解析城市軌道交通供電系統(tǒng)的無功補(bǔ)償要點

林 濤 陳益龍 蘇 毅

（南寧軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530029）

我國目前的城市軌道交通體系中，其供電系統(tǒng)主要包括三個方面，即城市軌道交通的照明供電、牽引系統(tǒng)供電以及動力系統(tǒng)供電，因此供電系統(tǒng)的運行質(zhì)量和效率將對城市軌道交通系統(tǒng)運行的安全性和可靠性產(chǎn)生重要的影響。這就要求在城市軌道交通供電系統(tǒng)的建設(shè)中要準(zhǔn)確分析其功率因數(shù)，并嚴(yán)格按照就地平衡原則來進(jìn)行無功補(bǔ)償。在無功補(bǔ)償時要科學(xué)制定補(bǔ)償方案，合理確定補(bǔ)償裝置的容量并選擇相應(yīng)的補(bǔ)償方式，以確保無功補(bǔ)償?shù)挠行?，從而改善城市軌道交通供電系統(tǒng)的運行效率，提高資源的利用率和供電系統(tǒng)運行的經(jīng)濟(jì)性。

1 影響城市軌道交通系統(tǒng)供電運行的主要因素

由于我國目前主要采用的是集中供電方式，因此城市軌道交通供電系統(tǒng)也是通過主變電站來接入110 kV高壓，并將其轉(zhuǎn)化為軌道交通系統(tǒng)所需要的35 kV低壓，再利用中壓線纜將電力能輸送給軌道交通系統(tǒng)中的降壓以及牽引變電所。

1.1 供電系統(tǒng)的具體牽引負(fù)荷因素

城市軌道交通的理論牽引負(fù)荷應(yīng)達(dá)到0.989以上，不過目前在實際運行中其牽引負(fù)荷一般約為0.95[1]。通常城市軌道交通系統(tǒng)的牽引負(fù)荷供電結(jié)構(gòu)相對簡單且其具有較高的自然功率因素，對無功補(bǔ)償?shù)男枰鄬^低。供電系統(tǒng)需要經(jīng)過變電后以及整流降壓后再將電力能源輸送給城市軌道交通牽引系統(tǒng)。

1.2 供電系統(tǒng)的照明動力負(fù)荷因素

目前在城市軌道交通的照明系統(tǒng)中主要還是采用交流220 V電壓來進(jìn)行供電。通常將降壓變電所設(shè)置在軌道交通車站內(nèi)，并在所有變電所內(nèi)應(yīng)配置變壓設(shè)備2臺，這樣就可以在完成降壓后向軌道交通照明系統(tǒng)直接提供電力能源。在此過程中主要產(chǎn)生的是感性無功類型。城市軌道交通照明系統(tǒng)中目前主要使用LED照明設(shè)備以及電子節(jié)能鎮(zhèn)流設(shè)備等，其功率因數(shù)一般約為0.9。此外，在軌道交通系統(tǒng)中還包括配套的其他附屬設(shè)備的照明供電系統(tǒng)，為了減少能源消耗，這些照明設(shè)備大多采用的是變頻裝置，因此其功率負(fù)荷一般能夠超過0.9。

1.3 供電系統(tǒng)的配變電設(shè)備負(fù)荷因素

城市軌道交通供電系統(tǒng)中主要有電纜以及變壓器等輸變電設(shè)備。其中電纜所產(chǎn)生的主要為容性無功類型，而電壓器所產(chǎn)生的則主要為感性無功損耗。其中當(dāng)電纜長度增加時，其所產(chǎn)生的容性無功以及電壓也會相應(yīng)地增加。

2 對軌道交通供電系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償要點

2.1 合理制定無功補(bǔ)償方案

2.1.1 不同無功補(bǔ)償方案的適用條件

由于城市軌道交通在不同時段的運行方式存在一定的差異，因此在制定無功補(bǔ)償方案時也應(yīng)充分考慮該因素，例如在運行高峰階段應(yīng)采取容性無功的補(bǔ)償方式，而在運行低谷時段則應(yīng)采用感性無功方式來進(jìn)行補(bǔ)償。

2.1.2 通過并聯(lián)電容設(shè)備進(jìn)行無功補(bǔ)償

利用母線來采取設(shè)置并聯(lián)電容方式進(jìn)行無功補(bǔ)償能夠有效降低成本，并延長補(bǔ)償裝置的使用壽命，同時該方式對環(huán)境條件的要求相對較低，其運行的穩(wěn)定性比較高。但是這種無功補(bǔ)償方式只能輸出固定容量，無法根據(jù)無功損耗的動態(tài)變化來進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償，同時還存在諧振等問題，影響無功補(bǔ)償?shù)男Ч虼嗽摕o功補(bǔ)償方案難以滿足城市軌道交通供電系統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)膶嶋H需要。

2.1.3 通過SVC設(shè)備進(jìn)行無功補(bǔ)償

該無功補(bǔ)償方案具有較高穩(wěn)定性，能夠通過系統(tǒng)背部的自我診斷裝置來對運行過程中的功率因數(shù)變化情況進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，從而及時調(diào)節(jié)電容器容量，從而有效提高了無功補(bǔ)償精度。不過該無功補(bǔ)償方案需要較大的用地面積，同時也存在諧波問題，因此還需要進(jìn)一步進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新和改進(jìn)。該補(bǔ)償裝置由于結(jié)構(gòu)比較簡單，便于維護(hù)，降低了設(shè)備運行過程中的檢修難度和維護(hù)成本，是一種具有較高實用價值無功補(bǔ)償方案，在實踐中得到了廣泛的應(yīng)用。

2.1.4 通過SVG設(shè)備進(jìn)行無功補(bǔ)償

所謂SVG也就是靜止無功發(fā)生器，其無功能量轉(zhuǎn)換主要是利用IGBT，也就是可關(guān)斷電力電子器件來實現(xiàn)[2]。SVG能夠有效提高供電系統(tǒng)靜態(tài)以及動態(tài)的穩(wěn)定性，并對非對稱性負(fù)荷產(chǎn)生一定的抑制作用，從而確保電流以及電壓的平衡性。SVG是一種先進(jìn)的無功補(bǔ)償裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)對無功的快速調(diào)節(jié)，并能夠跟蹤補(bǔ)償諧波。

2.2 提高無功補(bǔ)償效果的有效對策

2.2.1 通過無功補(bǔ)償各要素模型進(jìn)行綜合分析

在無功補(bǔ)償時要全面收集供電系統(tǒng)中所有電氣設(shè)備運行的實際功率，并通過模型構(gòu)建方式來進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)哪M分析，對各影響要素進(jìn)行準(zhǔn)確的評價，從而合理控制供電系統(tǒng)運行功率因素，以確保所有電氣設(shè)備運行的安全性和穩(wěn)定性，并減少對能源的消耗。

2.2.2 全面分析供電系統(tǒng)的運行情況

在無功補(bǔ)償時要全面收集供電系統(tǒng)的各種相關(guān)資料，并對城市軌道交通供電系統(tǒng)的實際運行情況進(jìn)行綜合性的分析研究。無功補(bǔ)償既要能夠根據(jù)用電負(fù)荷的實際變化來進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，并實現(xiàn)供電系統(tǒng)的雙向無功補(bǔ)償，以確保城市軌道交通系統(tǒng)的電力系統(tǒng)能夠通過動態(tài)連續(xù)的感性以及容性無功補(bǔ)償來確保供電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定運行[3]。

2.2.3 準(zhǔn)確計算供電系統(tǒng)負(fù)荷

在無功補(bǔ)償時要準(zhǔn)確計算城市軌道系統(tǒng)在運行過程中供電系統(tǒng)的實際負(fù)荷，并結(jié)合城市軌道交通的特點來提高無功補(bǔ)償?shù)挠行?。同時在無功補(bǔ)償中還要充分考慮供電系統(tǒng)可能出現(xiàn)的突發(fā)性事故，并制定相應(yīng)的無功補(bǔ)償預(yù)案，以確保城市軌道交通系統(tǒng)的運行安全。

2.2.4 無功補(bǔ)償設(shè)備容量的合理選擇

由于城市軌道交通系統(tǒng)中的照明動力負(fù)荷以及牽引負(fù)荷較大，因此其供電系統(tǒng)功率也相對較大，這會導(dǎo)致供電系統(tǒng)中有感性無功功率產(chǎn)生，并進(jìn)而與電纜中的容性無功產(chǎn)生中和效果，造成供電系統(tǒng)中的無功功率明顯低于其有功功率，且供電系統(tǒng)的功率因素將超過0.9。而城市軌道交通系統(tǒng)在夜間則基本處于停運狀態(tài)，僅需維持少量設(shè)備的用電需求，此時供電系統(tǒng)功率以及無功功率都會相應(yīng)地降低，且變壓器負(fù)載也將降至約0.05，而電纜所產(chǎn)生的容性無功的變化并不明顯，其功率因數(shù)應(yīng)保持在0.5范圍內(nèi)。這種情況會造成主變電所功率的平均值無法滿足供電系統(tǒng)運行安全的要求，因此必須根據(jù)城市軌道交通系統(tǒng)的運行特點來進(jìn)行無功補(bǔ)償設(shè)備容量的選擇，從而提高供電系統(tǒng)運行的平衡性，保證供電的可靠性和穩(wěn)定性。

3 結(jié)語

在城市軌道交通系統(tǒng)的運行過程中，要高度重視其無功補(bǔ)償問題。城市軌道交通供電系統(tǒng)的管理部門要充分了解所有電氣設(shè)備運行時的實際功率因數(shù)，并結(jié)合城市軌道交通系統(tǒng)的實際運行情況進(jìn)行綜合性的分析研究，優(yōu)化無功補(bǔ)償方案。在無功補(bǔ)償中要根據(jù)實際需要來選擇相應(yīng)容量的無功補(bǔ)償裝置，并確定無功補(bǔ)償?shù)挠行Х绞?，以提高無功補(bǔ)償?shù)男Ч?，改善供電系統(tǒng)運行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，為城市軌道交通系統(tǒng)的安全運行提供穩(wěn)定供電保障，從而促進(jìn)我國城市軌道交通事業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展。