地鐵主變電所之間中壓環(huán)網(wǎng)支援方案探討

朱 玲

（深圳市市政設(shè)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(wǎng)絡(luò)，新建主變電所或共享既有主變電所進(jìn)行供電[1-6]。隨著城市地鐵建設(shè)的發(fā)展，城市地鐵規(guī)模不斷擴(kuò)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(cè)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(jìn)行支援供電。在選擇支援供電方案時，需要系統(tǒng)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(yùn)行。本文針對地鐵的臨時電源方案進(jìn)行分析比較，并通過實(shí)際案例進(jìn)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(tǒng)應(yīng)確保安全、可靠。支援供電有以下4個原則。

一是中壓環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)可靠且運(yùn)行方式靈活，在正常運(yùn)行方式、故障支援方式下均要確保供電系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行，盡量避免造成大面積停運(yùn)等嚴(yán)重影響[7]；二是電壓壓降滿足設(shè)備的運(yùn)行需求，在任何運(yùn)行方式下的中壓供電網(wǎng)絡(luò)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(fù)雜造成誤操作，擴(kuò)大停電范圍；四是在滿足功能要求的情況下技術(shù)方案需經(jīng)濟(jì)合理，避免資源浪費(fèi)[10]。

根據(jù)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(jìn)行探討分析。

2 中壓環(huán)網(wǎng)方案及設(shè)計運(yùn)行方式

華南某大型地鐵工程線路全長約40 km，共設(shè)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(huán)網(wǎng)采用小供電分區(qū)方案，一共劃分為9個供電分區(qū)。

2.1 正常運(yùn)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(qū)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(qū)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(shè)置開閉所分別向第七、八、九供電分區(qū)供電。由于ZS3主變電所為既有的變電所，僅為本工程預(yù)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(shè)置開閉所（以下簡稱“KBS1”）。35 kV側(cè)正常運(yùn)行時的供電范圍劃分如圖1所示。

圖1 35 kV側(cè)正常運(yùn)行時的供電范圍劃分

2.2 故障情況下運(yùn)行方式一

當(dāng)ZS1主變電所或ZS2主變電所一回進(jìn)線電源電纜故障或一臺主變壓器解列時，閉合35 kV母聯(lián)開關(guān)，由另一回進(jìn)線電源電纜或變壓器承擔(dān)該主變電所供電區(qū)域內(nèi)的牽引及動力照明一、二級負(fù)荷。

當(dāng)ZS3主變電所一回進(jìn)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(qū)的35 kV出線斷路器，閉合HSW2變電所的35 kV環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)，閉合ZS3主變電所35 kV母聯(lián)開關(guān)，由另一回進(jìn)線電源電纜或變壓器承擔(dān)第八、九供電分區(qū)供電區(qū)域內(nèi)的牽引及動力照明一、二級負(fù)荷。與此同時，由ZS2主變電所向第七供電分區(qū)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(qū)的供電需求）。

2.3 故障情況下運(yùn)行方式二

當(dāng)ZS1主變電所故障解列時，閉合設(shè)置在HWS1變電所的35 kV環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)，由ZS2主變電所承擔(dān)第一至第六供電分區(qū)的牽引負(fù)荷和動力照明一、二級負(fù)荷。

當(dāng)ZS2主變電所故障解列時，斷開ZS2主變電所向第六供電分區(qū)供電的35 kV出線斷路器，閉合設(shè)置在HWS1、HWS2變電所的35 kV環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)，由ZS1主變電所承擔(dān)第一至第五供電分區(qū)內(nèi)的牽引負(fù)荷和動力照明一、二級負(fù)荷，由ZS3主變電所承擔(dān)第六至第九供電分區(qū)內(nèi)牽引負(fù)荷和動力照明一、二級負(fù)荷。

當(dāng)ZS3主變電所故障解列時，斷開機(jī)場北主變電所向KBS1供電的35 kV出線斷路器，閉合設(shè)置在HWS2變電所的35 kV環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)，由ZS2主變電所承擔(dān)第四至第九供電分區(qū)的牽引負(fù)荷和動力照明一、二級負(fù)荷。

3 臨時供電系統(tǒng)方案

實(shí)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(tǒng)計如表1所示。

表1 主變電所外電情況統(tǒng)計

根據(jù)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(yùn)營初期，其他主所均引入兩路110 kV電源。

3.1 正常供電

當(dāng)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(lián)開關(guān)，由ZS1主變電所Ⅰ段承擔(dān)該主變電所供電區(qū)域內(nèi)的牽引及動力照明一、二、三級負(fù)荷。具體供電分區(qū)范圍調(diào)整如圖2所示。

圖2 臨時供電下，35kV側(cè)正常運(yùn)行時的供電范圍劃分（方案一）

方案二：參考運(yùn)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(dān)兩所正常供電范圍內(nèi)Ⅱ段的牽引負(fù)荷和動力照明一、二、三級負(fù)荷。具體供電分區(qū)范圍調(diào)整如圖3所示。

圖3 臨時供電下，35kV側(cè)正常運(yùn)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(fā)生其他故障時倒閘復(fù)雜的問題，倒閘錯誤會擴(kuò)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(nèi)母聯(lián)，方案二需要合HWS1站Ⅱ段環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)，兩個方案倒閘操作簡單，但是后續(xù)如果在此基礎(chǔ)上再發(fā)生其他的進(jìn)線故障，方案一相對方案二具有倒閘清晰、影響范圍小的優(yōu)點(diǎn)。

3.2 一路電源故障（除ZS1主變電所外）

一路電源故障時，優(yōu)先采用閉合該主變電所35 kV母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)，由該主變電所非故障線路電源承擔(dān)剩下全部負(fù)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(lián)絡(luò)開關(guān)，由該主所Ⅰ段非故障線路電源承擔(dān)第四、五、六供電分區(qū)的牽引負(fù)荷及動力照明一、二、三級負(fù)荷。ZS1主變電所Ⅰ段承擔(dān)第一、二、三供電分區(qū)的牽引負(fù)荷及動力照明一、二、三級負(fù)荷。具體供電分區(qū)范圍調(diào)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(yùn)行方式下選擇合ZS1主變電所母聯(lián)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(lián)即可，倒閘操作簡單。若正常運(yùn)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(fā)生故障的情況下需斷開HWS1變電所的環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)，再分別閉合ZS1主變電所和ZS2主變電所內(nèi)的母聯(lián)，倒閘操作復(fù)雜，若誤操作則會擴(kuò)大停電范圍，造成嚴(yán)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(lián)絡(luò)開關(guān)，由該主所Ⅱ段電源承擔(dān)第四、五、六供電分區(qū)的牽引負(fù)荷及動力照明一、二、三級負(fù)荷，由ZS1主變電所Ⅰ段承擔(dān)第一、二、三供電分區(qū)的牽引負(fù)荷及動力照明一、二、三級負(fù)荷。具體供電分區(qū)范圍調(diào)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(fù)荷均由ZS1主變電所Ⅰ段支援，即ZS1主變電所承擔(dān)第一至第六供電分區(qū)Ⅰ段的牽引負(fù)荷及動力照明一、二、三級負(fù)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(dān)12號線第一至第六供電分區(qū)Ⅱ段的牽引負(fù)荷及動力照明一、二、三級負(fù)荷。具體供電分區(qū)范圍調(diào)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(yùn)行方式下選擇的是方案一，此時再發(fā)生ZS2主變電所Ⅰ段故障，優(yōu)先選擇方案一，直接合ZS2主變電所內(nèi)母聯(lián)；若正常運(yùn)行方式下選擇的是方案二，此時再發(fā)生ZS2主變電所Ⅰ段故障則需要合HWS1站Ⅰ段環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)。

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(qū)支援供電，第八、九供電分區(qū)由ZS3主變電所非故障線路電源承擔(dān)故障范圍內(nèi)全部負(fù)荷，ZS1主變電所Ⅰ段承擔(dān)第一、二、三供電分區(qū)的牽引負(fù)荷及動力照明一、二、三級負(fù)荷。由于ZS3為既有主變電所，因此ZS3主變電所所承擔(dān)的其他線路的負(fù)荷根據(jù)已有線路設(shè)計運(yùn)行方式進(jìn)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(dān)第一至第六供電分區(qū)所有的牽引負(fù)荷和動力照明一、二級負(fù)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(dān)第四至第九供電分區(qū)所有的牽引負(fù)荷和動力照明一、二級負(fù)荷，由ZS1主變電所Ⅰ段承擔(dān)第一至第三供電分區(qū)所有牽引負(fù)荷和動力照明一、二級負(fù)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(qū)該線路Ⅰ段的負(fù)荷共計為19.42 MVA，Ⅱ段母線負(fù)荷共計為20.874 MVA，既有線路的Ⅰ段的負(fù)荷共計為33.693 MVA，Ⅱ段母線負(fù)荷為31.631 MVA，ZS3主變電所Ⅰ段的負(fù)荷共計為53.113 MVA，Ⅱ段母線負(fù)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(dān)第一至第五供電分區(qū)所有牽引負(fù)荷和動力照明一、二級負(fù)荷，由ZS3主變電所承擔(dān)第六至第九供電分區(qū)所有的牽引負(fù)荷和動力照明一、二級負(fù)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(qū)Ⅰ段的負(fù)荷共計為21.968 MVA，Ⅱ段母線負(fù)荷共計為18.865 MVA，ZS1主變電所Ⅰ段所需承擔(dān)的供電負(fù)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(jìn)行整定保護(hù)時需考慮該運(yùn)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(qū)僅由ZS1主變電所Ⅰ段支援供電，風(fēng)險較大。綜上所述，優(yōu)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(dān)第四至第九供電分區(qū)內(nèi)所有的牽引負(fù)荷和動力照明一、二級負(fù)荷，ZS1主變電所Ⅰ段承擔(dān)12號線第一、二、三供電分區(qū)的牽引負(fù)荷及動力照明一、二、三級負(fù)荷。由于ZS3為既有主變電所，因此ZS3主變電所所承擔(dān)的其他線路的負(fù)荷根據(jù)已有線路設(shè)計運(yùn)行方式進(jìn)行支援。具體供電分區(qū)范圍調(diào)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(yùn)行、一路電源故障、主變電所完全解列3種運(yùn)行方式下，經(jīng)校驗，主變電所內(nèi)主變壓器容量及壓降可滿足要求，系統(tǒng)供電能力可滿足用電需求，且不需要額外增加投資。

4 結(jié) 論

地鐵臨時支援供電方案應(yīng)確保供電系統(tǒng)在其他線路正常、單進(jìn)線故障、主變電所解列運(yùn)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(tǒng)安全可靠的運(yùn)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(xiàn)故障情況，由于運(yùn)營人員的誤操作導(dǎo)致停電范圍的擴(kuò)大。若涉及到需要增加投資和進(jìn)行改造時，還需要對比考慮改造的可行性和經(jīng)濟(jì)性。