一种地铁长距离水泵升降压优化配电方案

廖振宁, 纪焕聪, 赖胜杰, 王泽青, 夏成军

(1.广州地铁设计研究院股份有限公司，广东 广州 510010；2. 华南理工大学，广东 广州 510640； 3. 广东省新能源电力系统运行与控制企业重点实验室，广东 广州 510663)

0 引 言

常规配电方案通常选用截面较大的电缆来降低电压损耗，但效果并不明显，同时使得工程造价大大增加。文献[1]针对地铁低压长距离配电电压损耗过大的问题，提出选用较大截面的电缆或采取就地无功补偿的措施予以解决。文献[2]采用变频器对远距离水泵控制，虽然控制方便且满足工程需求，但变频器远程控制水泵会产生其他风险，如变频器侧谐波问题。文献[3-4]分析了将工矿企业常用的660 V低压配电方式引入城轨交通低压配电领域的可行性。文献[5]提出一种以先进的物联、感知技术为基础的新型远程供电方案，采用交直流供电，通过智能电网控制的新一代能源供给技术，节能环保。文献[6]针对长距离低压水泵配电问题，提出在线路末端设置稳压器来保证末端电压质量。以上文献均对长距离配电存在的问题做出一定的改进，但供电质量改善并不明显，而且工程经济效益较低。

本文提出一种升降压配电优化方案，通过提高线路电压等级，减少长距离线路电压损耗，以确保电机端子电压偏差满足要求，并在此基础上分析该方案的短路电流，进行继电保护整定，校验开关的灵敏度。最后，基于PSCAD/EMTDC软件搭建该方案的仿真模型，验证升降压配电方案的有效性与经济性。

1 工程概况

某市地铁建设过程中，线路中有两站相距较远，为满足用电设备端子电压要求，需采用截面较大的电缆进行供电。该工程中用电设备主要是水泵，正常情况下一台水泵运行，在必要情况下，可分时启动两台水泵。水泵常规配电方案示意图如图1所示。

图1 水泵常规配电方案示意图

按照《工业与民用供配电设计手册》(以下简称《手册》)第四版的规定：电动机频繁启动时配电母线电压不应低于系统标称电压的90%；电动机不频繁启动时，不宜低于系统标称电压的85%；电动机设备端子电压偏差允许值为+5%～-5%[7]。线路电压降计算公式如下：

(1)

Δu%=Δua%Il≤5%

(2)

式中：I为负荷电流；N为设备台数；P为水泵额定功率；U为水泵额定电压；cosφ为水泵功率因素；Δu%为线路电压降百分数；Δua%为三相线路每1 A·km的电压损失百分数；l为供电线路长度。

通过式(1)、式(2)计算得出Δua%≤0.067%。查阅《手册》可知，至少需选用240 mm2的电缆才能满足要求。而电缆截面过大使得工程造价大幅度增加，故有必要对常规配电方案进行优化，在满足供电质量的同时尽可能降低工程造价。

2 升降压配电方案分析

为减小长距离线路电压损耗，采用升降压优化配电方案，该优化方案配电示意图如图2所示。图2中：uutk%、udtk%分别为升、降压变压器百分数；Putk、Pdtk分别为升、降压变压器短路损耗。

计算出线路允许的最大压降，即可求得此方案下所需电缆的最小截面。升压变压器二次侧电压为：

(3)

线路允许的最大电压偏差：

(4)

式中：Uut1、Uut2分别为升压变压器两侧电压；Δuut、Δudt分别为升、降压变压器电压损耗；kut、kdt分别为升、降压变压器变比；Udt2为降压变压器二次侧电压，即电机端子电压，按照允许电压偏差为-5%，取Udt2=361 V；Un为额定电压380 V。

由式(2)～式(4)可以计算出Δua%允许的最大值，根据计算结果并查阅《手册》可知，升降压配电方案仅需70 mm2电缆即可满足要求。

2.1 运行电压分析

图3 升降压配电方案等值电路图

升降压配电方案中线路电压等级为660 V，系统最大运行方式为两台水泵同时运行的工况，可得升降压配电方案等值电路图如图3所示。图3中：Rut、Xut、RL、XL、Rdt、Xdt分别为升压变压器、电缆线路、降压变压器的等值电阻、电抗；S1、S2、S3分别为各个节点的复功率；U1、U2、U3分别为各个节点电压。

对该配电线路进行潮流计算，求取各个节点的功率和电压，可以求出电机端子电压为365.92 V，电压偏差为-3.71%，满足电机允许电压偏差的要求。同理，可求得线路空载时电机端子电压为396.09 V，电压偏差为4.23%，亦满足要求。

2.2 启动电压计算

最大启动方式为一台水泵运行，另一台水泵启动工况。首先计算配电母线短路容量：

(5)

式中：Ssc为最小运行方式下系统短路容量；uk%为配电变压器短路电压百分数；SrT为配电变压器容量。其次分析启动回路，启动回路容量为：

(6)

式中：Δbd为降压变压器电压提升系数；SstM为电动机额定启动容量；Sut、Sdt分别为升、降压变压器容量；Xl为线路阻抗。

因此，可求得在70 mm2电缆配电下升降压配电方案母线电压相对值为：

(7)

式中：Ql为预接负荷的无功功率。

进而可求得电机端子电压相对值为：

(8)

式中：Ujp为接触器电压释放值，本工程中接触器释放值为0.7。

通过对电机运行电压和启动电压校验，可知该方案采用截面大小为70 mm2的电缆就可以满足要求。

3 继电保护分析

长距离线路的保护设计是低压配电系统的关键问题，当线路末端发生单相接地故障时，单相接地电流较小，导致开关灵敏度不能满足要求。因此，需要对开关正确整定并进行灵敏度校验，采取有效的措施提高开关动作的灵敏度。

3.1 短路电流计算

升降压配电方案中单相接地短路电流最小。因此，为了进行继电保护整定和开关动作灵敏性校验，只需按单相接地短路电流校验即可，其他短路类型整定方法类似。升降压配电方案线路末端单相接地故障等值电路如图4所示。图4中，Rphp s：Xphp s、Rphp ut、Xphp ut、Rphp l、Xphp l、Rphp dt、Xphp dt分别为系统、升压变压器、电缆线路、降压变压器的相保电阻、电抗。

为了计算出线路末端短路电流，需要计算出系统中各元件的相保阻抗，首先计算系统折算到升压变压器二次侧的阻抗。

图4 线路末端单相接地故障等效电路图

(9)

基于工程Dyn11联结组别的配电变压器，可得系统的相保电阻、电抗计算如下：

(10)

同理可求得Dyn11联结组别的升压变压器的相保电阻、电抗即为正序电阻、电抗：

(11)

式中：Zut为升压变压器正序阻抗；Sut为升压变压器容量。

电缆相截面为70 mm2，PE线截面大小为35 mm2，故可得线路总相保电阻Rphp l和总相保电抗Xphp l如下：

(12)

末端降压变压器联结组别为Yyn0，根据设计经验，该变压器的零序电阻、电抗取为正序的两倍，故降压变压器折算到低压侧的相保电阻Rphpdt和相保电抗Xphpdt为：

(13)

式中：Rdt、Xdt为降压变压器正序电阻、电抗。

由此，可计算K1点和K2点单相接地故障电流。在K1点，总相保阻抗为

(14)

故可得K1点单相接地短路电流为

(15)

式中：U660为660 V电压等级；Zphpk 1为K1点总阻抗。

同理，可求得K2点单相接地短路电流为

(16)

式中：U380为380 V电压等级；Zphpk2为K2点总阻抗。

通过对比K1和K2点的单相接地短路电流，可知系统最小单相接地短路电流Ik1=98.2 A。

3.2 开关整定及灵敏度校验

由上述计算结果可知，为使开关灵敏度大于1.3，短路短延时过电流整定值Iset2不能超过75.5 A，但该配电方案电动机启动尖峰电流折算到降压变压器一次侧为109.9 A，显然与短路短延时整定电流应躲过短时间出现的负荷尖峰电流矛盾，故需采用带有接地故障保护的断路器，使动作电流值不超过75.5 A[8]。

结合工程拟采用的NSX100系列的Mic6.2A型断路器对各段保护具体分析，选取该断路器额定电流为In=100 A。

(1) 长延时过电流脱扣器的整定值Iset1应大于线路计算电流，并小于断路器额定电流值，该线路计算电流折算到降压变压器一次侧为15.7 A，故选择整定系数为0.4，即Iset1=40 A，作为该配电方案水泵的后备过负荷保护。

(2) 短路短延时过电流整定值应躲过线路的尖峰电流，尖峰电流为109.9 A，故可将该电流整定为Iset2=5Iset1=200 A>109.9 A。

(3) 为满足被保护线路各极间的选择性要求，选择低压断路器瞬时过电流脱扣器的整定电流值应尽量大一些，故将瞬时过电流脱扣器的电流整定为Iset3=4In=400 A。

(4) 接地故障保护的整定应满足灵敏度大于1.3的要求，为了使整定电流不超过75.5 A，可以将接地故障保护整定为Iset4=0.5In=50 A。

4 仿真验证

为验证所提配电方案的有效性及保护整定的准确性，在PSCAD/EMTDC软件上搭建升降压配电方案模型，在截面大小为70 mm2的电缆供电下，5 s时K1点发生单相接地故障，记录升降压配电方案各项电压值如表1所示。

表1 升降压配电方案电机端电压情况

由表1可知，各项电压的计算值与仿真值相比，两者误差相对较小，满足工程的偏差要求，验证了升降压配电方案的准确性。相比于常规配电方案，该方案可在较大程度上减小所需电缆截面，虽然增加了升降压变压器，但总费用远低于电缆造价。

由理论分析可知，在K1点短路电流最小，故本文以K1点为例，其他短路情况类似。在K1点发生单相接地短路电流变化情况如图5所示。

图5 线路末端K1点单相接地故障短路电流

由仿真结果可知，在线路末端K1点发生单相接地故障短路电流为0.108 kA，理论计算结果为0.098 kA，两者误差较小，满足工程误差要求，进一步验证了理论设计的正确性。

5 结束语

本文提出了一种升降压优化配电方案。首先对该优化方案的空载电压、启动电压和运行电压进行分析，该方案能够在较大程度上减小所需电缆截面，节约投资。然后，对该配电方案断路器进行继电保护整定并校验了开关灵敏度，得出长距离线路必须对开关灵敏度进行校验，不满足要求时需增加接地故障保护以保证开关灵敏度。最后，在PSCAD/EMTDC中搭建了升降压配电方案模型，验证了方案的有效性。