阜阳北编组站扩能改造工程供配电系统设计研究

季 昉

(中铁上海设计院集团有限公司电化处,上海 200070)

1 工程概况

阜阳北编组站是阜阳铁路枢纽中唯一的编组站，功能定位为路网性编组站，主要承担丰台西、南仓、徐州北、武汉北、郑州北、向塘西、合肥东等相邻技术站间直达、直通、区段列车和摘挂列车解编任务，在华东路网中起着车流承上启下、集散梳理的重要作用。由于现有站型难以适应路网发展和作业量增长的需求，故对阜阳北站进行扩能改造。

阜阳北站增建上行系统，新建到达场、调车场、出发(兼直通)场，三场采用纵列布置，新建漯阜兼地区车场与调车场横列布置，既有上行到发场改造为交换场，最终形成双向三级八场站型；新建机务折返段1座，并对既有机务段进行改造；对相关引入线路进行改建；同步实施编组站综合自动化系统等相关工程，同步配套通信、信号、信息、给排水、生产生活设施及既有下行解编系统整治工程。工程新征用地112.267 hm2(1684亩)，正站线铺轨合计93.7 km，路基土石方305万m3，新增定员近700人，新建总建筑面积达到47 000 m2，新建及改造单体超过100个，新增用电设备总负荷容量超过7 MVA。

改建后阜阳北编组站将成为上海铁路局辖内最大规模编组站，在全路也是大型编组站之一。见图1。

图1 阜阳北编组站扩能改造后站段关系示意

2 既有供配电系统情况及分析

2.1 既有站区供电系统情况

既有编组站设有一座35/10 kV变配电所为全站供电，该所两回35 kV电源线路分别由220 kV阜阳变电站35 kV母线及110 kV泉北变电站35 kV母线引入。由阜阳变电站引出的为3859线，由泉北变电站引出的为3836线，两回电源线路均采用3×120 mm2截面的架空线路引入，3859线长度约为7 km，3836线长度约为9.5 km。

2.2 既有站区一级配电系统情况

阜阳北站既有用电负荷约为3.5 MVA，既有一级配电网络为单环供电。站场10 kV架空环线电源引自既有阜阳北35/10 kV变配电所，设有室内变电所、箱式变电站、杆上变压器等共计51座10/0.4 kV变电设施，为车站生产生活负荷供电。既有阜阳北35/10 kV变配电所内设有2台5 MVA主变，馈出包括站场10 kV环线、自闭贯通线、水源线、机务馈出线以及两回备用馈出线。

2.3 既有站区低压配电系统情况

阜阳北站既有低压配电系统由少数钢芯铝绞线架设的架空线路及绝大部分电缆构成。早期敷设的电缆采用铝芯导体聚氯乙烯绝缘聚氯乙烯护套电力电缆，近年改造及新敷设的电缆采用聚氯乙烯绝缘电力电缆。

2.4 既有情况分析

阜阳北编组站既有的35/10 kV变配电所及站区内51座10/0.4 kV变电设备中的13处均受到新建下行系统的影响需拆除。35/10 kV变配电所考虑异址还建，拆除的10/0.4 kV变电设备不考虑还建，拆除需还建的生产生活负荷配电由本工程新增供电设备统一予以考虑。

工程新增生产、生活用电负荷较大，既有5 MVA主变需增容；既有一级配电网络中有部分20世纪90年代埋设的铝芯电缆，由于本次站区改造涉及到三级八场范围内全部的一级配电网络改造，故参照现行《电力工程电缆设计规范》(GB50217—2007)中有关电缆导体材质选择的条文，考虑改造后的一级配电网络电缆全部采用铜芯电缆敷设；既有低压配电网络中有相当比例的小截面电缆为铝芯电缆，对受本工程土建、房建及相关专业生产设备改造工程影响的铝芯电缆进行更换，更换后的电缆采用铜芯电缆，未受影响的电缆维持现状不变。

3 负荷计算

3.1 负荷分级情况

鉴于阜阳北编组站在路网内的重要地位，其站内供电可靠性要求高。根据各用电负荷中断供电在政治、经济和铁路运输商所造成的损失及影响程度不同，将与行车调度密切相关的通信、信号、信息、驼峰用空压机、站调楼调度室照明、消防设备等用电负荷划为一级负荷；编组线、到发线照明、给排水和污水处理设备、货票传送装置等生产动力设备及生产用房照明划为二级负荷；其他用电负荷划为三级负荷[2]。

根据现行《供配电系统设计规范》(GB50052—2009)规范，一级负荷采用两路独立电源供电，当两路电源中一路电源发生故障时，另一路电源不应同时受到损坏；二级负荷采用一路可靠电源供电或两回路电源供电，三级负荷由一路电源供电[3]。

3.2 负荷计算及变电设备容量选择

阜阳北编组站末端负荷计算采用工程上使用最广泛的需要系数法。

(1)用电设备组的计算负荷

PC=Kx×PE

QC=PE×tanφ

(1)

式中Pei——不包括备用设备在内的设备组中的各单个用电设备的设备功率；

PE——用电设备组的设备功率；

Kx——需要系数；

φ——用电设备功率因数角；

PC——用电设备组的有功功率；

QC——用电设备组的无功功率。

其中对持续工作制的设备Pei为额定功率，对短时或周期工作制设备Pei换算为统一负载持续率下的有功功率。

(2)单一单体的计算负荷

(2)

式中KΣp——单一单体的有功功率同时系数，取值范围为0.8～1.0；

KΣq——单一单体的无功功率同时系数，取值范围为0.93～1.00；

PCj——用电设备组的有功功率；

QCj——用电设备组的无功功率。

其中，K∑p、K∑q对规模较小的单体取较大值，对规模较大的单体取较小值。

(3)10/0.4 kV变电设备的计算负荷

(3)

PB——10/0.4 kV变电设备的计算有功功率；

QB——10/0.4 kV变电设备的计算无功功率；

SB——10/0.4 kV变压器的计算视在功率；

则有

(4)

(4)35/10 kV主变容量

(5)

PM——主变计算有功功率。

结合一、二级负荷的供电需求及供电平衡要素，结合编组站站区布置，将所有用电负荷尽可能地平均分摊在35/10 kV变配电所的两段母线上，则有

PM1=6 141.4 kW

PM2=7 319.5 kW

(6)

根据现行GB50052—2009规范规定，电力用户的功率因数不宜低于0.9，则有主变的计算容量

SM=PM/0.9

(7)

对于35 kV主变压器，其容量应有15%～25%的预留[4-6]，故主变的容量

(8)

35/10 kV变配电所主变容量选择2×10 MVA。

4 阜阳北编组站供电设计(标准格式可供刷)

4.1 供电电源选择

在与地方供电公司沟通后确定阜阳北编组站外部电源仍采用35 kV电压等级。根据编组站负荷计算，35/10 kV变配电所的主变容量需从原先的每台5 MVA增容至每台10 MVA，220 kV阜阳变电站主变容量能负担此项增容，而110 kV泉北变电站主变容量紧张，无法满足阜阳北新建35/10 kV变配电所主变的增容需求。故原3859线电源线经改造后可继续由220 kV阜阳变电站35 kV出线间隔引出，原3836电源线改为由地方新建的220 kV孙楼变变电站35 kV出线间隔引出。

4.2 供电设计分界

供电设计分界为地方变电所馈出间隔出线侧。

4.3 外部电源设计

(1)选线

阜阳地区主要地层岩性由第四系上更新统冲积黏性土、粉(砂)土组成，地层相对稳定。该区域地层主要以上更新统黏性土及粉土为主。工程地质条件较好，主要分布的特殊岩土为弱膨胀土，无不良地质现象。线路所经区域地形较为平坦，路线经过地貌单元为淮北冲积平原，其高程一般在26.6～33.2 m。

参照现行《66 kV及以下架空电力线路设计规范》(GB50061—2010)及《电力工程高压送电线路设计手册》，经过与地方规划部门及供电公司沟通后结合阜阳地区地质情况进行外部电源选线初勘，明确线路起讫点及中途必经点的位置、线路输送容量、电压等级、回路数及导线标号等设计条件[7-8]。

初勘结束后，将规划部门批准的路径在现场具体落实，按实际地形情况修正初勘时的图上选线，确定线路的最终走向。最终改造后的3859线总长为8.6 km，3836线总长约13 km。

(2)设计气象条件

根据阜阳市气象数据，本工程设计气象条件为最大风速25 m/s，最低温度-10℃，覆冰厚度5 mm。

(3)电源线路设计

综合考虑改造后阜阳北编组站用电负荷及运行方式，35 kV电源线路架空导线采用LGJ-3×(150/25)mm2钢芯铝绞线，避雷线采用GJ-35 mm2钢绞线，导地线型号及参数见表1。电源线路径路穿越集中居民区等架空条件严苛的路段及变配电所进出所端采用YJV22-26/35 kV-3×240 mm2交联铠装电力电缆[7-10]。

表1 导地线型号及参数

电源架空线路设计档距为100～120 m，根据沿线地形地貌及既有建(构)筑物情况选用15、18、21 m环形预应力钢筋混凝土电杆及呼称高为15、18、21 m钢管杆架设，跨越较宽的地方道路及河流时采用呼称高为24 m的角钢塔架线。当电杆立于地势低洼处或环境困难时考虑设置石围。

当采用环形预应力钢筋混凝土电杆架设线路时，导线安全系数设计不低于2.5，地线安全系数设计不低于3.2；当采用钢管杆架设线路时，导线安全系数设计不低于6，地线安全系数设计不低于8。导地线型号及张力见表2。

表2 导地线型号及张力

当采用环形预应力钢筋混凝土电杆架设线路时，导线悬垂串、跳线串采用4片结构高度为146 mm的悬式绝缘子(爬距400 mm)，耐张串采用4片悬式绝缘子；当采用钢管杆架设线路时，导线悬垂串采用4片悬式瓷质耐污绝缘子成串，爬电比距要求不小于3.84 cm/kV。

电源电缆线路进出变配电所时在室外设落地隔离开关柜，电缆头采用冷缩电缆头；电缆沿杆敷设时，地面以上2 m穿管径不小于100 mm2的热镀锌钢管保护；电缆过轨过路处穿管径不小于100 mm2的热镀锌钢管保护；电缆直埋时在转弯处、直线段每隔100 m处、过轨过路处设电缆标志桩；电缆直埋段埋深不小于0.8 m；电缆转弯处设置电缆人井。

5 一级配电网络设计

5.1 一级配电电压等级选择

既有阜阳北编组站采用10 kV一级配电网络，同时根据现行《供配电系统设计规范》(GB50052—2009)，当供电电压不小于35 kV时，一级配电电压宜采用10 kV，故改造后的阜阳北编组站的一级配电电压仍采用10 kV。

5.2 一级配电网络构建

阜阳北编组站一级配电网络采用双环网供电。大环由新35/10 kV变配电所引出，绕漯阜及地区场及到达场，沿I、III、IV场东侧环绕阜阳北站三级八场一周后回到变配电所；小环由新35/10 kV变配电所引出，绕本次新增三级四场一周后回到变配电所。新环线电缆型号为YJV22-8.7/15 kV-3×120。除集中还建区域中的部分负荷外，编组站三级八场内全部用电负荷均考虑就近从2个新环线上引接10 kV高压电源降压后供电，由环线引接至10/0.4 kV变电设施的电缆型号为YJV22-8.7/15 kV-3×50及YJV22-8.7/15 kV-3×35。扩能改造后的编组站一级配电网络示意见图2。

图2 阜阳北编组站一级配电网络示意

6 一级配电网络无功补偿方案

6.1 无功补偿目标

编组站供配电系统的运行电压水平取决于无功功率的平衡，容性无功补偿容量不足时，系统处于低电压平衡状态，会导致设备出力不足、系统损耗剧增及稳定度降低等危害；电缆充电功率过大时，系统则处于电压过高平衡，导致设备绝缘劣化、设备过激磁及温升增加等危害[11-13]。

阜阳北编组站扩能改造后的一级配电网络为全电缆网络，电缆末端带负载时，负载产生的感性无功功率能抵消部分电缆充电容性功率。结合编组站负荷计算可知，改造后的编组站中含大量由两路电源供电的一、二级负荷，则一级配电网络中存在一定规模的热备用电缆，因此需结合传统电容器补偿及电缆充电功率补偿两方面来维持编组站内供配电系统无功平衡状态，无功补偿后功率因数根据现行《供配电系统设计规范》(GB50052—2009)应不低于0.9。

6.2 无功补偿设计

(1)基于负荷计算的容性无功补偿[13-14]

ΔQS≤100=QS≤100-PS≤100tan(arccos 0.9)

(9)

式中PBi——10/0.4 kV变电设备的计算有功功率；

QBi——10/0.4 kV变电设备的计算无功功率；

a——变压器容量小于100 kVA的个数；

PS≤100——未设置无功补偿装置的变电设备的计算有功功率之和；

QS≤100——未设置无功补偿装置的变电设备的计算无功功率之和；

ΔQS≤100——35/10 kV变配电所10 kV侧需补偿的容性无功功率。

本工程中变压器容量大于100 kVA的变电设备均设有无功补偿装置，且补偿后的10/0.4 kV变压器高压侧功率因数不低于0.9，故ΔQS≤100较小。

编组站内的一、二级负荷均从变配电所的两段母线分别引接电源供电，按35/10 kV变配电所10 kV侧Ⅰ、Ⅱ段母线各带一半一、二级负荷的理想运营状态考虑。经计算，为满足接入点功率因数不低于0.9两段母线分别需补偿410.2 kVar及341.5 kVar的容性无功功率。

(2)一级配电网络电缆的充电功率[13，15]

Ic1=ωC1LUφ

Ic12=ω(C1+3C2)LUφ

(10)

式中Ic1——单相对地电容电流；

Ic12——电缆线路容性电流；

C1——三芯电缆单位长度相对地电容；

C2——三芯电缆单位长度相间电容；

L——电缆长度；

Uφ——相电压；

ΔQC——y条电缆的容性充电功率之和。

结合阜阳北编组站一级配电网络中各条电缆的截面及长度，计算得出35/10 kV变配电所10 kV侧I、II段母线上分别有大约874.4 kVar及628.9 kVar的容性充电功率。

(3)变配电所无功补偿设备容量选择[16-17]

综合35/10 kV变配电所10 kV侧Ⅰ、Ⅱ段母线上感性及容性无功功率情况，为保证阜阳北编组站与电网接口处功率因数不低于规范要求数值，同时防止编组站变配电所向电网倒送无功，结合路网内相近规模编组站运营时的负荷主备用切换及容量预留情况，本工程选择补偿容量为2×630 kVar的磁控电抗器组作为一级配电网络无功平衡设备。

7 低压配电网络设计

7.1 低压配电网络的构成

阜阳北编组站低压配电系统采用TN-C-S接地系统；低压配电网络一般采用变压器干线式配电，部分单体用电容量不大且彼此相距较近又无特殊要求时采用链式配电。

低压配电网络采用铜芯聚氯乙烯绝缘及护套电缆构成，电缆径路避开站区内预留用地及施工建设用地。电缆直接埋地敷设时，沿同一路径敷设的电缆数量不超过6根；通过建筑物、构筑物的基础、散水坡、铁路、道路等可能受到机械损伤的地段需穿管保护[5，10]。

7.2 低压配电网络的电缆截面选择

(1)根据载流量选择

K×Iz≥Ijs

(11)

式中,Iz为电缆的长期允许载流量；Ijs为负荷计算电流；K为电缆允许持续载流量的校正系数，其取值参照现行《电力工程电缆设计规范》(GB50217—2007)附录D，需综合考虑敷设方式、环境温度、土壤热阻系数等校正参数[4]。

根据Iz选择满足载流量的低压配电网络电缆截面A1。

(2)根据线路的电压损失校验

Δu%=Δua%×I×L

(12)

式中,Δu%为电缆末端的电压损失百分数；Δua%为三相线路每1A·km的电压损失百分数；I为负荷计算电流；L为电缆长度。

表3 VV22-0.6/1 kV电缆用于三相380 V系统的电压损失[5]

(3)低压配电网络电缆截面的确定

低压配电网络电缆截面考虑选择同时满足载流量及电压损失的最小截面。

8 结语

负荷计算是衡量用电规模、确定供配电电压等级的重要依据。编组站改扩建工程需首先调查收集既有站区用电负荷情况，并根据各用电专业需求计算站区用电负荷情况。根据站区整体负荷计算结果，综合无功功率平衡及外部电源引接情况构建一级配电系统，并结合主体工程设计及实施方案对其进行调整和细化。上述过程可作为编组站扩能改造工程供配电系统的框架式设计流程，并能作为其他改扩建工程供配电系统设计的参考。工程引入的电缆充电功率与传统容性无功功率补偿结合的无功平衡方案较为理想化，需要后期根据现场运行情况进行进一步的研究和完善。

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