阜陽北編組站擴能改造工程供配電系統設計研究

季 昉

(中鐵上海設計院集團有限公司電化處,上海 200070)

1 工程概況

阜陽北編組站是阜陽鐵路樞紐中唯一的編組站，功能定位為路網性編組站，主要承擔豐臺西、南倉、徐州北、武漢北、鄭州北、向塘西、合肥東等相鄰技術站間直達、直通、區段列車和摘掛列車解編任務，在華東路網中起著車流承上啟下、集散梳理的重要作用。由于現有站型難以適應路網發展和作業量增長的需求，故對阜陽北站進行擴能改造。

阜陽北站增建上行系統，新建到達場、調車場、出發(兼直通)場，三場采用縱列布置，新建漯阜兼地區車場與調車場橫列布置，既有上行到發場改造為交換場，最終形成雙向三級八場站型；新建機務折返段1座，并對既有機務段進行改造；對相關引入線路進行改建；同步實施編組站綜合自動化系統等相關工程，同步配套通信、信號、信息、給排水、生產生活設施及既有下行解編系統整治工程。工程新征用地112.267 hm2(1684畝)，正站線鋪軌合計93.7 km，路基土石方305萬m3，新增定員近700人，新建總建筑面積達到47 000 m2，新建及改造單體超過100個，新增用電設備總負荷容量超過7 MVA。

改建后阜陽北編組站將成為上海鐵路局轄內最大規模編組站，在全路也是大型編組站之一。見圖1。

圖1 阜陽北編組站擴能改造后站段關系示意

2 既有供配電系統情況及分析

2.1 既有站區供電系統情況

既有編組站設有一座35/10 kV變配電所為全站供電，該所兩回35 kV電源線路分別由220 kV阜陽變電站35 kV母線及110 kV泉北變電站35 kV母線引入。由阜陽變電站引出的為3859線，由泉北變電站引出的為3836線，兩回電源線路均采用3×120 mm2截面的架空線路引入，3859線長度約為7 km，3836線長度約為9.5 km。

2.2 既有站區一級配電系統情況

阜陽北站既有用電負荷約為3.5 MVA，既有一級配電網絡為單環供電。站場10 kV架空環線電源引自既有阜陽北35/10 kV變配電所，設有室內變電所、箱式變電站、桿上變壓器等共計51座10/0.4 kV變電設施，為車站生產生活負荷供電。既有阜陽北35/10 kV變配電所內設有2臺5 MVA主變，饋出包括站場10 kV環線、自閉貫通線、水源線、機務饋出線以及兩回備用饋出線。

2.3 既有站區低壓配電系統情況

阜陽北站既有低壓配電系統由少數鋼芯鋁絞線架設的架空線路及絕大部分電纜構成。早期敷設的電纜采用鋁芯導體聚氯乙烯絕緣聚氯乙烯護套電力電纜，近年改造及新敷設的電纜采用聚氯乙烯絕緣電力電纜。

2.4 既有情況分析

阜陽北編組站既有的35/10 kV變配電所及站區內51座10/0.4 kV變電設備中的13處均受到新建下行系統的影響需拆除。35/10 kV變配電所考慮異址還建，拆除的10/0.4 kV變電設備不考慮還建，拆除需還建的生產生活負荷配電由本工程新增供電設備統一予以考慮。

工程新增生產、生活用電負荷較大，既有5 MVA主變需增容；既有一級配電網絡中有部分20世紀90年代埋設的鋁芯電纜，由于本次站區改造涉及到三級八場范圍內全部的一級配電網絡改造，故參照現行《電力工程電纜設計規范》(GB50217—2007)中有關電纜導體材質選擇的條文，考慮改造后的一級配電網絡電纜全部采用銅芯電纜敷設；既有低壓配電網絡中有相當比例的小截面電纜為鋁芯電纜，對受本工程土建、房建及相關專業生產設備改造工程影響的鋁芯電纜進行更換，更換后的電纜采用銅芯電纜，未受影響的電纜維持現狀不變。

3 負荷計算

3.1 負荷分級情況

鑒于阜陽北編組站在路網內的重要地位，其站內供電可靠性要求高。根據各用電負荷中斷供電在政治、經濟和鐵路運輸商所造成的損失及影響程度不同，將與行車調度密切相關的通信、信號、信息、駝峰用空壓機、站調樓調度室照明、消防設備等用電負荷劃為一級負荷；編組線、到發線照明、給排水和污水處理設備、貨票傳送裝置等生產動力設備及生產用房照明劃為二級負荷；其他用電負荷劃為三級負荷[2]。

根據現行《供配電系統設計規范》(GB50052—2009)規范，一級負荷采用兩路獨立電源供電，當兩路電源中一路電源發生故障時，另一路電源不應同時受到損壞；二級負荷采用一路可靠電源供電或兩回路電源供電，三級負荷由一路電源供電[3]。

3.2 負荷計算及變電設備容量選擇

阜陽北編組站末端負荷計算采用工程上使用最廣泛的需要系數法。

(1)用電設備組的計算負荷

PC=Kx×PE

QC=PE×tanφ

(1)

式中Pei——不包括備用設備在內的設備組中的各單個用電設備的設備功率；

PE——用電設備組的設備功率；

Kx——需要系數；

φ——用電設備功率因數角；

PC——用電設備組的有功功率；

QC——用電設備組的無功功率。

其中對持續工作制的設備Pei為額定功率，對短時或周期工作制設備Pei換算為統一負載持續率下的有功功率。

(2)單一單體的計算負荷

(2)

式中KΣp——單一單體的有功功率同時系數，取值范圍為0.8～1.0；

KΣq——單一單體的無功功率同時系數，取值范圍為0.93～1.00；

PCj——用電設備組的有功功率；

QCj——用電設備組的無功功率。

其中，K∑p、K∑q對規模較小的單體取較大值，對規模較大的單體取較小值。

(3)10/0.4 kV變電設備的計算負荷

(3)

PB——10/0.4 kV變電設備的計算有功功率；

QB——10/0.4 kV變電設備的計算無功功率；

SB——10/0.4 kV變壓器的計算視在功率；

則有

(4)

(4)35/10 kV主變容量

(5)

PM——主變計算有功功率。

結合一、二級負荷的供電需求及供電平衡要素，結合編組站站區布置，將所有用電負荷盡可能地平均分攤在35/10 kV變配電所的兩段母線上，則有

PM1=6 141.4 kW

PM2=7 319.5 kW

(6)

根據現行GB50052—2009規范規定，電力用戶的功率因數不宜低于0.9，則有主變的計算容量

SM=PM/0.9

(7)

對于35 kV主變壓器，其容量應有15%～25%的預留[4-6]，故主變的容量

(8)

35/10 kV變配電所主變容量選擇2×10 MVA。

4 阜陽北編組站供電設計(標準格式可供刷)

4.1 供電電源選擇

在與地方供電公司溝通后確定阜陽北編組站外部電源仍采用35 kV電壓等級。根據編組站負荷計算，35/10 kV變配電所的主變容量需從原先的每臺5 MVA增容至每臺10 MVA，220 kV阜陽變電站主變容量能負擔此項增容，而110 kV泉北變電站主變容量緊張，無法滿足阜陽北新建35/10 kV變配電所主變的增容需求。故原3859線電源線經改造后可繼續由220 kV阜陽變電站35 kV出線間隔引出，原3836電源線改為由地方新建的220 kV孫樓變變電站35 kV出線間隔引出。

4.2 供電設計分界

供電設計分界為地方變電所饋出間隔出線側。

4.3 外部電源設計

(1)選線

阜陽地區主要地層巖性由第四系上更新統沖積黏性土、粉(砂)土組成，地層相對穩定。該區域地層主要以上更新統黏性土及粉土為主。工程地質條件較好，主要分布的特殊巖土為弱膨脹土，無不良地質現象。線路所經區域地形較為平坦，路線經過地貌單元為淮北沖積平原，其高程一般在26.6～33.2 m。

參照現行《66 kV及以下架空電力線路設計規范》(GB50061—2010)及《電力工程高壓送電線路設計手冊》，經過與地方規劃部門及供電公司溝通后結合阜陽地區地質情況進行外部電源選線初勘，明確線路起訖點及中途必經點的位置、線路輸送容量、電壓等級、回路數及導線標號等設計條件[7-8]。

初勘結束后，將規劃部門批準的路徑在現場具體落實，按實際地形情況修正初勘時的圖上選線，確定線路的最終走向。最終改造后的3859線總長為8.6 km，3836線總長約13 km。

(2)設計氣象條件

根據阜陽市氣象數據，本工程設計氣象條件為最大風速25 m/s，最低溫度-10℃，覆冰厚度5 mm。

(3)電源線路設計

綜合考慮改造后阜陽北編組站用電負荷及運行方式，35 kV電源線路架空導線采用LGJ-3×(150/25)mm2鋼芯鋁絞線，避雷線采用GJ-35 mm2鋼絞線，導地線型號及參數見表1。電源線路徑路穿越集中居民區等架空條件嚴苛的路段及變配電所進出所端采用YJV22-26/35 kV-3×240 mm2交聯鎧裝電力電纜[7-10]。

表1 導地線型號及參數

電源架空線路設計檔距為100～120 m，根據沿線地形地貌及既有建(構)筑物情況選用15、18、21 m環形預應力鋼筋混凝土電桿及呼稱高為15、18、21 m鋼管桿架設，跨越較寬的地方道路及河流時采用呼稱高為24 m的角鋼塔架線。當電桿立于地勢低洼處或環境困難時考慮設置石圍。

當采用環形預應力鋼筋混凝土電桿架設線路時，導線安全系數設計不低于2.5，地線安全系數設計不低于3.2；當采用鋼管桿架設線路時，導線安全系數設計不低于6，地線安全系數設計不低于8。導地線型號及張力見表2。

表2 導地線型號及張力

當采用環形預應力鋼筋混凝土電桿架設線路時，導線懸垂串、跳線串采用4片結構高度為146 mm的懸式絕緣子(爬距400 mm)，耐張串采用4片懸式絕緣子；當采用鋼管桿架設線路時，導線懸垂串采用4片懸式瓷質耐污絕緣子成串，爬電比距要求不小于3.84 cm/kV。

電源電纜線路進出變配電所時在室外設落地隔離開關柜，電纜頭采用冷縮電纜頭；電纜沿桿敷設時，地面以上2 m穿管徑不小于100 mm2的熱鍍鋅鋼管保護；電纜過軌過路處穿管徑不小于100 mm2的熱鍍鋅鋼管保護；電纜直埋時在轉彎處、直線段每隔100 m處、過軌過路處設電纜標志樁；電纜直埋段埋深不小于0.8 m；電纜轉彎處設置電纜人井。

5 一級配電網絡設計

5.1 一級配電電壓等級選擇

既有阜陽北編組站采用10 kV一級配電網絡，同時根據現行《供配電系統設計規范》(GB50052—2009)，當供電電壓不小于35 kV時，一級配電電壓宜采用10 kV，故改造后的阜陽北編組站的一級配電電壓仍采用10 kV。

5.2 一級配電網絡構建

阜陽北編組站一級配電網絡采用雙環網供電。大環由新35/10 kV變配電所引出，繞漯阜及地區場及到達場，沿I、III、IV場東側環繞阜陽北站三級八場一周后回到變配電所；小環由新35/10 kV變配電所引出，繞本次新增三級四場一周后回到變配電所。新環線電纜型號為YJV22-8.7/15 kV-3×120。除集中還建區域中的部分負荷外，編組站三級八場內全部用電負荷均考慮就近從2個新環線上引接10 kV高壓電源降壓后供電，由環線引接至10/0.4 kV變電設施的電纜型號為YJV22-8.7/15 kV-3×50及YJV22-8.7/15 kV-3×35。擴能改造后的編組站一級配電網絡示意見圖2。

圖2 阜陽北編組站一級配電網絡示意

6 一級配電網絡無功補償方案

6.1 無功補償目標

編組站供配電系統的運行電壓水平取決于無功功率的平衡，容性無功補償容量不足時，系統處于低電壓平衡狀態，會導致設備出力不足、系統損耗劇增及穩定度降低等危害；電纜充電功率過大時，系統則處于電壓過高平衡，導致設備絕緣劣化、設備過激磁及溫升增加等危害[11-13]。

阜陽北編組站擴能改造后的一級配電網絡為全電纜網絡，電纜末端帶負載時，負載產生的感性無功功率能抵消部分電纜充電容性功率。結合編組站負荷計算可知，改造后的編組站中含大量由兩路電源供電的一、二級負荷，則一級配電網絡中存在一定規模的熱備用電纜，因此需結合傳統電容器補償及電纜充電功率補償兩方面來維持編組站內供配電系統無功平衡狀態，無功補償后功率因數根據現行《供配電系統設計規范》(GB50052—2009)應不低于0.9。

6.2 無功補償設計

(1)基于負荷計算的容性無功補償[13-14]

ΔQS≤100=QS≤100-PS≤100tan(arccos 0.9)

(9)

式中PBi——10/0.4 kV變電設備的計算有功功率；

QBi——10/0.4 kV變電設備的計算無功功率；

a——變壓器容量小于100 kVA的個數；

PS≤100——未設置無功補償裝置的變電設備的計算有功功率之和；

QS≤100——未設置無功補償裝置的變電設備的計算無功功率之和；

ΔQS≤100——35/10 kV變配電所10 kV側需補償的容性無功功率。

本工程中變壓器容量大于100 kVA的變電設備均設有無功補償裝置，且補償后的10/0.4 kV變壓器高壓側功率因數不低于0.9，故ΔQS≤100較小。

編組站內的一、二級負荷均從變配電所的兩段母線分別引接電源供電，按35/10 kV變配電所10 kV側Ⅰ、Ⅱ段母線各帶一半一、二級負荷的理想運營狀態考慮。經計算，為滿足接入點功率因數不低于0.9兩段母線分別需補償410.2 kVar及341.5 kVar的容性無功功率。

(2)一級配電網絡電纜的充電功率[13，15]

Ic1=ωC1LUφ

Ic12=ω(C1+3C2)LUφ

(10)

式中Ic1——單相對地電容電流；

Ic12——電纜線路容性電流；

C1——三芯電纜單位長度相對地電容；

C2——三芯電纜單位長度相間電容；

L——電纜長度；

Uφ——相電壓；

ΔQC——y條電纜的容性充電功率之和。

結合阜陽北編組站一級配電網絡中各條電纜的截面及長度，計算得出35/10 kV變配電所10 kV側I、II段母線上分別有大約874.4 kVar及628.9 kVar的容性充電功率。

(3)變配電所無功補償設備容量選擇[16-17]

綜合35/10 kV變配電所10 kV側Ⅰ、Ⅱ段母線上感性及容性無功功率情況，為保證阜陽北編組站與電網接口處功率因數不低于規范要求數值，同時防止編組站變配電所向電網倒送無功，結合路網內相近規模編組站運營時的負荷主備用切換及容量預留情況，本工程選擇補償容量為2×630 kVar的磁控電抗器組作為一級配電網絡無功平衡設備。

7 低壓配電網絡設計

7.1 低壓配電網絡的構成

阜陽北編組站低壓配電系統采用TN-C-S接地系統；低壓配電網絡一般采用變壓器干線式配電，部分單體用電容量不大且彼此相距較近又無特殊要求時采用鏈式配電。

低壓配電網絡采用銅芯聚氯乙烯絕緣及護套電纜構成，電纜徑路避開站區內預留用地及施工建設用地。電纜直接埋地敷設時，沿同一路徑敷設的電纜數量不超過6根；通過建筑物、構筑物的基礎、散水坡、鐵路、道路等可能受到機械損傷的地段需穿管保護[5，10]。

7.2 低壓配電網絡的電纜截面選擇

(1)根據載流量選擇

K×Iz≥Ijs

(11)

式中,Iz為電纜的長期允許載流量；Ijs為負荷計算電流；K為電纜允許持續載流量的校正系數，其取值參照現行《電力工程電纜設計規范》(GB50217—2007)附錄D，需綜合考慮敷設方式、環境溫度、土壤熱阻系數等校正參數[4]。

根據Iz選擇滿足載流量的低壓配電網絡電纜截面A1。

(2)根據線路的電壓損失校驗

Δu%=Δua%×I×L

(12)

式中,Δu%為電纜末端的電壓損失百分數；Δua%為三相線路每1A·km的電壓損失百分數；I為負荷計算電流；L為電纜長度。

表3 VV22-0.6/1 kV電纜用于三相380 V系統的電壓損失[5]

(3)低壓配電網絡電纜截面的確定

低壓配電網絡電纜截面考慮選擇同時滿足載流量及電壓損失的最小截面。

8 結語

負荷計算是衡量用電規模、確定供配電電壓等級的重要依據。編組站改擴建工程需首先調查收集既有站區用電負荷情況，并根據各用電專業需求計算站區用電負荷情況。根據站區整體負荷計算結果，綜合無功功率平衡及外部電源引接情況構建一級配電系統，并結合主體工程設計及實施方案對其進行調整和細化。上述過程可作為編組站擴能改造工程供配電系統的框架式設計流程，并能作為其他改擴建工程供配電系統設計的參考。工程引入的電纜充電功率與傳統容性無功功率補償結合的無功平衡方案較為理想化，需要后期根據現場運行情況進行進一步的研究和完善。

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