地鐵降壓變電所負荷情況實測與評估*

葉小雯 劉 煒 劉瑞龍 董 靜 李鯤鵬

(1.西南交通大學電氣工程學院，610031,成都;2.成都地鐵運營有限公司，610051,成都;3.廣州地鐵設計研究院有限公司，510010,廣州//第一作者，碩士研究生)

35 kV/400 V降壓變電所(以下簡為“降壓所”)為地鐵的照明及動力設備集中供電。降壓所都在其2段35 kV母線上各設1臺降壓變壓器，以各自承擔供電負荷。防災報警、消防、電梯、環控及冷源等重要的一級負荷由降壓所采用放射式配電方式供電;其他二、三級負荷(如照明等)由降壓所采用樹干式配電方式供電[1]。降壓所供電網絡如圖1所示。

圖1 降壓所供電網絡示意圖

地鐵35 kV/400 V降壓所中有多種采用變頻裝置的非線性負荷。這些負荷在吸收基波功率的同時，會將其中一部分基波功率轉化為諧波功率注入系統，成為系統諧波源[2]。35 kV/400 V降壓所會產生大量的3次、5次、7次等高次諧波[3-4]。400 V系統是地鐵供電系統第二大諧波源。嚴重時諧波會導致設備損毀等一系列嚴重事故。有源濾波裝置(APF)是一種性能良好的諧波治理和無功補償裝置,現已廣泛應用,并引起了關注[5-6]。

本文以成都地鐵部分降壓所為例,對降壓所動力負荷的電壓及電流進行實測，并評估降壓所內的變壓器負載率,分析諧波電壓和諧波電流特性，為降壓所變壓器容量設計、負荷電能質量評估和APF的設計等提供依據。

1 降壓所各類負荷比例

降壓所中主要負荷有商業用電,以及環控、冷源、電扶梯、電梯、直流電源、控制設備和照明設備等用電。各種負荷耗電量所占比例各不相同。成都地鐵孵化園站降壓所各類負荷某月用電量統計如表1所示。

表1 成都地鐵孵化園站降壓所各類負荷某月耗電量統計表

2 變壓器負載率

成都地鐵部分35 kV/400 V降壓所變壓器某日高峰負載率情況如表2所示。根據GB 50059—2011《35～110 kV變電所設計規范》規定,裝有2臺及以上主變壓器的變電站，當斷開1臺變壓器時，其余變壓器的容量(包括過負荷能力)應能滿足全部一、二級負荷用電的要求[7],而且,變壓器的效率最佳負載率為45%～60%[9]。但降壓所變壓器容量設計時需考慮各類負荷的最大用電需求，并取負荷同時系數后累計，故設計富裕量一般偏大。

表2 成都地鐵部分降壓所變壓器實測負載率統計表

3 母線及各類負荷的諧波特性

3.1 400 V母線諧波電壓及電流分析

成都地鐵降壓所400 V母線的諧波電壓畸變率實測情況如表3所示。降壓所400 V母線奇次諧波電壓含有率均小于4%,偶次諧波電壓含有率均小于2%,電壓總諧波畸變率(THDU)的95%概率值均小于5%。

表3 降壓所400 V母線諧波電壓畸變率的95%概率值

根據GB/T 14549-93《電能質量 公用電網諧波》[10]，計算降壓所400 V母線諧波電流允許值為：

(1)

式中：

sk1——公共連接點最小短路容量；

sk2——基準短路容量；

Ihp——國標第h次諧波電流允許值；

Ih——短路容量,為sk1進線第h次諧波電流允許值。

成都地鐵某降壓所的變壓器容量為1 600 kVA，400 V母線的最小短路容量為19 MVA，母線諧波電流允許值如表4所示。

表4 成都地鐵某降壓所400 V母線諧波電流允許值

統計成都地鐵降壓所400 V母線諧波電流情況如表5所示。諧波電流含量IH等于非正弦周期交流電流減去基波電流分量。經實測,成都地鐵降壓所400 V母線諧波電流畸變率(THDI)的95%概率值為9.1%～35.9%，諧波電流含量多為19～95 A，個別降壓所的短時諧波電流含量接近100 A。

3.2 環控負荷諧波分析

降壓所約1/3的電能都供于環控負荷，其諧波情況不可小覷。圖2為某降壓所某個環控負荷的電流瞬時值波形圖。由圖2可見,電流伴有明顯諧波畸變。該環控負荷基波實測值見圖3,其3次、5次、7次諧波電流較嚴重，相應電流有效值如圖4所示。

表5 降壓所400 V母線諧波電流含量及其畸變率

圖2 某環控負荷電流周期波形圖

圖3 某環控負荷基波電流實測值

由圖4可知，環控負荷在夜間非運營時段各次諧波電流都非常小，可忽略不計。上述環控負荷在運營時間內的諧波電流有效值統計情況見表6。

表6 環控負荷諧波電流統計值

圖3中,環控負荷在運營時段的基波電流實測值均值為48.9 A。經分析,最大污染為5次諧波污染，其諧波電流95%概率值達24.6 A，5次諧波電流含有率達50%左右，情況較為嚴重。其次的較大污染是7次諧波電流，其95%概率值為15.7 A，諧波電流含有率為31%。

a)3次諧波電流

b)5次諧波電流

c)7次諧波電流

環控負荷的諧波電流允許值為:

(2)

式中：

Ihi——公共連接點處負荷i的第h次諧波電流允許值，A；

Bi——負荷i在公共連接點處所占的負荷比例；

α——相位疊加系數。

根據環控負荷耗電量所占比例,結合式(2),計算可得400 V母線環控類負荷諧波電流允許值見表7。

表7 400 V母線環控類負荷諧波電流允許值

由表7可見,環控負荷5次及7次諧波都較大,已達諧波限值的50%左右，但沒有超標。在實際的降壓所內每段母線帶有1～3個環控負荷。這就需按GB/T 14549-93《電能質量 公用電網諧波》[10]將2個諧波源(母線)的同次諧波電流進行迭加，即：

(3)

式中：

Ihi1——一段母線負荷i的第h次諧波電流；

Ihi2——二段母線負荷i的第h次諧波電流；

kh——諧波迭加系數。

將多個環控負荷按式(3)進行迭加,可得其迭加諧波電流(見表8)。

表8 多個環控負荷迭加諧波電流

由表8可見,當一段400 V母線接入多個環控負荷時，環控負荷的5次及7次諧波電流均面臨超標問題。

3.3 冷源負荷諧波分析

冷源負荷耗電量占降壓所總耗電量的24%。某冷源負荷的電流波形如圖5所示。

圖5 某冷源負荷電流波形圖

該冷源負荷基波實測值見圖6,冷源負荷是一種具有沖擊特性的負荷，其2次、3次、5次、7次諧波電流較為嚴重。相應的諧波電流有效值如圖7所示。上述冷源負荷基波及諧波電流統計情況見表9。

圖6 某冷源負荷基波電流

表9 某冷源負荷諧波電流統計值

a) 2次諧波電流

b) 3次諧波電流

c) 5次諧波電流

d) 7次諧波電流

在運營時段內，冷源基波電流有效值幅值可達220 A，均值維持在104 A左右;在非運營時間內，基波電流均值降為46.23 A。其中,5次及7次諧波電流較大，5次諧波電流的95%概率值為2.53 A，7次諧波電流的95%概率值為2.00 A。

冷源負荷諧波電流允許值如表10所示。降壓所內一段400 V母線通常帶有1～2個冷源負荷，其諧波電流都遠小于基波電流幅值及表10的電流限值。

表10 400 V母線冷源類負荷諧波電流允許值

3.4 電扶梯負荷諧波分析

電扶梯負荷耗電量雖不多，但降壓所會有多個電扶梯負荷，故其諧波特性不容忽視。圖8為某電扶梯負荷電流波形圖。由圖8可見,其電流較小且畸變嚴重。

該電扶梯負荷基波電流如圖9所示。電扶梯負荷明顯為沖擊負荷，其基波電流均值穩定于2.37 A左右，3次、5次、7次、9次諧波電流較為嚴重。相應的諧波電流有效值如圖10所示。

圖8 某電扶梯負荷電流周期波形圖

圖9 某電扶梯負荷基波電流

a) 3次諧波電流

b) 5次諧波電流

c) 7次諧波電流

d) 9次諧波電流

圖10中,該電扶梯空載情況忽略不計，則上述電扶梯負荷諧波電流有效值情況統計如表11所示。

表11 某電扶梯負荷基波及諧波電流統計值

由表11可見,電扶梯的諧波電流都很小，僅5次及7次諧波電流相對較大。電扶梯負荷還需滿足GB/T 24807—2009《電磁兼容 電梯、自動扶梯和自動人行道的產品系列標準》[11]的要求,某電梯諧波電流與基波電流均值比值如表12所示。

表12 某電梯諧波電流與基波電流均值的比值

由表12可見,電扶梯負荷的5次、7次、11次及13次諧波電流都嚴重超標。

降壓所中諧波源眾多，使得其電網及所內電氣設備損耗嚴重，且容易因過熱、過電壓而損壞，從而造成經濟損失和安全事故。

降壓所中APF的安裝可對幅值和頻率都變化的諧波進行治理,并對無功進行補償，但根據實測數據,400 V側無功補償前的功率因數即可達標，所以較大的APF安裝容量對現有的降壓所諧波問題顯得裕量偏大。

4 結論

(1) 現有許多35 kV/400 V降壓所內的變壓器都處于輕載的狀態，其負載率在6%～22%之間。

(2) 35 kV/400 V降壓所的環控負荷和冷源負荷耗電量最大，分別占總耗電量的31%、24%，車站照明、商業等其它用電負荷略小。

(3) 降壓所400 V母線電壓總諧波畸變率的95%概率值均小于5%，諧波電流含量大多為19～95 A。

(4) 降壓所電扶梯負荷容易受到其它負荷的影響，存在著諧波電流超標問題，其中,5次、7次、11次及13次諧波電流較大；降壓所環控負荷是5次、7次諧波電流的最大污染源。

(5) 地鐵降壓所中,APF容量設置大小應綜合考慮地面站或地下站的變壓器負載率,以及各類負荷的諧波特性。