城市軌道交通新型無(wú)功補(bǔ)償方案研究

趙帥帥 賈琨

【摘 要】城市軌道交通供電系統(tǒng)存在較嚴(yán)重的無(wú)功功率問(wèn)題，針對(duì)杭州地鐵2號(hào)線(xiàn)，根據(jù)不同時(shí)段系統(tǒng)產(chǎn)生的無(wú)功性質(zhì)不同，主要從安裝無(wú)功補(bǔ)償裝置的必要性、無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆桨高x擇、無(wú)功補(bǔ)償裝置的選型、無(wú)功補(bǔ)償裝置的容量等進(jìn)行了研究，提出采用磁控電抗器（MCR）集中補(bǔ)償+有源濾波（APF）分散補(bǔ)償?shù)姆绞绞且惶妆容^適合杭州地鐵2號(hào)線(xiàn)的無(wú)功補(bǔ)償方案。

【關(guān)鍵詞】城市軌道交通 MCR APF 組合式無(wú)功補(bǔ)償 容性無(wú)功

1 軌道交通供電系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 外部供電系統(tǒng)

由市電力公司所屬變電站、供電網(wǎng)絡(luò)至軌道交通受電變電所組成。

1.2 軌道交通供電系統(tǒng)

由受電主變電所、供電網(wǎng)絡(luò)、牽引、降壓變電所、電力監(jiān)控、接觸網(wǎng)、車(chē)站及區(qū)間動(dòng)力照明、雜散電流防護(hù)、防雷設(shè)施和接地系統(tǒng)等組成。

2軌道交通供電系統(tǒng)無(wú)功功率新情況

2.1 軌道交通負(fù)荷：牽引負(fù)荷和動(dòng)力照明負(fù)荷兩類(lèi)

（1）牽引負(fù)荷功率因數(shù)較高，0.95以上。（2）車(chē)站動(dòng)力照明系統(tǒng)，存在一定量感性負(fù)荷，例如環(huán)控設(shè)備、給排水設(shè)備、自動(dòng)扶梯、照明等設(shè)備。

2.2 車(chē)站動(dòng)力照明負(fù)荷新特征

（1）車(chē)站照明系統(tǒng)：采用電子鎮(zhèn)流器節(jié)能燈或LED照明，照明系統(tǒng)功率因數(shù)已達(dá)0.9以上。（2）車(chē)站動(dòng)力配電系統(tǒng)：車(chē)站通風(fēng)空調(diào)設(shè)備、電扶梯，因節(jié)能需要，采用了較多的變頻設(shè)備，動(dòng)力負(fù)荷功率因數(shù)與傳統(tǒng)方式相比，已由原來(lái)的0.7左右提高到0.9以上。各降壓變電所0.4kV側(cè)設(shè)置自動(dòng)投切電容補(bǔ)償裝置，已無(wú)法投用，容性無(wú)功的補(bǔ)償已無(wú)必要。在低壓側(cè)采用諧波治理APF同時(shí)輸出感性無(wú)功的必要性較為突出。

2.3 通常情況下，電路中的容性無(wú)功功率可以抵消部分或全部感性無(wú)功功率，進(jìn)而提高功率因數(shù)。但當(dāng)容性無(wú)功功率大于感性無(wú)功功率時(shí)，將向上一級(jí)電路返送容性無(wú)功功率

軌道交通網(wǎng)絡(luò)一般位于市區(qū)內(nèi)，多采用中壓電纜供電替代架空線(xiàn)路。從110kV主變電所至沿線(xiàn)各牽引降壓所采用幾百km的35kV電纜連接，電纜規(guī)格主要有：95mm2、120mm2、150mm2、185mm2 、240mm2、300mm2等。35kV電纜存在分布電容，其充電功率：60～80kvar/km。在主變電所每段35kV母線(xiàn)側(cè)將有幾兆千乏的容性無(wú)功存在，每天產(chǎn)生大量容性無(wú)功電度。

3杭州地鐵2號(hào)線(xiàn)供電系統(tǒng)概述

3.1 工程概況

杭州地鐵2號(hào)線(xiàn)一期工程（東南段）供電系統(tǒng)采用110/35kV兩級(jí)電壓集中供電方式，設(shè)置鐵建益主變電所一座。鐵建益主變電所從城市電網(wǎng)引入兩回110kV進(jìn)線(xiàn)電源，降壓為35kV后由35kV中壓通過(guò)地鐵環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)將電能分配至每一個(gè)車(chē)站和車(chē)輛段內(nèi)的牽引變電所和降壓變電所。

鐵建益主變電所正常供電范圍為朝陽(yáng)站～錢(qián)江路站，共包含13座車(chē)站、1座車(chē)輛段，共設(shè)置4個(gè)供電分區(qū)。

3.2本工程供電系統(tǒng)無(wú)功功率分析

根據(jù)杭州情況，對(duì)杭州地鐵2號(hào)線(xiàn)各期不同時(shí)段總功率因數(shù)進(jìn)行估算如下：

主變電所110kV本側(cè)在運(yùn)營(yíng)各期高峰小時(shí)時(shí)段的總功率因數(shù)估算結(jié)果見(jiàn)表1、2、3

當(dāng)建設(shè)一路主變電所在運(yùn)營(yíng)各期高峰小時(shí)時(shí)段，均不向電力系統(tǒng)返送無(wú)功，功率因數(shù)處于0.90～1.00的優(yōu)質(zhì)區(qū)間。

當(dāng)建設(shè)一路主變電所供電負(fù)荷位于低谷時(shí)段時(shí)，均向電力系統(tǒng)返送容性無(wú)功。由于建設(shè)一路主變電所110kV進(jìn)線(xiàn)電源路徑較短，110kV進(jìn)線(xiàn)電纜產(chǎn)生的容性無(wú)功對(duì)系統(tǒng)的總功率因數(shù)影響較小。

為使地鐵供電系統(tǒng)不向電力系統(tǒng)返送容性無(wú)功以避免罰款，且使功率因數(shù)處于優(yōu)質(zhì)區(qū)間，推薦建設(shè)一路主變電所設(shè)置無(wú)功功率補(bǔ)償裝置。

4無(wú)功功率補(bǔ)償方式及裝置選擇

4.1 無(wú)功功率補(bǔ)償方式

無(wú)功功率補(bǔ)償技術(shù)經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，產(chǎn)生了種類(lèi)繁多的無(wú)功功率補(bǔ)償裝置。從補(bǔ)償方式上可以分為靜態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償和動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償兩類(lèi)。

4.1.1動(dòng)態(tài)靜止無(wú)功功率補(bǔ)償裝置

動(dòng)態(tài)靜止無(wú)功功率補(bǔ)償裝置是指其主要部件無(wú)運(yùn)動(dòng)部分，其輸出能及時(shí)快速做出變化，以達(dá)到設(shè)計(jì)的各種控制目標(biāo)的無(wú)功功率補(bǔ)償裝置。目前，動(dòng)態(tài)靜止無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的種類(lèi)很豐富，主要包括相控電抗器、磁控電抗器、靜止無(wú)功發(fā)生器等。能夠滿(mǎn)足地鐵供電系統(tǒng)無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)囊蟆?/p>

4.1.2動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償裝置方案比選

動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償裝置種類(lèi)繁多，根據(jù)前節(jié)的計(jì)算分析結(jié)論，建設(shè)一路主變電所的無(wú)功功率補(bǔ)償主要是向系統(tǒng)補(bǔ)入感性無(wú)功功率，據(jù)此對(duì)三種比較成熟的動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償裝置方案——相控電抗器（TCR）、磁控電抗器（MCR）、靜止無(wú)功功率發(fā)生器（SVG）進(jìn)行分析并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較，見(jiàn)表4。

由上可知，TCR、MCR、SVG裝置的技術(shù)性能均能滿(mǎn)足地鐵供電系統(tǒng)主變電所對(duì)容性無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)男枰５鄬?duì)于而言：傳統(tǒng)的軌道交通行業(yè)多選擇SVG裝置，具有補(bǔ)償原理先進(jìn)、補(bǔ)償能力強(qiáng)、占地面積小、響應(yīng)速度快等諸多優(yōu)勢(shì)。

4.2 無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的選擇

結(jié)合前文提到的目前軌道交通行業(yè)出現(xiàn)的新特點(diǎn)，尤其是：（1）目前運(yùn)營(yíng)時(shí)段與非運(yùn)營(yíng)時(shí)段無(wú)功功率波動(dòng)情況，對(duì)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的響應(yīng)速度的要求在分鐘級(jí)別，而不是毫秒級(jí)。時(shí)段內(nèi)無(wú)經(jīng)常劇烈的無(wú)功負(fù)荷波動(dòng)。（2）集中供電方式，提供了獨(dú)立的110kV變電所，有著充足的設(shè)備安裝空間和散熱條件。（3）諧波治理的濾波通道已經(jīng)在低壓側(cè)APF具備功能。

我們提出新的觀點(diǎn)：建設(shè)一路主變電所設(shè)置的動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償裝置采用磁控電抗器（MCR）集中補(bǔ)償+有源濾波（APF）分散補(bǔ)償?shù)姆绞健?/p>

即先在車(chē)站變電所底層400V母線(xiàn)上，將分組投切電容器換為分組投切電抗器（各站全部投入容量不大于1000 kvar）。由APF有源濾波裝置控制。即起到濾波功能，兼顧補(bǔ)償35電纜部分無(wú)功功能。

由于本系統(tǒng)計(jì)算容量并不大（原設(shè)計(jì)2×2000kvar），在實(shí)際中2號(hào)線(xiàn)第一、二、三、四供電分區(qū)各降壓變電所400V側(cè)一、二段有源濾波裝置，使其輸出固定感性無(wú)功，來(lái)抵消由35kV電纜線(xiàn)路產(chǎn)生的部分容性無(wú)功。11個(gè)降壓所，共22臺(tái)400V一、二段有源濾波器均感性無(wú)功輸出容量進(jìn)行調(diào)整，以此來(lái)降低磁控電抗器（MCR）設(shè)備容量投資。收到了很好的效果（容量：2×1000kvar）。如圖1所示。

這種組合式補(bǔ)償方式，打破了原有單一設(shè)備集中補(bǔ)償?shù)木窒蕖?/p>

（1）新線(xiàn)（共享主變電所）或延伸線(xiàn)建設(shè)時(shí)，無(wú)需對(duì)原有電抗器設(shè)備進(jìn)行擴(kuò)容改造，在延伸線(xiàn)增加分散補(bǔ)償即可。（2）將由原來(lái)在主變電所集中無(wú)功補(bǔ)償?shù)牟糠秩萘?，變?yōu)楦鬈?chē)站分散補(bǔ)償?shù)姆绞?，主變電所補(bǔ)償設(shè)備投資大量減少。（3）每個(gè)區(qū)段35V電纜無(wú)功可被大量平衡，有效降低線(xiàn)纜損耗。（4）主變電所設(shè)置磁控電抗器，需設(shè)置通風(fēng)空調(diào)設(shè)備。APF的應(yīng)用可簡(jiǎn)化主變電所的通風(fēng)空調(diào)設(shè)備的設(shè)置。

5結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)杭州地鐵2 號(hào)線(xiàn)供電系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償方案的研究，主要從安裝無(wú)功補(bǔ)償裝置的必要性、無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆桨高x擇、無(wú)功補(bǔ)償裝置的選型、無(wú)功補(bǔ)償裝置的容量等進(jìn)行了研究，結(jié)果表明供電系統(tǒng)有必要采用磁控電抗器（MCR）集中補(bǔ)償+有源濾波（APF）分散補(bǔ)償?shù)姆绞健?/p>

以上所做的工作是在杭州2 號(hào)線(xiàn)進(jìn)行的研究，從理論計(jì)算和上海軌道交通10號(hào)線(xiàn)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致的情況看，證明了方案研究的可行性。為新形勢(shì)下的城市軌道交通無(wú)功治理提供新思路。

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