要間斷停電，給用電用戶造成嚴重影響，故限制了這種調(diào)壓方式的應(yīng)用。

3.1.2 改變線路的無功功率

采用無功率補償方式來改善系統(tǒng)的無功功率，可以提高末端用戶的電壓質(zhì)量。該項目臨時施工用電線路沿仙游城關(guān)至大濟鎮(zhèn)622線路，距離仙游縣城關(guān)變電站21km，在622 線路中點和距離該項目白鴿嶺隧道5.5km處各安裝了一臺電容無功功率補償器，事實檢驗證明雖然對穩(wěn)定網(wǎng)電10kV電壓有一定的效果，但效果甚微，不能解決電壓降過大的問題。戶外補償器是電網(wǎng)系統(tǒng)中廣泛使用的電壓調(diào)整措施，其體積小，安裝方便，實現(xiàn)了分散補償，而且自動補償。但是在偏遠山區(qū)或者農(nóng)村，在低谷運行時，投入電容補償器會進一步增加配電變壓器的鐵損，從而使線損增加，更重要的是電容器補償主要提高線路的功率因數(shù)，調(diào)壓效果很有限，僅僅依靠電容補償器并不能解決線路長、電阻等引起的電壓降問題。

3.1.3 變壓器低壓端安裝低壓穩(wěn)壓器在低壓端安裝調(diào)壓器就是穩(wěn)定10kV/0.4kV 變壓器輸出端電壓，在低壓線路中安裝調(diào)壓設(shè)備把輸出電壓穩(wěn)定在400V。目前國內(nèi)市場上有技術(shù)比較成熟的一種SBW 系列補償式交流穩(wěn)壓器，SBW系列三相全自動補償式電力穩(wěn)壓器是為穩(wěn)定交流電壓而設(shè)計的，當外界的供電網(wǎng)絡(luò)電壓波動或負載變化而造成電壓波動（260～450V 范圍之內(nèi)）時，能自動保持輸出電壓（可以調(diào)整的）的穩(wěn)定。

SBW 系列三相全自動補償式電力穩(wěn)壓器工作原理為：SBW 系列穩(wěn)壓器由三相補償變壓器TB、三相調(diào)壓變壓器TUV 電壓檢測單元、電動機控制與傳動機構(gòu)，接觸操作電路，保護電路組成。電氣原理圖如圖2所示。

圖2 三相補償式交流穩(wěn)壓器電氣原理圖

其穩(wěn)壓過程是：根據(jù)輸出電壓的變化，由電壓檢測單元采樣，檢測并輸出然后控制電動機SM轉(zhuǎn)動，經(jīng)減速機構(gòu)并經(jīng)鏈條帶動調(diào)壓變壓器TUV上的電刷組滑動來調(diào)節(jié)調(diào)壓器的第二次電壓，改變補償變壓器的極性和大小，在穩(wěn)壓精度允許的范圍內(nèi)，實現(xiàn)輸出電壓自動穩(wěn)壓從而達到自動穩(wěn)壓的目的。

它具有效率高、無波形畸變、電壓調(diào)節(jié)平穩(wěn)等優(yōu)點，適用負載廣泛，能承受瞬時超載，可長期連續(xù)工作，手動/自動切換，設(shè)有過壓保護、缺相、相序保護及機械故障自動保護，以及體積小、重量輕、使用安裝方便、運行可靠、性價比高等優(yōu)點。市場上出售的630kVA、800kVA穩(wěn)壓器的價格在每臺72 000.00元、86 000.00元。

根據(jù)項目施工特點，為了驗證這種穩(wěn)壓器的使用效果，先在白鴿嶺隧道配電站的其中1 臺S11—630—10/0.4 變壓器輸出端安裝1 臺穩(wěn)壓器，通過1.4中電壓降計算以及隨機抽取，根據(jù)匹配原則，考慮安全、保險因素，最終選定SBW—800kVA的穩(wěn)壓器，輸出電壓在400V左右，通過安裝這種SBW 系列三相全自動補償式電力穩(wěn)壓器，施工用電得到了很好的改善，滿足了項目施工生產(chǎn)的需要。

在變壓器低壓側(cè)安裝穩(wěn)壓器會使原來的變壓器容量無形之中減少，以S11—630—10/0.4變壓器為例通過計算加以說明：

式中：U為變壓器低壓側(cè)的最低電壓，280V（2.1計算及隨機抽?。?；I為變壓器低壓側(cè)的最大電流，907.2A（變壓器銘牌上標識的）。

Q=1.732UI=1.732×0.28×907.2=440kV·A

440/630×100=70%，即在變壓器低壓側(cè)安裝穩(wěn)壓器后，變壓器的容量是原變壓器容量的70%，降低了變壓器容量，就不能滿足原來變壓器計劃所載的負荷，那么要滿足計劃確定的負荷就要增加變壓器的容量，增加了投入。

電壓低、波動大，這種穩(wěn)壓器的碳刷在繞組上上下來回移動的頻率比較高，會加快碳刷和繞組的磨損，從而出現(xiàn)故障使穩(wěn)壓器無法運行。

能夠保證供電質(zhì)量，滿足白鴿嶺隧道設(shè)備正常用電總投入費用見表2。

表2 白鴿嶺隧道設(shè)備正常用電總投入費用表

比原計劃多投入：632000.00-243000.00=389000.00元。

3.1.4 安裝有載自動調(diào)壓變壓器

有載自動調(diào)壓變壓器有兩種形式的：一種是10kV—10kV，即通過自動調(diào)整保證輸出側(cè)的電壓保持在10kV 左右，輸入側(cè)理論值為10kV，簡稱“高-高”有載自動調(diào)壓變壓器；另外一種是10kV—0.4kV，即通過自動調(diào)整保證輸出側(cè)的電壓保持在0.4kV 左右，輸入側(cè)理論值為10kV，簡稱“高-低”有載自動調(diào)壓變壓器，二者的工作原理相同。

有載自動調(diào)壓變壓器集自耦變壓器、有載分解開關(guān)、智能控制器為一體，通過有載分解開關(guān)調(diào)節(jié)變壓器變比來實現(xiàn)自動有載調(diào)壓，智能控制器以單片機為核心，對信號進行采集、分析、判斷、處理，然后發(fā)出信號，驅(qū)動有載分解開關(guān)調(diào)節(jié)電壓，該裝置具有完整的控制自動跟蹤功能，電壓調(diào)整精度高，動作可靠，可以保證用戶電壓要求；采用自耦式調(diào)壓結(jié)構(gòu)，與同容量的配電變壓器相比較具有電磁容量小、體積小，損耗低的優(yōu)點；采用工業(yè)級集成電路，可靠性高；控制器抗干擾能力強，可以適應(yīng)戶外惡劣環(huán)境；完善的保護功能，可以防止控制器參數(shù)設(shè)置錯誤，分接開關(guān)聯(lián)動、頻動；還設(shè)有上、下限位保護，防止各種可能情況出現(xiàn)誤動；控制器設(shè)置了鍵盤，方便各種參數(shù)的設(shè)置和讀取。

（1）有載自動調(diào)壓變壓器工作原理（見圖3）

圖3 有載自動調(diào)壓變壓器工作原理

有載自動調(diào)壓變壓器主要由3 部分組成即：三相自耦式調(diào)壓變壓器、三相有載分接開關(guān)、智能控制器。 圖中A 為輸入端（一次側(cè)）接電源，a 為輸出端（二次側(cè)）接負載。調(diào)壓器控制器通過檢測輸出側(cè)電壓，和基準電壓進行比較，如輸出側(cè)電壓大于（或小于）基準值并且超過允許范圍、控制器開始延時，如延時時間和動作間隔時間均滿足，則控制器向有載分接開關(guān)發(fā)出降檔（或升檔）指令，控制有載分接開關(guān)內(nèi)的電動機運轉(zhuǎn)，帶動分接開關(guān)從一個分接頭切換至另一個分接頭，從而改變變壓器的變比以實現(xiàn)有載自動調(diào)壓。

三相有載分接開關(guān)在帶負載的情況下轉(zhuǎn)換節(jié)點，控制線圈為控制器提供采樣信號。在自動調(diào)壓變壓器中，串聯(lián)繞組的抽頭接在分接開關(guān)的不同節(jié)點上，通過轉(zhuǎn)換接點調(diào)節(jié)變壓器變比改變輸出電壓，一般常用的分接開關(guān)有7檔和9檔兩種。

智能控制器是有載調(diào)壓變壓器的智能部分，它采集輸出的電壓信號與設(shè)定值進行比較，然后發(fā)出指令控制有載分接開關(guān)，進行調(diào)壓操作，使饋線電壓達到預(yù)定值。如果智能控制器采集到的電壓信號小于基準電壓，并且信號電壓和基準電壓之間的差值達到一定的數(shù)值，經(jīng)一定延時后發(fā)出控制指令，通過繼電器驅(qū)動分接開關(guān)的電機，升高分接開關(guān)檔位從而升高輸出電壓。

（2）經(jīng)濟性比較

以滿足線路末端白鴿嶺隧道配電站變壓器的計劃負載為例，對兩種形式的有載自動調(diào)壓變壓器進行經(jīng)濟比較。

①“高-高”有載自動調(diào)壓變壓器投入的費用（見表3）

線路末端為白鴿嶺隧道，負荷總?cè)萘繛?760kVA,一般按照有載自動調(diào)壓變壓器額度容量為用電負荷總?cè)萘康?.1倍來選擇。有載調(diào)壓變壓器的容量為1760×1.1=1936kVA，可以選擇容量為2 000kVA 有載自動調(diào)壓變壓器。

表3 “高-高”有載自動調(diào)壓變壓器投入的費用表

比原計劃多投入：682800.00-243000.00=439800.00元。

投入這種有載自動調(diào)壓變壓器可以保證輸出側(cè)10kVA電壓比較穩(wěn)定，但是還要安裝10/0.4的變壓器才能滿足設(shè)備所需要的電壓等級，施工周期為40d。

②“高-低”有載自動調(diào)壓變壓器投入的費用（見表4）

原計劃安裝2 臺S11—630—10/0.4 的變壓器、1 臺S11—500—10/0.4 的變壓器，選擇SZ9 系列有載自動調(diào)壓變壓器，考慮安全因素，經(jīng)技術(shù)咨詢和廠家現(xiàn)場查勘，選擇同容量的有載自動調(diào)壓變壓器即可滿足要求，即2 臺SZ11—630—10/0.4，1臺SZ11—500—10/0.4。

表4 “高-低”有載自動調(diào)壓變壓器投入的費用表

比原計劃多投入：312000.00-243000.00=69000.00元。

投入這種有載自動調(diào)壓變壓器替換同等容量的變壓器即可滿足設(shè)備所需要的電壓等級，施工周期為10d。

通過比較，在同樣能滿足用電質(zhì)量要求的情況下，為節(jié)約成本，減少投入，創(chuàng)造經(jīng)濟效益，選擇了“高-低”有載自動調(diào)壓變壓器，高壓側(cè)調(diào)壓范圍為7～11kV，檔位為9檔，每個檔位相差0.5 kV。

通過安裝有載自動調(diào)壓變壓器后409#桿最高電壓為：

式中：C為0%～+30%調(diào)壓范圍時，調(diào)壓器的最大變比。

通過安裝有載自動調(diào)壓變壓器升壓以后409#桿安裝點的電壓可以穩(wěn)定在0.4kV左右，滿足了設(shè)備用電要求，事實驗證了此方案可行。

3.2 調(diào)壓方案實踐檢驗及論證

（1）方案一

調(diào)壓方法靈活性、針對性差，距離變電站近的地方電壓偏高，距離變電站遠的地方電壓偏低；改造時，投資較大，期間的間斷停電給用電用戶造成嚴重影響，這種調(diào)壓方式不具有可操作性。

（2）方案二

由于線路太長，實踐檢驗長距離輸電電路無功補償效果甚微。

（3）方案三

輸出電壓穩(wěn)定在400V 左右，滿足了設(shè)備用電要求，投入稍大，電壓波動大且負荷大時，易出現(xiàn)不頻繁故障。

（4）方案四

“高-高”有載自動調(diào)壓變壓器，設(shè)備及電力元器件投入較多且費用比較大，施工周期長，影響施工生產(chǎn)；“高-低”有載自動調(diào)壓變壓器，設(shè)備及電力元器件投入少且費用少，施工周期短。

根據(jù)莆永高速公路A6 合同段的實際情況，對以上四種方案，通過可行性和經(jīng)濟行綜合考慮，選擇了方案三和方案四之中的“高-低”有載自動調(diào)壓變壓器，徹底改變了白天黑夜電壓低、波動大、設(shè)備無法正常運行給施工生產(chǎn)造成的影響，投入少，保證了臨時施工用電，為本合同段保質(zhì)保量按期完工打下了良好的基礎(chǔ)。四種方案的各種指標比較如表5所示。

表5 4種方案的各種指標比較表

3.3 現(xiàn)場實施效果

經(jīng)過技術(shù)可行性、經(jīng)濟性分析以及可操作性等方面綜合考慮，同時也為了驗證各方案的實施效果，過程中首先與電力公司協(xié)商實施了方案二，在線路當中安裝無功補償裝置，通過安裝后的電壓波動圖（見圖4）可以看出效果差；然后嘗試了方案三（只購置安裝了1 臺SBW—800kVA 的穩(wěn)壓器），通過安裝后的電壓波動圖（見圖5）可以看出輸出電壓穩(wěn)定、可靠；其次嘗試了方案四中“高-低”（起初只安裝了1臺SZ11—630—10/0.4 有載自動調(diào)壓變壓器），通過安裝后項目記錄的電壓波動圖（見圖6）可知輸出電壓基本穩(wěn)定在設(shè)定值，也進一步驗證了此方案的可行性（備注：輸出電壓設(shè)定值為400V），后來又增加了一臺SZ11—500—10/0.4 有載自動調(diào)壓變壓器。

圖4 方案二輸出電壓隨時間波動圖

圖5 方案三輸出電壓隨時間波動圖

圖6 方案四輸出電壓隨時間波動圖

4 結(jié)語

通過實踐證明，在遇到臨時施工用電網(wǎng)電壓不穩(wěn)的情況下，要對當?shù)仉娋W(wǎng)進行調(diào)研并對造成電壓不穩(wěn)定的因素進行綜合分析，然后通過可行性和經(jīng)濟性論證確定合理的解決方案，既改善了網(wǎng)電質(zhì)量，又滿足了工程項目施工生產(chǎn)需求，使得施工企業(yè)和供電單位得到共贏。

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