城市軌道供電系統(tǒng)無功補(bǔ)償方案研究

王康

摘要：城市軌道無功補(bǔ)償設(shè)計(jì)在城市軌道供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中是重要的一環(huán)，現(xiàn)階段欠缺城市軌道無功補(bǔ)償設(shè)計(jì)的方法和理論。本文主要對含SVG無功補(bǔ)償裝置的城市軌道供電系統(tǒng)進(jìn)行了研究，為城市軌道無功補(bǔ)償設(shè)計(jì)提供了理論支持。

關(guān)鍵詞：城市軌道；供電系統(tǒng)；無功補(bǔ)償

目前，地鐵供電系統(tǒng)主要從城市電網(wǎng)地方變電站引出兩回110kV高壓電源到專用主變電站，通過主變電所內(nèi)變壓器降壓為35kV或1OkV電壓向降壓變電所、牽引變電所和牽引降壓混合所供電。城市軌道交通供電系統(tǒng)沿線采用電纜向負(fù)載供電，帶電電纜會產(chǎn)生容性無功功率。在城市軌道交通運(yùn)營初期階段，負(fù)載不能完全吸收電纜產(chǎn)生的容性無功功率，系統(tǒng)出現(xiàn)無功反送的現(xiàn)象，造成系統(tǒng)功率因素偏低，使地鐵供電系統(tǒng)遭受功率因數(shù)罰款，增加城市軌道交通運(yùn)營部門的成本，危害電力系統(tǒng)安全運(yùn)行。

1城市軌道供電系統(tǒng)

高壓供電系統(tǒng)和城市軌道內(nèi)部供電系統(tǒng)是城市軌道供電系統(tǒng)的兩個重要組成部分。城市軌道供電系統(tǒng)為列車和其它設(shè)備提供了電能。城市電網(wǎng)主要給城市軌道供電，作為其外部電源。城市軌道內(nèi)部供電系統(tǒng)主要由牽引供電系統(tǒng)和動力照明系統(tǒng)兩部分組成，由主變壓器向外部電源取電經(jīng)中壓網(wǎng)絡(luò)電纜向牽引所、降壓所和牽引降壓混合所供電。

1.1高壓供電系統(tǒng)

根據(jù)城市電網(wǎng)對城市軌道交通供電的特點(diǎn)，主要有集中供電、分散供電和混合供電幾種形式。在城市軌道交通供電系統(tǒng)中，主要從城市電網(wǎng)地方變電站引出兩回110kV高壓電源到主變電站。主變電所內(nèi)變壓器將其降壓為35kV或1OkV電壓向降壓變電所、牽引變電所和牽引降壓混合所供電。這種通過主變電所向城市軌道內(nèi)部供電系統(tǒng)供電的方式稱為集中供電方式。沿線的牽引所或降壓所分別從城市電網(wǎng)取電的供電方式稱為分散供電方式。分散供電方式為了保證供電可靠性，給每座牽引所和降壓所提供兩路進(jìn)線電源。同時兼顧集中供電方式和分散供電方式特點(diǎn)的供電方式稱為混合供電方式。

1.2牽引供電系統(tǒng)

城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)由牽引變電所和牽引網(wǎng)組成，牽引網(wǎng)主要包括直流正負(fù)極母線及饋線、接觸網(wǎng)、鋼軌和回流線。按照IEC和我國國標(biāo)規(guī)定，國內(nèi)城市軌道交通主要采用DC750V和DC 1500V兩種供電制式，其中，DC750V主要用于接觸軌，允許電壓范圍為500-900V；DC 1SOOV主要用于接觸網(wǎng)，允許電壓在1000-1800V之間。整流機(jī)組將三相交流電整流為適合機(jī)車運(yùn)行的直流電，由饋線電纜將牽引變電所的直流電輸送至接觸網(wǎng)（接觸軌），列車通過從受電弓（受電靴）從接觸網(wǎng)（接觸軌）取流經(jīng)鋼軌回流至牽引變電所負(fù)極。

2城市軌道無功補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)分類

無功功率與電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定程度緊密相關(guān)，應(yīng)對其進(jìn)行就地補(bǔ)償。根據(jù)城市軌道供電系統(tǒng)方式，將無功補(bǔ)償方案分為：集中式補(bǔ)償、分區(qū)集中式補(bǔ)償和分布式補(bǔ)償。

2.1集中式補(bǔ)償

集中式補(bǔ)償通常在系統(tǒng)中的某一處安裝無功補(bǔ)償裝置對整個系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償。城市軌道交通供電系統(tǒng)是在主變電所低壓側(cè)35（33 ）kV母線上安裝補(bǔ)償裝置對整個系統(tǒng)進(jìn)行集中補(bǔ)償，如圖1所示。其主要目的是為了提高PCC的功率因數(shù)，避免罰款。

2.2分區(qū)集中式補(bǔ)償分區(qū)

集中式補(bǔ)償?shù)哪康氖峭ㄟ^提高每個供電分區(qū)的功率因數(shù)來提升系統(tǒng)功率因數(shù)。在每個主變電所一、二段的供電分區(qū)安裝無功補(bǔ)償裝置，使每個供電分區(qū)得到集中補(bǔ)償（圖2）。

2.3分布式補(bǔ)償

為了提高負(fù)載的功率因數(shù)，通常在每個牽引所、降壓所和牽引降壓混合所安裝無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行分布式補(bǔ)償。補(bǔ)償裝置一般安裝在0.4kV母線上，集中補(bǔ)償用電設(shè)備的無功功率，符合在無功負(fù)荷中心進(jìn)行無功平衡的要求，如圖3所示。

對比3種無功補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，分布式補(bǔ)償方案效果最好，其次是分區(qū)集中式補(bǔ)償方案，集中式補(bǔ)償方案效果相對較差。但實(shí)際上由于城市軌道供電臂不長，分布式補(bǔ)償方案和分區(qū)集中式補(bǔ)償方案與集中式補(bǔ)償方案相比較，無功補(bǔ)償效果差異較小。并且，在分布式補(bǔ)償方案中，需要投入大量的補(bǔ)償設(shè)備，增加了設(shè)計(jì)投資。集中式補(bǔ)償方案只需要在主所低壓側(cè)母線上設(shè)置無功補(bǔ)償裝置，設(shè)備投入較少，占地面積較少，投資最少。分區(qū)集中式補(bǔ)償方案比集中式補(bǔ)償方案多投資60%左右，分布式補(bǔ)償方案比集中式補(bǔ)償方案多投資1倍左右。因此，本文所研究的內(nèi)容都是基于集中式補(bǔ)償方案。

3無功補(bǔ)償裝置的系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

在城市軌道供電系統(tǒng)中，主變壓器主要將外部電源降壓為適合城市軌道內(nèi)部系統(tǒng)的電壓等級；牽引整流變壓器連接城市軌道內(nèi)部中壓環(huán)網(wǎng)和直流供電系統(tǒng)；配電變壓器主要將城市軌道內(nèi)部中壓環(huán)網(wǎng)電壓降為適合車站用電設(shè)備的電壓等級。無功補(bǔ)償裝置裝在主變電所低壓母線處時，無功補(bǔ)償裝置的出力

Q=Q35kv+Q主變+Q110kv

110kv電纜充電無功會占用主變壓器容量。無功補(bǔ)償裝置裝在PCC時，無功補(bǔ)償裝置的出力

Q=Q35kv+Q主變+Q110kv，

35kV側(cè)的容性無功在反送到PCC時也占用變壓器的容量。無論無功補(bǔ)償裝置裝設(shè)在哪個位置，無功補(bǔ)償?shù)娜萘看笾孪嗤?。假設(shè)35kV側(cè)的無功功率和110kV側(cè)的電壓不變，作出110kV電纜充電無功與其電纜長度的關(guān)系圖，令Q35kv=Q110kv，可以求出此時110kV的電纜長度為Ld。圖中虛線表示35kV供電分區(qū)倒送的固定容性無功。

當(dāng)LLD時，Q110kv>Q35kv，無功補(bǔ)償裝置應(yīng)裝設(shè)在PCC，當(dāng)然，無功補(bǔ)償裝置設(shè)置在PCC時，連接無功補(bǔ)償裝置的隔離變壓器電壓等級較高，投資有所增加。

結(jié)束語

供電部門將城市軌道交通供電系統(tǒng)功率因數(shù)作為電費(fèi)收取的依據(jù)，當(dāng)功率因數(shù)達(dá)不到協(xié)議要求時，在標(biāo)準(zhǔn)電費(fèi)收取的基礎(chǔ)上增加額外的罰款費(fèi)用。因此，研究城市軌道交通供電系統(tǒng)的功率因數(shù)分布規(guī)律是相當(dāng)重要的。

參考文獻(xiàn)：

[1]許焯毅，譚雪嬌.無功補(bǔ)償方案在地鐵供電系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].電子世界，2016，02：149-151.