城市軌道交通主變電所負荷過程實測分析

劉 蘭 王洪杰 崔洪敏

城市軌道交通主變電所負荷過程實測分析

劉 蘭1王洪杰2崔洪敏3

（1. 廣州地鐵集團有限公司，廣州 510000；2. 廣州地鐵設計研究院有限公司，廣州 510010；3. 西南交通大學電氣工程學院，成都 610031）

主變電所在城市軌道交通供電系統中占據著舉足輕重的地位，為了掌握其負荷特征，評估其供電能力及可靠性，指導主變壓器容量設計，本文以已運營線路主變電所的負荷過程測試數據進行統計。統計顯示高峰小時主變電所主變壓器的負荷率大多在37%～53%之間，負載率在11%～48%之間；同時通過模擬主變電所僅有一段進線供電的負荷情況，表明單段供電時主變壓器負荷率在41%～48%之間，負載率在50%～95%之間，主變電所兩臺變壓器的同時系數約等于1。測試結果表明，被測試主變電所供電可靠性較高，且部分主變電所因為運營時期較短，其仍有較大裕量供電能力。

主變電所；供電能力；可靠性；負荷率；負載率；同時系數

城市軌道交通用電負荷是城市電網的一類重要負荷，其牽引負荷為一級負荷，動力照明負荷大部分為一級負荷和二級負荷，因此為了保證城市軌道交通線路正常運營，采用安全可靠性高且經濟合理的供電方式顯得至關重要[1]。目前，城市軌道交通供電系統主要采用110/35kV兩級電壓、集中供電方式[2]，并且設置了專用主變電所，兩回路110kV高壓交流電源由電網引入，通過主變壓器降壓為35kV或10kV電壓向各個車站的牽引變電所和降壓變電所供電[3-4]。

主變電所在城市軌道交通供電系統中占據著舉足輕重的地位，因此有必要對其負荷過程以及供電能力和可靠性進行評估，并給出提高可靠性的方法措施。文獻[5]通過仿真計算方法對配電網進行可靠性評估。文獻[6-8]給出了提高配電網可靠性的方法措施。本文通過對地鐵主變電所110kV側的進線負荷進行實測分析，得到主變電所的負荷過程；為了評估主變電所的供電能力，對其容量設計提供建議。本文基于實測數據，模擬主變電所僅有一段進線供電時，計算僅有單臺主變壓器工作時的供電能力，并給出相應的建議。

1 主變電所容量設計依據

為了保證城市軌道交通供電的可靠性，一條線路通常至少設置兩座主變電所，每座主變電所由兩路互相獨立的外部電源供電，主變電所內部設置2臺相同型號的主變壓器互為備用[9]，城市軌道供電系統如圖1所示。主變壓器通常采用雙繞組變壓器或三相三繞組有載調壓變壓器。主變壓器容量應滿足“-1準則”[10]，即當供電系統中的某個設備發生故障時，列車可以繼續安全運行。正常運行時，各變壓器只用承擔其所供區域內的全部牽引負荷和動力照明的供電。當發生故障時，應滿足如下條件：①當一臺主變壓器發生故障時，分段斷路器合閘，另一臺主變壓器應能滿足該供電區域高峰小時牽引負荷和動力及照明一、二級負荷的供電；②當一座變電所因故解列時，環網聯絡開關合閘，剩余主變電所應能承擔全線的動力和照明一、二級負荷及牽引負荷。

圖1 城市軌道供電系統圖

在運營的初期和近期，主變長期運行在輕載工況，負荷率較低，造成了主變容量的浪費，同時產生了大量的空載損耗，增加了城市軌道交通的運營成本。為了選擇主變的容量：①應根據該線路的初、近、遠期的發車密度，得到不同時期的牽引負荷；②考慮車站動力照明負荷，得到不同時期的照明負荷；③經過技術與經濟的考量，確定主變壓器容量和更換時間節點[11]。然而實際運營過程中，主變電所負載率普遍低于設計預期，主變電所更換時間節點應根據實際負載率綜合評估。

2 負荷分析

通過在城市軌道主變電所兩路110kV進線的二次側回路安裝Fluke電流鉗和電壓探頭，同步采集兩路進線的電流與電壓，可以監測城市軌道主變電所的負荷過程。本文通過對地鐵的負荷測試，積累了大量的主變電所實測數據，這對分析主變電所的負荷過程提供了大量的數據作為依據。主變壓器的典型負荷過程曲線如圖2所示，對主變電所全日的負荷過程統計見表1，對主變電所高峰小時的負荷過程統計見表2，對主變電所高峰小時的負載率與負荷率統計見表3。負荷率指在統計期間內的平均負荷與最大負荷之比的百分數，其反映了負荷整體波動及沖擊水平；負載率指在統計期間內的變壓器實際功率與額定容量的比值，其代表實際負荷對變壓器的利用率，反映了變壓器當前供電可靠性及供電能力水平。計算如式（1）—式（2）所示。

圖2 主變壓器的典型負荷過程曲線

表1 主變電所全日的負荷過程統計

表2 主變電所高峰小時的負荷過程統計

表3 主變電所高峰小時的負載率與負荷率統計

由表1、表2可知，地鐵主變電所一般設置35kV集中式無功補償裝置，主變電所進線110kV電纜的容性無功經過主變壓器由35kV集中無功補償裝置吸收，從而提高了PCC的功率因數，避免地鐵運營公司遭受功率因數罰款。但是這種補償方式也會占用主變部分安裝容量，尤其當110kV進線電纜較長時，B變電所1號變壓器進線電纜較長，無功功率遠大于有功功率，因此無功功率占用了主變壓器大部分的容量。B主變電所2號變壓器由于110kV進線電纜很短，未設置35kV集中無功補償裝置。由表3可知，高峰小時主變壓器的負荷率大多在37%～53%之間，差別不大，這說明城市軌道的負荷過程具有一樣的分布特性；主變壓器的負載率在11%～48%之間，差別較大，這與主變壓器的設計與安裝容量以及該條線路的客流量、行車密度有關，設計較早的主變壓器安裝容量一般較小，客流量也超過其近期規劃。但是從總體來看，地鐵單臺主變的負載率都偏低，這可能是因為容量設計時考慮到了遠期載客能力，主變容量設計普遍偏大造成的，對短期內載客能力不會有明顯提升的線路，可以考慮先安裝小容量主變，再根據載客需求適時更換主變，或者考慮初始階段由一臺主變同時帶兩路供電區間的負荷，當載客需求增大時再恢復正常的供電模式。通過對以上實測數據的分析，結合主變壓器的安裝容量，發現C主變電所、D主變電所與E主變電所兩臺主變壓器的負載率較大，可能會影響主變電所的供電可靠性，因此下文對其供電能力及可靠性進行分析與判斷。

3 供電能力及可靠性分析

由于主變壓器容量應能應滿足如下條件：當一臺主變壓器發生故障時，另一臺主變壓器應能滿足該供電區域高峰小時牽引負荷和動力及照明一、二級負荷的供電；當一座變電所因故解列時，剩余主變電所應能承擔全線的動力和照明一、二級負荷及牽引負荷。因此需要檢驗一臺主變壓器帶兩臺主變壓器供電區間的供電能力，通過對主變壓器110kV的Ⅰ段、Ⅱ段同步進行測試，模擬僅有一段進線供電時的負荷情況，將Ⅰ段、Ⅱ段負荷按照有功功率和無功功率疊加，并計算視在功率，計算如式（3）至式（5）所示，即

式中，t、t、t為僅有一段進線供電時，時刻主所的有功功率、無功功率和視在功率。1t、1t為實測1號主變壓器時刻的有功功率和無功功率。2t、2t為實測2號主變壓器時刻的有功功率和無功功率。

測試期間均正常供電，沒有切除降壓所的三級負荷。C、D與E主變電所僅有一臺主變壓器工作時，其高峰小時視在功率之和的統計值見表4。

根據以上實測結果，模擬主變電所僅有一段進線供電時，3個主變電所負荷率在41%～48%之間，負荷率差別不大；負載率在50%～95%之間，D主變電所的負載率最大。D主變電所進線視在功率最大值為53360kVA（Ⅰ、Ⅱ段最高負荷的同步出現有一定隨機性），高峰小時視在功率均方根值約23547kVA，此時主變負載率在94.19%左右。高峰小時階段，主變壓器的負載率在額定安裝容量以上的時間約持續966s，占高峰小時的26.83%。

表4 高峰小時單臺主變壓器工作視在功率統計

主變壓器負荷同時系數是電力系統負荷預測工作中的重要參數，體現每臺主變壓器負荷最大值同時出現的概率，同時系數會對城市配電網的規模以及高壓電纜的選型帶來影響。同樣，同時系數的計算對城市軌道主變壓器的容量配置也有很大的參考價值。需要系數法是計算負荷大小的方法之一，其原理如式（6）所示：

式中，e為主變壓器額定容量，t為需要系數，n為同時系數，為計算負荷。由此可以看出，同時系數的計算對主變壓器的容量選擇具有很大的參考價值。對上述3個主變電所測試期間的同時系數統計見表5。

表5 主變電所同時系數

由表5可得，以3個主變電所兩臺主變壓器的同時系數均約為1，表明城市軌道交通主變電所考慮“-1”運行需求進行主變壓器容量設計選型時,其計算容量需求時直接求和兩段負荷提資數據即可，同時高峰小時均方根負載率不足95%，但約27%高峰小時時間是超過100%的，則表明主變電所負荷是有沖擊性特征的，設計中應結合主變壓器的過負載能力適當考慮安裝容量。

4 結論

本文介紹了城市軌道主變電所主變壓器容量設計依據，通過對已運營線路主變電所負荷過程實測數據進行分析，評估了其供電能力及可靠性，主要得到以下結論：

1）城市軌道主變壓器高峰小時的負荷率大多在37%～53%之間，差別不大，這說明城市軌道主變電所負荷的整體波動及沖擊水平具有較大的相似性。

2）從總體來看，地鐵單臺主變的負載率都偏低，這可能是因為容量設計時考慮到了遠期載客能力，主變容量設計普遍偏大造成的，對短期內載客能力不會有明顯提升的線路，可以考慮先安裝小容量主變，再根據載客需求適時更換主變；或者考慮初始階段由一臺主變同時帶兩路供電區間的負荷，當載客需求增大時再恢復正常的供電模式。

3）本文通過模擬僅有一段進線供電時的負荷情況，在運營階段的高峰小時，假設一臺主變壓器發生故障時，另一臺主變壓器帶兩段負荷的情況，得到已運營線路主變壓器C、D、E的負載率分別為63.77%、94.19%、50.57%，主變電所的供電可靠性較高，可以較長時間由一段主變壓器帶兩段負荷正常工作。

4）主變壓器容量選型和同時系數，需用系數有很大關系，通過模擬計算得到主變電所的同時系數接近1。這反應在考慮“-1”運行需求時，每臺主變壓器負荷最大值同時出現的概率為1，因此建設時期，主變壓器容量設計選型時應考慮此值，避免主變壓器的容量選取偏小。

5）主變電所無功補償裝置的功率需穿越主變壓器對外部電源進線電纜容性無功進行補償，所以在建設階段，無功補償裝置容量選擇需統籌考慮主變壓器35kV側負荷無功需求及外部電源進線情況，避免無功補償容量設置不足造成罰款，降低運營成本。

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Measurement and analysis of load process in main substation of urban rail transit

Liu Lan1Wang Hongjie2Cui Hongmin3

(1. Guangzhou Metro Group Co., Ltd, Guangzhou 510010; 2. Guangzhou Metro Design & Research Institute Co., Ltd, Guangzhou 510010; 3. School of Electrical Engineering, Southwest JiaoTong University, Chengdu 610031)

The high voltage substation of urban rail transit occupies a decisive position in city rail power supply system, in order to grasp its load characteristics, evaluate its power supply capability and reliability, and guide the design of the high voltage transformer capacity, this paper carries out statistics on load test data of the high voltage substation of existing operation line. The statistics show that the high voltage transformer's load factor of the main transformer in peak hours is mostly between 37%～53% and the load rate is between 11%～48%. At the same time, supposing the main transformer substation only uses one incoming line of power supply system, the load factor of the high voltage substation is between 41%～48%, the load rate of the high voltage substation is between 50%～95%, and the simultaneous coefficient of the two transformers in the high voltage substation is about 1. The test results show that the power supply reliability of the high voltage substation tested is high, and the power supply capacity of the high voltage substation is still relatively large due to the short operation time of the high voltage substation.

the high voltage substation; power supply capacity; reliability; load factor; load rate; simultaneous coefficient

2018-03-16

劉 蘭（1975-），女，碩士，高級工程師，工作于廣州地鐵集團有限公司工程技術研發中心，主要研究方向為城軌交通供電系統安全與運維保障。