城市轨道交通供电系统无功平衡分析

城市轨道交通供电系统无功平衡分析

席旭雷

洛阳市轨道交通集团有限责任公司 471000

摘要：众所周知，为了提高电网的输电能力，降低电压损耗，提高电能质量，城市轨道交通的供电系统功率因数主要采用局部无功平衡调节原则和集中式无功平衡补偿，以确保在测量电源侧的电量时，平均功率因数在合理范围内，并避免出现欠补偿或过补偿。根据中国城市轨道交通部分区域电力系统的公共设备连接点(PCC)系统功率因数值小于0.9的现象，分析了目前影响整个电力系统功率因数高低的主要无功调节能源，即110kV电缆的无功充电，总结城市轨道交通供电无功平衡的合理措施。

关键词：城市轨道交通；供电系统；无功平衡

引言

随着近年我国城市轨道交通的进一步发展，其供电系统规模越来越大，为积极适应加快城市化改造的发展需要，大多数地方高、中电压区域电网普遍采用电缆线路敷设，结合电网运行多年经验分析发现，大量埋设的架空电缆线路可能同时产生有容性无功功率，这可能对提升电力系统本身的平均功率因数水平有很大的影响^[1]。由于公共供电系统中的负荷需求越来越大，且所有电缆都用于传输，因此无功电容充电功率大，而电力照明和牵引负荷等无功功率在电力负荷中占很大一部分，如果无功功率平衡不好，无功功率比就会降低，将对城市电网产生负面影响。

1. 城市轨道交通供电系统无功平衡现状

城市轨道交通企业的测量和评估点通常位于城市变电站的110 kV输出线路范围内，在与城市供电局签订的电力合同中，月平均功率因数必须不低于0.85，否则将额外支付部分功率因数调节费，对于这种情况应主动采取措施并尽量避免。一般来说，城市轨道交通主要供电系统无功功率将直接影响着功率因数，无功功率可以通过包含每个电力负荷的功率因数来控制，目前，城市轨道交通电力系统一般采用低压集中系统供电，即在城市轨道交通主变电所上从现有城市电网系统引入110kV低压电源，并通过低中压环网系统将电力分配到每个负载端的主变电站，其电力负荷最大可分为1500V拉伸负荷和400V级低压负荷，额定负荷状态下设计功率因数均大于0.95，满足运行要求^[2]。此外，400V低压电气设备的自然功率因数相对较低，电气设备自然功率因数一般为0.8左右，根据无功补偿设计原则，变电站对于400V以下低压母线段一般未配备滤波电容器组，仅能适用于二级以上负荷，而对于供电系统，必须考虑线路电容无功功率衰减的直接影响。

2. 供电系统无功分布与补偿原则

2.1供电系统无功分布

目前，我国城市轨道交通供电线路电压一般只采用110kV以下和高于35kV的两种主电压线路集中调压供电方式，主高压变电站分别由接入城市电网系统的两个不同规格的110 kV电源并联直接投入运行，保证在将线路电压稳定降至小于35万千kV值后，向供电线路的每个高压变电站和降压变电站供电。城市轨道交通线路主站变电所采用35万kV母线或采用单段母线形式运行，分为变电所I段母线和变电II段，这两段变电所母线分别与地下牵引变电所和变电所I段母线和变电站II段母线直接相连，牵引变电所为直流1500V（750V）DC，降压研磨，通过列车接触网向牵引列车供电。根据对城市轨道交通供电系统主线分析，供电系统需要的直流无功感应电源一般包括:110kV无功电缆和35kV容性直流充电的无功补偿电缆等，电缆电容无功功率是一个相对固定的值，可用于有针对性地补偿，主变压器的感应无功功率相对较小且相对稳定，而牵引负载（也称为牵引电机负载）是电感负载，切断24脉冲整流逆变器电流后，其理论功率因数仍为小于0.989，因此，原则上也不需要额外对拉伸负荷功率进行任何无功补偿。

2.2供电系统补偿原则

无功补偿原则主要是就近或集中补偿，减少由无功和电流损耗造成的损耗，为了避免电网过度进行补偿，进一步减少电网不必要补偿的设备及投资。电力系统在生产应用中使用的各种电力动态无功控制及补偿设备主要包括：同步式过滤隔离电容器：因大规模使用存在单个设备体积及投资规模大、成本费用比较高等问题，导致被中国电力市场列为迅速地淘汰型之一；动态并联电容器和静态SVC系列不适用于无功功率参数变化波动大、速度快、响应慢系统；并联电抗器能够通过对电缆线路两端并联的带电容性无功充电保护的负载起到良好的无功补偿作用，不仅能可靠地补偿其额定无功功率，还能真正起到抑制大电流谐波，限制整个系统操作过电压的最大谐波幅值，以避免线路谐振^[3]。

2. 城市轨道交通供电系统无功平衡特点与经济运行分析

3.1城市轨道交通供电系统无功平衡特点

根据中国城市轨道交通线路规划对线路电容式无功补偿措施的总体需求，电力系统电缆线路上的电容性无功功率与线路接地电压高低和绝缘长度高低有关，与拉伸负荷大小无关，可以将其视为一个固定值，如图1中的曲线②所示，考虑到拉伸电压负荷后的线路功率因数必须大于0.95，低压负荷经无功补偿设备自动无功补偿处理后得到的线路功率因数要大于0.9，电气负荷后电容感应无功功率根据功率因数可近似计算取得一定值，即:电气负载上的感应元件无功功率值与电气负载电阻大小成反比例方。如图1中的①曲线图所示，当系统运行负荷初期或系统夜间或停机运行时负荷相对较低状态时，系统释放的可容性无功功率要大于可感性无功功率，系统极化，在轨道交通运行发展中期段和运行后续发展阶段重载负荷状态下，系统运行的感性无功功率大于容性无功功率。

图1 无功功率分布曲线

3.2城市轨道交通供电系统无功平衡的经济运行分析

城市轨道交通供电系统经济运行的评价指标分别是线网系统有功的损耗能力和系统网关功率因数，线路系统有功损耗能量可调频率过小，功率因数低，可主要通过系统无功自动补偿控制装置进行优化，因此，经济安全运行的总目标仍是逐步提高功率因数。根据解决国内城市轨道交通无功功率参数变化频率波动程度过大这个问题，厂家多选用一种SVG补偿装置来作为其自动静态无功自动补偿的设备，即将SVG模块直接安装或固定在城市轨道交通主变电所上进行自动补偿，对于城市110KV线路侧的任何有容性无功功率，可以借助无功补偿模式实时在线监测到负载上的全部无功功率，并自动根据每个负载产生的有效无功功率大小而对无功SVG值进行相应补偿，这种供电方式可以大幅减少线路通过主变压器发出的全部无功功率，提高整个主变压器提供的供电负载通过能力，同时减少电网一些有功电能损耗，大大优化整个供电无功系统的平稳运行^[4]。

结束语

城市轨道交通的供电补偿线路设计人员必须密切注意线路供电补偿系统无功功率分配的动态局部平衡，设计人员应尽快熟悉我国城市轨道交通建设的一些相关设计技术规范，并根据当前城市轨道交通建设供电系统负荷设计的特点重新进行系统设计。如果线路无功补偿系统容量计算结果不准确，计算值严重低于工程实际设计需要考虑的附加无功容量，将直接导致线路PCC系统功率因数分析不合格，致使线路运行后改造成本昂贵和操作难度较大。

参考文献

1. 张戬,刘炜,谢文君,等.基于逆变回馈装置的城市轨道交通分布式无功补偿方案研究[J].电工电能新技术,2020,39(8):6-39.

2. 闫石,钟素梅.城市轨道交通35kV供电系统允许式电流选跳保护分析[J].城市轨道交通研究,2020,23(10):4-28.

3. 付胜华,李文.城市轨道交通供电系统无功平衡分析[J].城市轨道交通研究,2021,24(3):24-26.

4. 王敖.城市轨道交通供电系统的无功补偿方案研究[J].机电工程技术,2021,50(5):50-56.