地鐵長距離水泵升降壓優(yōu)化配電方案

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摘要:為解決某工程地鐵長距離水泵常規(guī)配電方案工程造價高的問題，提出一種升降壓優(yōu)化配電方案，通過提高線路電壓等級，降低電壓損耗。首先，分析方案的各項電壓指標;然后，針對線路末端單相接地故障，進行線路保護整定及開關(guān)靈敏度校驗;最后，基于PSCAD/EMTDC軟件搭建升降壓配電方案模型。仿真結(jié)果表明，方案能夠顯著降低所需電纜截面，同時驗證了方案的有效性及經(jīng)濟性。對我國其他地鐵線路配電設(shè)計具有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞:地鐵;長距離配電;升降壓配電方案;短路電流;PSCAD/EMTDC軟件

0引言

常規(guī)配電方案通常選用截面較大的電纜來降低電壓損耗，但效果并不明顯，同時使得工程造價大大增加。文獻［1］針對地鐵低壓長距離配電電壓損耗過大的問題，提出選用較大截面的電纜或采取就地?zé)o功補償?shù)拇胧┯枰越鉀Q。文獻［2］采用變頻器對遠距離水泵控制，雖然控制方便且滿足工程需求，但變頻器遠程控制水泵會產(chǎn)生其他風(fēng)險，如變頻器側(cè)諧波問題。文獻［3－4］分析了將工礦企業(yè)常用的660V低壓配電方式引入城軌交通低壓配電領(lǐng)域的可行性。文獻［5］提出一種以先進的物聯(lián)、感知技術(shù)為基礎(chǔ)的新型遠程供電方案，采用交直流供電，通過智能電網(wǎng)控制的新一代能源供給技術(shù)，節(jié)能環(huán)保。文獻［6］針對長距離低壓水泵配電問題，提出在線路末端設(shè)置穩(wěn)壓器來保證末端電壓質(zhì)量。以上文獻均對長距離配電存在的問題做出一定的改進，但供電質(zhì)量改善并不明顯，而且工程經(jīng)濟效益較低。本文提出一種升降壓配電優(yōu)化方案，通過提高線路電壓等級，減少長距離線路電壓損耗，以確保電機端子電壓偏差滿足要求，并在此基礎(chǔ)上分析該方案的短路電流，進行繼電保護整定，校驗開關(guān)的靈敏度。最后，基于PSCAD/EMTDC軟件搭建該方案的仿真模型，驗證升降壓配電方案的有效性與經(jīng)濟性。

1工程概況

某市地鐵建設(shè)過程中，線路中有兩站相距較遠，為滿足用電設(shè)備端子電壓要求，需采用截面較大的電纜進行供電。該工程中用電設(shè)備主要是水泵，正常情況下一臺水泵運行，在必要情況下，可分時啟動兩臺水泵。水泵常規(guī)配電方案示意圖如圖1所示。版的規(guī)定:電動機頻繁啟動時配電母線電壓不應(yīng)低于系統(tǒng)標稱電壓的90%;電動機不頻繁啟動時，不宜低于系統(tǒng)標稱電壓的85%;電動機設(shè)備端子電壓偏差允許值為+5%～－5%［7］。線路電壓降計算公式如下:式中:I為負荷電流;N為設(shè)備臺數(shù);P為水泵額定功率;U為水泵額定電壓;cosφ為水泵功率因素;Δu%為線路電壓降百分數(shù);Δua%為三相線路每1A·km的電壓損失百分數(shù);l為供電線路長度。通過式(1)、式(2)計算得出Δua%≤0．067%。查閱《手冊》可知，至少需選用240mm2的電纜才能滿足要求。而電纜截面過大使得工程造價大幅度增加，故有必要對常規(guī)配電方案進行優(yōu)化，在滿足供電質(zhì)量的同時盡可能降低工程造價。

2升降壓配電方案分析

為減小長距離線路電壓損耗，采用升降壓優(yōu)化配電方案，該優(yōu)化方案配電示意圖如圖2所示。圖2中:uutk%、udtk%分別為升、降壓變壓器百分數(shù);Putk、Pdtk分別為升、降壓變壓器短路損耗。計算出線路允許的最大壓降，即可求得此方案下所需電纜的最小截面。升壓變壓器二次側(cè)電壓為:式中:Uut1、Uut2分別為升壓變壓器兩側(cè)電壓;Δuut、Δudt分別為升、降壓變壓器電壓損耗;kut、kdt分別為升、降壓變壓器變比;Udt2為降壓變壓器二次側(cè)電壓，即電機端子電壓，按照允許電壓偏差為－5%，取Udt2=361V;Un為額定電壓380V。由式(2)～式(4)可以計算出Δua%允許的最大值，根據(jù)計算結(jié)果并查閱《手冊》可知，升降壓配電方案僅需70mm2電纜即可滿足要求。2．1運行電壓分析升降壓配電方案中線路電壓等級為660V，系統(tǒng)最大運行方式為兩臺水泵同時運行的工況，可得升降壓配電方案等值電路圖如圖3所示。圖3中:R、X、R、X、R、X分別為升壓變壓器、圖3升降壓配電方案等值電路圖電纜線路、降壓變壓器的等值電阻、電抗;S1、S2、S3分別為各個節(jié)點的復(fù)功率;U1、U2、U3分別為各個節(jié)點電壓。對該配電線路進行潮流計算，求取各個節(jié)點的功率和電壓，可以求出電機端子電壓為365．92V，電壓偏差為－3．71%，滿足電機允許電壓偏差的要求。同理，可求得線路空載時電機端子電壓為396．09V，電壓偏差為4．23%，亦滿足要求。2．2啟動電壓計算最大啟動方式為一臺水泵運行，另一臺水泵啟動工況。首先計算配電母線短路容量:式中:Ssc為最小運行方式下系統(tǒng)短路容量;uk%為配電變壓器短路電壓百分數(shù);SrT為配電變壓器容量。其次分析啟動回路，啟動回路容量為:式中:Δbd為降壓變壓器電壓提升系數(shù);SstM為電動機額定啟動容量;Sut、Sdt分別為升、降壓變壓器容量;Xl為線路阻抗。因此，可求得在70mm2電纜配電下升降壓配電方案母線電壓相對值為:式中:Ql為預(yù)接負荷的無功功率。進而可求得電機端子電壓相對值為:式中:Ujp為接觸器電壓釋放值，本工程中接觸器釋放值為0．7。通過對電機運行電壓和啟動電壓校驗，可知該方案采用截面大小為70mm2的電纜就可以滿足要求。

3繼電保護分析

長距離線路的保護設(shè)計是低壓配電系統(tǒng)的關(guān)鍵問題，當線路末端發(fā)生單相接地故障時，單相接地電流較小，導(dǎo)致開關(guān)靈敏度不能滿足要求。因此，需要對開關(guān)正確整定并進行靈敏度校驗，采取有效的措施提高開關(guān)動作的靈敏度。

3．1短路電流計算

升降壓配電方案中單相接地短路電流最小。因此，為了進行繼電保護整定和開關(guān)動作靈敏性校驗，只需按單相接地短路電流校驗即可，其他短路類型整定方法類似。升降壓配電方案線路末端單相接地故障等值電路如圖4所示。圖4中，Rphps:Xphps、Rphput、Xphput、Rphpl、Xphpl、Rphpdt、Xphpdt分別為系統(tǒng)、升壓變壓器、電纜線路、降壓變壓器的相保電阻、電抗。為了計算出線路末端短路電流，需要計算出系統(tǒng)中各元件的相保阻抗，首先計算系統(tǒng)折算到升壓變壓器二次側(cè)的阻抗。式中:c為電壓系數(shù)，取0．95;S″s為系統(tǒng)側(cè)短路容量?；诠こ藾yn11聯(lián)結(jié)組別的配電變壓器，可得系統(tǒng)的相保電阻、電抗計算如下:同理可求得Dyn11聯(lián)結(jié)組別的升壓變壓器的相保電阻、電抗即為正序電阻、電抗:式中:Zut為升壓變壓器正序阻抗;Sut為升壓變壓器容量。電纜相截面為70mm2，PE線截面大小為35mm2，故可得線路總相保電阻Rphpl和總相保電抗Xphpl如下:式中:R'phpl為線路單位長度的相保電阻，1．128mΩ/m;X'phpl為單位長度相保電抗，0．178mΩ/m。末端降壓變壓器聯(lián)結(jié)組別為Yyn0，根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，該變壓器的零序電阻、電抗取為正序的兩倍，故降壓變壓器折算到低壓側(cè)的相保電阻Rphpdt和相保電抗Xphpdt為:式中:Rdt、Xdt為降壓變壓器正序電阻、電抗。由此，可計算K1點和K2點單相接地故障電流。在K1點，總相保阻抗為故可得K1點單相接地短路電流為式中:U660為660V電壓等級;Zphpk1為K1點總阻抗。同理，可求得K2點單相接地短路電流為式中:U380為380V電壓等級;Zphpk2為K2點總阻抗。通過對比K1和K2點的單相接地短路電流，可知系統(tǒng)最小單相接地短路電流Ik1=98．2A。

3．2開關(guān)整定及靈敏度校驗

由上述計算結(jié)果可知，為使開關(guān)靈敏度大于1．3，短路短延時過電流整定值Iset2不能超過75．5A，但該配電方案電動機啟動尖峰電流折算到降壓變壓器一次側(cè)為109．9A，顯然與短路短延時整定電流應(yīng)躲過短時間出現(xiàn)的負荷尖峰電流矛盾，故需采用帶有接地故障保護的斷路器，使動作電流值不超過75．5A［8］。結(jié)合工程擬采用的NSX100系列的Mic6．2A型斷路器對各段保護具體分析，選取該斷路器額定電流為In=100A。(1)長延時過電流脫扣器的整定值Iset1應(yīng)大于線路計算電流，并小于斷路器額定電流值，該線路計算電流折算到降壓變壓器一次側(cè)為15．7A，故選擇整定系數(shù)為0．4，即Iset1=40A，作為該配電方案水泵的后備過負荷保護。(2)短路短延時過電流整定值應(yīng)躲過線路的尖峰電流，尖峰電流為109．9A，故可將該電流整定為Iset2=5Iset1=200A＞109．9A。(3)為滿足被保護線路各極間的選擇性要求，選擇低壓斷路器瞬時過電流脫扣器的整定電流值應(yīng)盡量大一些，故將瞬時過電流脫扣器的電流整定為Iset3=4In=400A。(4)接地故障保護的整定應(yīng)滿足靈敏度大于1．3的要求，為了使整定電流不超過75．5A，可以將接地故障保護整定為Iset4=0．5In=50A。

4仿真驗證

為驗證所提配電方案的有效性及保護整定的準確性，在PSCAD/EMTDC軟件上搭建升降壓配電方案模型，在截面大小為70mm2的電纜供電下，5s時K1點發(fā)生單相接地故障，記錄升降壓配電方案各項電壓值如表1所示。由表1可知，各項電壓的計算值與仿真值相比，兩者誤差相對較小，滿足工程的偏差要求，驗證了升降壓配電方案的準確性。相比于常規(guī)配電方案，該方案可在較大程度上減小所需電纜截面，雖然增加了升降壓變壓器，但總費用遠低于電纜造價。由理論分析可知，在K1點短路電流最小，故本文以K1點為例，其他短路情況類似。在K1點發(fā)生單相接地短路電流變化情況如圖5所示。由仿真結(jié)果可知，在線路末端K1點發(fā)生單相接地故障短路電流為0．108kA，理論計算結(jié)果為0．098kA，兩者誤差較小，滿足工程誤差要求，進一步驗證了理論設(shè)計的正確性。

5結(jié)束語

本文提出了一種升降壓優(yōu)化配電方案。首先對該優(yōu)化方案的空載電壓、啟動電壓和運行電壓進行分析，該方案能夠在較大程度上減小所需電纜截面，節(jié)約投資。然后，對該配電方案斷路器進行繼電保護整定并校驗了開關(guān)靈敏度，得出長距離線路必須對開關(guān)靈敏度進行校驗，不滿足要求時需增加接地故障保護以保證開關(guān)靈敏度。最后，在PSCAD/EMTDC中搭建了升降壓配電方案模型，驗證了方案的有效性。

作者:廖振寧 紀煥聰 賴勝杰 王澤青 夏成軍 單位:廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司 華南理工大學(xué) 廣東省新能源電力系統(tǒng)運行與控制企業(yè)重點實驗室