2號(hào)線川沙主變支援供電方案研究

上海地鐵維護(hù)保障有限公司供電分公司 王曉博 孫翔泳 唐家偉 解惠亮

上海地鐵2號(hào)線供電系統(tǒng)復(fù)雜，兩級(jí)供電與三級(jí)供電同時(shí)存在，設(shè)備型號(hào)多，智能化程度低，人力依賴程度高，同時(shí)2號(hào)線進(jìn)入全面大修改造期，夜間施工量不斷上升，需要更多人力配合夜間施工。小班化后，2號(hào)線全線共有29人在崗，僅能滿足日常夜間施工及配合。常規(guī)支援供電方案每晚需要至少30人配合，嚴(yán)重占用人力資源。2號(hào)線川沙主變于2022年更換2臺(tái)主變壓器，供電質(zhì)量得到提升，針對(duì)新設(shè)備提出新的支援供電方案，提高支援供電效率，節(jié)省人力資源。為方便說明，本文全部以二段需支援供電為例。

1 2號(hào)線川沙主變供電系統(tǒng)概況

1.1 正常運(yùn)行方式

川沙主變兩路110kV 電源及33kV 側(cè)兩段母線分列運(yùn)行，變電所母聯(lián)斷路器分開。所轄各變電所內(nèi)33kV 母聯(lián)斷路器分開，兩段母線分列運(yùn)行。

川沙主變供電區(qū)間為張江高科混合變電站至浦東機(jī)場(chǎng)混合變電站，共15個(gè)站，其中10個(gè)混合變電站，2個(gè)降壓站及2個(gè)跟隨降壓站。川沙主變直接向廣蘭路混合變電站、華夏東路混合變電站、川沙混合變電站，以及遠(yuǎn)海區(qū)間混合變電站供電，再由這4個(gè)變電站通過33kV 環(huán)網(wǎng)依次向剩余變電站供電。

1.2 故障情況下運(yùn)行方式

當(dāng)川沙主變中一臺(tái)變壓器因故障退出運(yùn)行時(shí)，其運(yùn)行方式如圖1所示，將由世紀(jì)公園主變來進(jìn)行支援供電。世紀(jì)公園主變的電經(jīng)由龍張區(qū)間開關(guān)站、張江高科混合變電站、金科路降壓站、廣蘭路混合變電站送入川沙主變。再經(jīng)由川沙主變向剩余變電站供電。

圖1 故障情況下運(yùn)行方式示意圖

2 2號(hào)線川沙主變現(xiàn)有支援供電方案分析及難點(diǎn)

2.1 現(xiàn)有支援供電方案分析

現(xiàn)有的支援供電方案是川沙主變二段母排停役，所轄下級(jí)變電站二段母排也全部停役，由世紀(jì)公園主變二段支援供電，通過龍張區(qū)間開關(guān)站、張江高科混合變電站、金科路降壓站、廣蘭路混合變電站將電送入川沙主變二段母排，再通過33kV 環(huán)網(wǎng)電纜送到各個(gè)變電站。支援供電期間需要配合停電范圍從龍張區(qū)間混合變電站到浦東機(jī)場(chǎng)混合變電站和陸家嘴牽引變電站，共17站。

在支援供電的情況下，川沙主變所轄的變電站的供電臂發(fā)生變化，世紀(jì)主變兩臺(tái)變壓器的負(fù)荷不平衡，為保障繼電保護(hù)裝置能有更好的靈敏性可靠性和均勻分配世紀(jì)主變的變壓器負(fù)荷，川沙主變所覆蓋的每一個(gè)變電站都需要切換整定值組，陸家嘴牽引變電站需從世紀(jì)主變一段切換到另一段。由于存在瞬時(shí)停電，所有站的33kV 分段自切都需停用。

則所有站都需操作開關(guān)、停用33kV 分段自切、整定值組切換和合上三類負(fù)荷開關(guān)。經(jīng)分析，傳統(tǒng)方式川沙主變支援供電涉及17個(gè)變電站，共需17×2=32人，共執(zhí)行520步操作。

傳統(tǒng)方案末端電壓損失百分?jǐn)?shù)計(jì)算[1-2]，末端允許降壓降百分?jǐn)?shù)≤5%，按照以下公式進(jìn)行計(jì)算：

其中，Δu%表示線路電壓損失百分?jǐn)?shù)（%），R 表示三相線路單位長(zhǎng)度的電阻（Ω/km），X′表示三相線路單位長(zhǎng)度的感抗（Ω/km），tanφ 表示功率因數(shù)角相對(duì)應(yīng)的正切值，P 表示有功負(fù)荷（kW），l 表示線路長(zhǎng)度（km）。

經(jīng)查，此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)最長(zhǎng)供電臂為世紀(jì)主變至浦東機(jī)場(chǎng)混合變，電纜長(zhǎng)度為35.14km，電纜型號(hào)為FS/FZ-WDZB-YJY63 3×1×150mm2，此電纜單位長(zhǎng)度電阻為0.143Ω/km，單位長(zhǎng)度感抗為0.112Ω/km，此區(qū)間cosφ 為0.65，有功負(fù)荷按照5500kW 估算。經(jīng)計(jì)算，傳統(tǒng)方式下供電臂最長(zhǎng)的情況下，末端電壓損失百分?jǐn)?shù)為5.23%＞5%，不符合標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 執(zhí)行難點(diǎn)

一是涉及站點(diǎn)多，停送電步驟繁雜，耗時(shí)長(zhǎng)；二是支援供電期間，浦東各變電站由無人值守改為有人值守，占用大量人力資源集中在2號(hào)線浦東段，不利于2號(hào)線浦西段應(yīng)急搶險(xiǎn)和2號(hào)線日常生產(chǎn)工作；三是支援供電的世紀(jì)主變負(fù)荷較大，用電高峰易出現(xiàn)過負(fù)荷現(xiàn)象，且浦東機(jī)場(chǎng)混合變電站和遠(yuǎn)東大道混合變電站末端電壓損失過高。

3 新支援供電方案分析

2022年川沙主變進(jìn)行大修改造擴(kuò)容項(xiàng)目，2臺(tái)主變的容量從31.5MVA 擴(kuò)容到40MVA。川沙主變擴(kuò)容后，提升2號(hào)線浦東段供電質(zhì)量，提高供電可靠性，更好保障安全可靠供電和電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。針對(duì)新設(shè)備提出三種支援供電方案。

3.1 方案一

川沙主變33kV 熱并，如圖2所示。先將川沙主變33kV 母聯(lián)斷路器合上，再將2號(hào)主變停役。本方案不需要世紀(jì)公園主變支援供電，由川沙主變1號(hào)變壓器完成所轄變電站的供電任務(wù)。

圖2 方案一示意圖

此方法川沙主變所轄各變電站不停電，且只需在川沙主變進(jìn)行操作，同時(shí)下級(jí)變電站不停電，供電臂長(zhǎng)度不發(fā)生變化，不需停用各站33kV 分段自切，就不需要各站派人查看設(shè)備。經(jīng)分析，方案一涉及1個(gè)變電站進(jìn)行倒閘操作，需2人，共執(zhí)行10步操作。

方案一末端電壓損失百分?jǐn)?shù)計(jì)算，末端允許降壓降百分?jǐn)?shù)≤5%，按照上文公式進(jìn)行計(jì)算。

經(jīng)查，此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)最長(zhǎng)供電臂為川沙主變至張江高科混合變，電纜長(zhǎng)度為16.4km，使用電纜型 號(hào) 為FS/FZ-WDZB-YJY63 3×1×150mm2，此電纜單位長(zhǎng)度電阻為0.143Ω/km，單位長(zhǎng)度感抗為0.112Ω/km，cosφ 為0.65，有功負(fù)荷按照5500kW 估算。經(jīng)計(jì)算，方案一供電臂最長(zhǎng)的情況下，末端電壓損失百分?jǐn)?shù)為2.32%＜5%，符合標(biāo)準(zhǔn)。

方案一優(yōu)點(diǎn)為涉及站點(diǎn)少，停送電步驟簡(jiǎn)單，耗時(shí)短，供電臂長(zhǎng)度不發(fā)生變化，整定值組不用切換，末端壓降損失符合標(biāo)準(zhǔn)，占用少量人力資源，不影響2號(hào)線應(yīng)急體系和日常生產(chǎn)工作。

方案一缺點(diǎn)為合上川沙主變33kW 母聯(lián)斷路器需向國(guó)網(wǎng)調(diào)度申請(qǐng)，手續(xù)較為煩瑣。川沙主變所轄所有變電站為假兩路供電，如果此時(shí)川沙主變1號(hào)主變進(jìn)線失電，會(huì)造成川沙主變所轄所有變電站停電，此時(shí)再?gòu)氖兰o(jì)主變支援供電會(huì)花費(fèi)大量時(shí)間，應(yīng)急響應(yīng)速度慢，不利于故障快速恢復(fù)。

3.2 方案二

將張江高科混合變電站、金科路降壓站和廣蘭路混合變電站3站由川沙主變供電改變?yōu)槭兰o(jì)公園主變供電，其余站由川沙主變33kW 熱并供電[1-2]，如圖3所示。需要龍張區(qū)間混合變、張江高科混合站、金科路降壓站、廣蘭路混合變和川沙主變進(jìn)行倒閘操作，其中張江高科混合站、金科路降壓站和廣蘭路混合變電站3站由于供電臂的改變需要切換整定值組，由于33kW 瞬時(shí)失電需停用33kW 分段自切。經(jīng)分析方案二涉及5個(gè)站，共需5×2=10人，共執(zhí)行62步操作。

圖3 方案二示意圖

方案二末端電壓損失百分?jǐn)?shù)計(jì)算，末端允許降壓降百分?jǐn)?shù)≤5%，按照上文公式進(jìn)行計(jì)算。

經(jīng)查，此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)最長(zhǎng)供電臂為川沙主變至浦東機(jī)場(chǎng)混合變，電纜長(zhǎng)度為14.7km，使用電纜型 號(hào) 為FS/FZ-WDZB-YJY63 3×1×150mm2，此電纜單位長(zhǎng)度電阻為0.143Ω/km，單位長(zhǎng)度感抗為0.112Ω/km，cosφ 為0.65，有功負(fù)荷按照5500kW 估算。經(jīng)計(jì)算，方案二供電臂最長(zhǎng)的情況下，末端電壓損失百分?jǐn)?shù)為2.07%＜5%，符合標(biāo)準(zhǔn)。

方案二優(yōu)點(diǎn)為涉及站點(diǎn)較少，停送電步驟較簡(jiǎn)單，耗時(shí)較短，末端壓降損失符合標(biāo)準(zhǔn)，占用人力資源較少，不影響2號(hào)線應(yīng)急體系和日常生產(chǎn)工作。此時(shí)唐鎮(zhèn)混合變電站至浦東機(jī)場(chǎng)混合變電站為假兩路供電，若出現(xiàn)川沙主變1號(hào)主變進(jìn)線故障，會(huì)造成唐鎮(zhèn)混合變電站至浦東機(jī)場(chǎng)混合變電站全站瞬時(shí)失電，但此時(shí)只需在廣蘭路混合變電站和川沙主變進(jìn)行倒閘操作，即可完成世紀(jì)主變支援供電，大幅提升川沙主變一帶兩種情況下應(yīng)急響應(yīng)速度。

方案二缺點(diǎn)為合上川沙主變33kW 母聯(lián)斷路器需向國(guó)網(wǎng)調(diào)度申請(qǐng)，手續(xù)較為煩瑣。唐鎮(zhèn)混合變電站至浦東機(jī)場(chǎng)混合變電站存在全站瞬時(shí)失電風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 方案三

方案三是在傳統(tǒng)方案上的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，如圖4所示，停用川沙主變所轄17個(gè)變電站的33kW 分段自切，張江高科混合站、金科路降壓站和廣蘭路混合站的二段母排停役，3個(gè)供電分區(qū)首端站華夏東路混合站、川沙混合站和遠(yuǎn)海區(qū)間混合站的進(jìn)線開關(guān)川華二、川沙二和川區(qū)二改為冷備用狀態(tài)，川沙主變二段母排停役，此時(shí)各站400V 二段進(jìn)線開關(guān)自切，由400V 一段帶二段，再由世紀(jì)公園主變二段母排支援供電，通過龍張區(qū)間開關(guān)站、張江高科混合變電站、金科路降壓站、廣蘭路混合變電站將電送入川沙主變二段母排，再將首端站進(jìn)線開關(guān)川華二、川沙二和川區(qū)二改為運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)各站400V 二段進(jìn)線開關(guān)自復(fù)，完成世紀(jì)公園主變對(duì)川沙主變的支援供電。

圖4 方案三示意圖

此方案涉及川沙主變所轄17個(gè)站，共需17×2=34個(gè)人，共執(zhí)行100步操作。

方案三優(yōu)點(diǎn)為操作步驟較少，用時(shí)較短，從張江高科混合變電站至浦東機(jī)場(chǎng)混合變電站均為真兩路供電，供電可靠性高。

方案三缺點(diǎn)為涉及站點(diǎn)多，停送電過程中存在帶負(fù)荷拉送開關(guān)，會(huì)在母排上產(chǎn)生沖擊電流，具有一定風(fēng)險(xiǎn)性，各變電站400V 二段開關(guān)會(huì)進(jìn)行一次自切和自復(fù)，存在自切和自復(fù)失敗的風(fēng)險(xiǎn)。由于和方案一供電臂長(zhǎng)度一樣，海天三路混合變電站和浦東機(jī)場(chǎng)混合變電站存在末端電壓損耗過高的情況。

3.4 方案對(duì)比分析

綜上所述，三種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，匯總見表1。由表1可知，方案一占用人力資源最少，停送電步驟最簡(jiǎn)單，停送電風(fēng)險(xiǎn)高，耗時(shí)短，不存在末端壓降損耗過高的情況；方案二占用人力資源較少，停送電步驟較簡(jiǎn)單，停送電風(fēng)險(xiǎn)一般，耗時(shí)較短，不存在末端壓降損耗過高的情況。方案三占用人力資源多，停送電步驟一般，停送電風(fēng)險(xiǎn)較高，耗時(shí)一般，末端壓降過高。綜合考慮方案三比較合適，未來主變支援供電方案可以參照此方案進(jìn)行改善。

表1 三種方案對(duì)比表

三種新方案在占用人力資源、涉及站點(diǎn)、停送電步驟、停送電風(fēng)險(xiǎn)、耗時(shí)和計(jì)算末端壓降損耗方面的比較，可以得出方案三可作為后續(xù)優(yōu)化主變支援供電方案的模板，達(dá)到提高支援供電效率，節(jié)省人力資源的目的。