轨道交通主变电所容量选型和无功补偿分析

凌云

（安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司）

1 引言

轨道交通110kV主变电所作为轨道交通配套供电设施，建成后能满足轨道交通负荷用电需求，可提供安全可靠电力，包括为车辆运行提供牵引电力、为运营的各个设备系统提供动力能源、为生产运行提供照明电力[1]。

本文以合肥市轨道交通3号线南延线站前路主变电所为例，结合着轨道交通线路的建设时序、用电负荷情况、无功功率产生特点，对主变压器安装容量选择和无功补偿配置方案进行了分析，并给出了可行的方案，可对工程设计实践起到参考的作用。

2 工程概况

依据供电公司评审批复的《合肥市轨道交通3号线110kV主变电所外部电源接入系统设计》，本工程接入系统方案为：从站前路主所新建2回110kV 线路，1回接入220kV慈山变（架空线9.5km，电缆6.8km），另1回接入220kV大学城变（架空线0.5km，电缆10.8km），慈山变和大学城变各扩建1个110kV出线间隔。110kV电力电缆采用单芯500mm2电力电缆。

3 主变选型分析

3.1 用电负荷情况

以合肥市轨道交通3号线南延线为例，车站内用电负荷包括轨道车辆牵引负荷、车站动力照明负荷等。牵引负荷功率因数按0.95考虑，动力照明负荷功率因数按0.9考虑。

3.2 选型分析

结合轨道交通线路的建设时序和用电负荷情况，对本工程主变压器初期和远期安装容量进行分析。依据《35～110kV变电站设计规范》3.1.2条及其条文说明：“在有一、二级负荷的变电站中应装设两台主变压器，选择两台主变压器具有较大的灵活性和可靠性，变电站接线较为简单”；3.1.3条：“装有两台及以上主变压器的变电站，当断开一台主变压器时，其余主变压器的容量（包括过负荷能力）应满足全部一、二级负荷用电的要求”。《民用建筑电气设计规范》4.3.2条：“配电变压器的长期负载率不宜大于0.85”。《钢铁企业电力设计手册（上册）》P291：“变电器最低损失率发生在负载率为0.5～0.6左右”。另外，依据牵引供电专业要求，当相邻的怀宁路110kV主变电所解列时，不考虑其35kV母线（包括供电环网电缆）同时故障的情况，支援供电110kV怀宁路主变电所时，应能承担该所及解列主变电所正常供电范围内的牵引负荷和动力照明一、二级负荷。

初期1台主变压器解列时，正常运行方式下总负荷为19985kVA，全所一、二级负荷为17002kVA，终期怀宁路主变电所解列时一、二级负荷为24709kVA。因此单台主变容量设计为40MVA>17.002MVA满足《35～110kV变电站设计规范》3.1.3要求。依据《35～110kV变电站设计规范》3.1.2，按照2×40MVA安装。经验证，2×40MVA同时满足正常运行方式下的全所总负荷供电要求，以及110kV怀宁路主变电所解列时支援供电要求（负载率为0.31，考虑所用电和主变电所无功补偿后，负载率约在0.5～0.6左右，节能效果最佳）。

近期1台主变压器解列，正常运行方式下总负荷为22768kVA，全所一、二级负荷为19786kVA，终期怀宁路主变电所解列时一、二级负荷为29983kVA。因此单台主变容量设计为40MVA>19.786MVA满足3.1.3要 求。依据3.1.2，按照2×40MVA安装。经验证，2×40MVA同时满足正常运行方式下的全所总负荷供电要求，以及110kV怀宁路主变电所解列时支援供电要求（负载率为0.37，考虑所用电和主变电所无功补偿后，负载率在0.5～0.6左右，节能效果最佳）。

远期1台主变压器解列，正常运行方式下总负荷为27454kVA，全所一、二级负荷为24220kVA，终期怀宁路主变电所解列时一、二级负荷为37114kVA。因此单台主变容量设计为40MVA>24.22MVA满 足3.1.3要 求。依 据3.1.2，按 照2×40MVA安装。经验证，2×40MVA同时满足正常运行方式下的全所总负荷供电要求，以及110kV怀宁路主变电所解列时支援供电要求（负载率为0.46，考虑所用电和主变电所无功补偿后，负载率在0.5～0.6左右，节能效果最佳）。

终期1台主变压器解列，正常运行方式下总负荷为70597kVA，全所一、二级负荷为62281kVA，终期怀宁路主变电所解列时一、二级负荷为78859kVA。因此单台主变容量设计为63MVA>62.281MVA满足3.1.3要求。依据3.1.2，终期按照2×63MVA安装。经验证，2×63MVA同时满足正常运行方式下的全所总负荷供电要求，以及110kV怀宁路主变电所解列时支援供电要求（负载率为0.63，考虑所用电和主变电所无功补偿后，负载率在0.5～0.6左右，节能效果最佳）。

综上，为了减少设备更换次数，降低变压器损耗，提高节能效果，初期、近期、远期统一按照2×40MVA容量安装设备，土建按照终期2×63MVA预留安装条件。

4 无功补偿分析

地铁在正常运行期间，由于有轨道车辆运行、车站动力照明设备的投入，存在大量的有功负荷，因此在正常运行期间，功率因数一般较高。在夜间地铁停运后，其车辆停止运营，车站动力照明设备降耗运行，有功功率迅速减少。但是由于城市轨道交通供电系统中110kV和35kV电力电缆在夜间不停电，以110kV和35kV电力电缆为主形成的无功功率基本保持不变，导致夜间的功率因数急剧降低。由于夜间地铁停运后的功率因数严重不达标，因此，夜间地铁停运的系统状态应作为最极端的情况进行考虑。本文无功补偿以合肥轨道交通3号线南延线为例进行分析，由于站前路主变电所至慈山变和大学城变采用大量110kV电缆进行供电，且整个地铁供电系统中使用了大量的35kV电力电缆，导致功率因数远小于国标的要求。

地铁供电系统内的无功主要以容性无功为主，因此无功补偿的配置多以感性无功为主进行补偿，加上轨道交通运行方式的多样化，建议配置连续可调节的无功补偿装置，以保证地铁供电系统的功率因数在不同阶段均能满足电力系统的要求，能较彻底地解决地铁供电系统功率因数不能满足供电部门要求的问题。对于电抗器补偿，由于地铁在各个运营时期功率因数差异大，电抗器很难实时跟踪地铁内无功的变化进行补偿。因此无功补偿方案可采用SVG配合可调电抗器方案，SVG补偿地铁负荷功率因数，SVG连续可调，并具备一定的谐波抑制功能，在必要时减少轨道交通运行对电网谐波的影响。可调电抗器补偿110kV电缆无功，电抗器做抽头，建议电抗器每隔1M预留调节抽头。

根据接入系统设计方案，从站前路主所新建2回110kV线路，1回接入220kV慈山变（电缆6.8km，架空线9.5km），另1回接入220kV大学城变（电缆10.8km，架空线0.5km），慈山变和大学城变各扩建1 个110kV 出线间隔。

本工程无功功率计算中，由于110kV电缆无功功率较大，需要重点考虑110kV电缆无功功率对系统的影响。同时需考虑供电系统内部的35kV环网电缆产生的无功功率。整流变压器、动力变压器、主变压器、110kV架空线路产生的感性无功功率较小，不计入无功计算中。

经计算，大学城变～站前路变母线的总无功功率为8.098MV·A，慈山变～站前路变母线总无功功率为5.517MV·A。总容量一定要大于实际总无功与预留无功之和。因此，总容量确定后，接下来关于分配，电抗器容量如果选择大一些，那么SVG就相对小一些，可以全部用电抗器，也可以全部用SVG。

电抗器容量的选择，需要比110kV电缆的计算无功略小一点，防止过补偿。因此，本期1#主变低压侧电抗器容量可选6.5MV·A，2#主变低压侧电抗器容量可选4MV·A。

3号线南延线的35kV电缆的无功计算功率为1.13MV·A，考虑到9号线和15号线预留，35kV电缆的总无功计算功率为3.39MV·A，根据补偿方案，SVG补偿地铁负荷功率因数，因此SVG可选择3.5MV·A。

35kV电缆无功也可以用电抗器补偿，考虑到9号线和15号线预留，近期9号线可能先行实施，预留9号线的35kV电缆无功功率为1.5MV·A。因此，终期1#主变低压侧电抗器容量可选8MV·A，2#主变低压侧电抗器容量可选5.5MV·A。但是，电抗器容量越大，体积越大、发热量越大，并非越大越好。因此，电抗器室可按照终期预留土建条件，容量暂不需按照终期准备。由于电抗器带抽头可调，SVG任意可调，可往下调，因此在施工阶段，电缆量略减少一点影响不大。但是110kV电缆量不能随意增幅太大，防止补偿不够，要设计变更。

综上，对于合肥轨道交通3号线延长线运行功率因数按照0.9标准考核，110kV主变电所无功补偿装置容量建议按功率因数为1进行设置，具体配置方案如表1。

表1 站前路主所无功功率配置方案

5 结语

2×40MVA的变压器容量能够满足正常运行方式下的全所总负荷供电要求，以及相邻主变电所解列时的支援供电要求，且当所内断开一台主变压器时，另一台主变压器的容量（包括过负荷能力）能满足本所全部一、二级负荷用电的要求。并且最终负载率约控制在0.5～0.6左右，有利于降低变压器损耗，提高节能效果。无功补偿方案采用SVG配合可调电抗器方案，SVG连续可调，补偿地铁负荷功率因数，可调电抗器做抽头，补偿110kV电缆无功。经核算，本期1#主变低压侧安装SVG 3.5MV·A、电抗器容量6.5MV·A，2#主变低压侧安装SVG 3.5MV·A、电抗器容量4MV·A的无功补偿配置方案能够满足主变电所和外电源的无功补偿需求。