城市軌道供電系統(tǒng)無功補償方案研究

王康

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

關(guān)鍵詞：城市軌道；供電系統(tǒng)；無功補償

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。在城市軌道交通運營初期階段，負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營部門的成本，危害電力系統(tǒng)安全運行。

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，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線電源。同時兼顧集中供電方式和分散供電方式特點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)主要包括直流正負極母線及饋線、接觸網(wǎng)、鋼軌和回流線。按照IEC和我國國標規(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。整流機組將三相交流電整流為適合機車運行的直流電，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極。

2城市軌道無功補償系統(tǒng)設(shè)計分類

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

2.1集中式補償

集中式補償通常在系統(tǒng)中的某一處安裝無功補償裝置對整個系統(tǒng)進行無功補償。城市軌道交通供電系統(tǒng)是在主變電所低壓側(cè)35（33 ）kV母線上安裝補償裝置對整個系統(tǒng)進行集中補償，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)集中式補償分區(qū)

集中式補償?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)安裝無功補償裝置，使每個供電分區(qū)得到集中補償（圖2）。

2.3分布式補償

為了提高負載的功率因數(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償裝置進行分布式補償。補償裝置一般安裝在0.4kV母線上，集中補償用電設(shè)備的無功功率，符合在無功負荷中心進行無功平衡的要求，如圖3所示。

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

3無功補償裝置的系統(tǒng)設(shè)計分析

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。無功補償裝置裝在主變電所低壓母線處時，無功補償裝置的出力

Q=Q35kv+Q主變+Q110kv

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

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。無論無功補償裝置裝設(shè)在哪個位置，無功補償?shù)娜萘看笾孪嗤＜僭O(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LLD時，Q110kv>Q35kv，無功補償裝置應裝設(shè)在PCC，當然，無功補償裝置設(shè)置在PCC時，連接無功補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)作為電費收取的依據(jù)，當功率因數(shù)達不到協(xié)議要求時，在標準電費收取的基礎(chǔ)上增加額外的罰款費用。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)律是相當重要的。

參考文獻：

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