軌道交通運(yùn)行初期電力功率因數(shù)不達(dá)標(biāo)問(wèn)題及應(yīng)對(duì)措施

張 健

(蘭州市軌道交通有限公司，甘肅 蘭州 730070)

軌道交通的主要能耗是電能，電力能耗費(fèi)用是軌道交通運(yùn)營(yíng)成本的重要組成部分，約占運(yùn)營(yíng)成本25%。電力能耗費(fèi)用中功率因數(shù)考核也叫力調(diào)電費(fèi)，是供電部門對(duì)用電單位供電系統(tǒng)功率因數(shù)的要求。高于考核標(biāo)準(zhǔn)時(shí)獎(jiǎng)勵(lì)，低于考核標(biāo)準(zhǔn)時(shí)則增收考核費(fèi)用。考核費(fèi)用與功率因數(shù)并非成線性比例關(guān)系，而是功率因數(shù)越低，費(fèi)用考核越嚴(yán)重。如：功率因數(shù)在0.8，增收力調(diào)電費(fèi)約占總電費(fèi)5%；功率因數(shù)0.7，增收力調(diào)電費(fèi)約占總電費(fèi)10%；功率因數(shù)在0.6時(shí)，增收力調(diào)電費(fèi)約占總電費(fèi)25%。0.6以下時(shí)，每降低0.01，增收電費(fèi)2%?？梢钥吹疆?dāng)功率因數(shù)在0.6時(shí)，僅考核電費(fèi)就占實(shí)際電費(fèi)四分之一，因此無(wú)論從提高電網(wǎng)質(zhì)量考慮還是從軌道交通運(yùn)營(yíng)單位運(yùn)營(yíng)成本考慮解決軌道交通功率因數(shù)不達(dá)標(biāo)問(wèn)題，并制定相應(yīng)措施都是十分必要的。

1 功率因數(shù)考核

在電網(wǎng)中，由電源供給負(fù)載的電功率有兩種:一種是有功功率，另一種是無(wú)功功率。有功功率是保持用電設(shè)備正常運(yùn)行所需的電功率，也就是將電能轉(zhuǎn)換為其他形式能量(機(jī)械能、光能、熱能)的電功率。無(wú)功功率并非無(wú)用功率，它是用于建立電路內(nèi)電場(chǎng)與磁場(chǎng)，并用來(lái)在電氣設(shè)備中維持電場(chǎng)和磁場(chǎng)的電功率，它參與了與電源的能量交換。交流電路中，電壓與電流之間的相位差(Φ)的余弦為功率因數(shù)，用符號(hào)cosΦ表示，在數(shù)值上，功率因數(shù)是有功功率和實(shí)際功率的比值，即cosΦ=P/S。功率因數(shù)是衡量電氣設(shè)備效率高低的一個(gè)系數(shù)。功率因數(shù)低，說(shuō)明電路用于交變磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換的無(wú)功功率大，增加了線路供電損失，因此供電部門對(duì)用電單位的功率因數(shù)有一定的標(biāo)準(zhǔn)要求。一般情況國(guó)內(nèi)根據(jù)所在省市地區(qū)電價(jià)政策對(duì)于高壓一般工商業(yè)性質(zhì)用戶功率因數(shù)要求不低于0.85，對(duì)于高壓大工業(yè)性質(zhì)用戶功率因數(shù)要求不低于0.9。

軌道交通供電采用集中方式供電，一般一條線路配置兩座主變電所，每個(gè)主所有兩回專用電源線路供電。主變電所從外部供電電源引入AC110kV電壓變換成AC35kV后，通過(guò)AC35kV環(huán)網(wǎng)電纜分別向各個(gè)車站牽引降壓混合變電所或降壓變電所供電。車站供電分為牽引供電和動(dòng)力照明供電。牽引供電是將AC35kV轉(zhuǎn)換為DC1500V，主要向電力機(jī)車提供用能。動(dòng)力照明供電將AC35kV轉(zhuǎn)換位AC380V，向車站照明、車站通風(fēng)空調(diào)、電扶梯、給排水設(shè)備、信號(hào)等軌道交通專業(yè)設(shè)備供電。目前軌道交通牽引系統(tǒng)整流機(jī)組普遍采用24脈波整流方式，牽引負(fù)荷功率因數(shù)一般能夠保持在0.95以上，動(dòng)力照明系統(tǒng)在應(yīng)用新技術(shù)如采用LED照明，空調(diào)、通風(fēng)及電扶梯采用變頻裝置后負(fù)載功率因數(shù)也能達(dá)0.9以上。軌道交通無(wú)功功率主要為變壓器無(wú)功功率、外電源電纜無(wú)功功率、及自身系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)電纜無(wú)功功率。

2 軌道交通運(yùn)行初期功率因數(shù)不達(dá)標(biāo)原因分析

1）外輸電線路采用地埋電纜敷設(shè)時(shí)無(wú)功損耗大。供電部門對(duì)用電單位功率因數(shù)考核計(jì)量點(diǎn)一般是在供電設(shè)備產(chǎn)權(quán)分界點(diǎn)處，如輸電線路產(chǎn)權(quán)歸屬為用戶，則無(wú)功考核點(diǎn)在供電側(cè)電源處；如輸電線路產(chǎn)權(quán)歸屬供電部門，則無(wú)功考核點(diǎn)在用戶側(cè)進(jìn)線處。軌道交通主變供電外電源線路一般都是軌道交通運(yùn)營(yíng)單位自主建設(shè)，受制于城市區(qū)域發(fā)展及安全需要，外電源線路多采用地埋電纜敷設(shè)。而地埋電纜線路較架空線路相比充電功率大，在線路負(fù)荷率較輕情況下，會(huì)產(chǎn)生較大無(wú)功損耗。即當(dāng)外電源線路采用地埋電纜線路越長(zhǎng)時(shí)，線路無(wú)功損耗越大。

2)SVG自動(dòng)補(bǔ)償模式下無(wú)法補(bǔ)償線路側(cè)無(wú)功。一般情況下軌道交通自動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償裝置（SVG）是并列安裝在用戶側(cè)主變壓器二次母排上的。采用自動(dòng)補(bǔ)償模式下的SVG在110kV進(jìn)線處采集電壓電流值，通過(guò)系統(tǒng)判定無(wú)功功率大小及方向，自動(dòng)調(diào)節(jié)設(shè)備補(bǔ)償模塊工作方式及大小，使供電系統(tǒng)功率因數(shù)始終保持在預(yù)設(shè)調(diào)目標(biāo)參數(shù)。但SVG自動(dòng)補(bǔ)償模式下的僅能補(bǔ)償調(diào)節(jié)軌道交通主變電站及其以下供電系統(tǒng)無(wú)功，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)外輸電線路的無(wú)功損耗的自動(dòng)補(bǔ)償。

3）軌道交通運(yùn)行初期線路輕載。功率因數(shù)

根據(jù)計(jì)算，當(dāng)有功功率是無(wú)功功率的2倍或以上時(shí)（即：當(dāng) P≥2Q 時(shí)，cosΦ≥0.9），功率因數(shù)可達(dá)標(biāo)。軌道交通運(yùn)營(yíng)初期主要分為兩個(gè)階段，一是線路調(diào)試階段，一般情況軌道交通帶電聯(lián)調(diào)聯(lián)試工作會(huì)持續(xù)一年左右，此階段列車開行密度小，車站用電設(shè)備在調(diào)試階段投入開啟度不高，線路有功電量極低，而軌道交通建成調(diào)試階段，供電系統(tǒng)配置已相對(duì)基本穩(wěn)定，變壓器運(yùn)行及電纜充電情況下系統(tǒng)無(wú)功功率變化量可視為恒定值。在有功功率少而無(wú)功功率不變情況下，供電系統(tǒng)功率因數(shù)極易出現(xiàn)不達(dá)標(biāo)情況，供電線路會(huì)產(chǎn)生較重功率因數(shù)考核費(fèi)用。二是線路正式試運(yùn)行階段，白天運(yùn)營(yíng)時(shí)刻，由于線路上電客車及車站照明、通風(fēng)等軌道交通用電設(shè)備均處于運(yùn)行工作狀態(tài)。線路基本能滿足電力部門對(duì)高壓用戶功率因數(shù)不小于0.9的要求。但夜間停運(yùn)后，電客車及車站負(fù)載有功功率會(huì)大幅降低，受電纜充電產(chǎn)生無(wú)功的影響，線路會(huì)存在大量的容性無(wú)功功率，造成夜間功率因數(shù)低。供電部門考核是用戶一月內(nèi)的平均功率因數(shù)。因此夜間軌道交通線路輕載，有功少情況下系統(tǒng)補(bǔ)償需求量就會(huì)增高。隨著軌道交通線網(wǎng)的發(fā)展，運(yùn)輸能力的提高，運(yùn)營(yíng)單位會(huì)逐步增加列車發(fā)送密度并延長(zhǎng)運(yùn)營(yíng)服務(wù)時(shí)間，后期功率因數(shù)補(bǔ)償缺額上會(huì)有所改善。但運(yùn)行初期若在系統(tǒng)設(shè)置的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備補(bǔ)償能力不足情況下，容易造成功率因數(shù)不達(dá)標(biāo)情況。

3 軌道交通運(yùn)行初期功率因數(shù)不達(dá)標(biāo)解決措施

1）調(diào)整SVG運(yùn)行方式。如軌道交通運(yùn)行初期變電所內(nèi)SVG已將功率因數(shù)補(bǔ)償至達(dá)標(biāo)點(diǎn)，但在供電部門電力計(jì)量點(diǎn)處仍出現(xiàn)功率因數(shù)考核情況下，此時(shí)判斷主要是由于外電線路側(cè)電纜充電功率高，產(chǎn)生容性無(wú)功損耗造成的。運(yùn)營(yíng)單位可根據(jù)日實(shí)際電量測(cè)算線路側(cè)電纜充電功率及需投入無(wú)功補(bǔ)償量，調(diào)整SVG運(yùn)行方式，加大SVG功率因數(shù)預(yù)設(shè)目標(biāo)參數(shù)。需要說(shuō)明的是由于安全要求軌道交通往往具有多種安全保障設(shè)備，這些設(shè)備在正常情況多采用熱備狀態(tài)，或部分運(yùn)轉(zhuǎn)模式。如車站大排煙風(fēng)機(jī)、車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)等。因此軌道交通設(shè)計(jì)負(fù)荷量往往遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際負(fù)荷情況。如采用設(shè)計(jì)負(fù)荷量核算系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償量往往不準(zhǔn)確。運(yùn)營(yíng)單位可采用實(shí)際電量測(cè)算線路無(wú)功補(bǔ)償缺額，逐步調(diào)節(jié)SVG已達(dá)到考核點(diǎn)功率因數(shù)達(dá)標(biāo)目標(biāo)。同時(shí)應(yīng)根據(jù)不同季節(jié)性，列車運(yùn)行圖、和車站服務(wù)時(shí)間靈活調(diào)整。

若補(bǔ)償缺額數(shù)值差距較小，可適當(dāng)將SVG自動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償預(yù)設(shè)參數(shù)調(diào)高。若調(diào)至最高仍不滿足，應(yīng)及時(shí)聯(lián)絡(luò)供電部門，掌握計(jì)量點(diǎn)處功率因數(shù)讀數(shù)。此時(shí)所內(nèi)功率因數(shù)讀數(shù)已無(wú)參考價(jià)值?？筛鶕?jù)計(jì)量點(diǎn)處功率因數(shù)情況結(jié)合軌道交通110kV及以下供電系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償量，核算外電源線路補(bǔ)償缺額。運(yùn)營(yíng)單位可將SVG由自動(dòng)補(bǔ)償模式調(diào)整為恒無(wú)功固定電感補(bǔ)償方式，采用固定輸出模式下，SVG可補(bǔ)償外電源線路側(cè)無(wú)功。但此模式缺陷較為明顯，SVG模塊將長(zhǎng)期處于恒定工作狀態(tài)，失去自動(dòng)調(diào)節(jié)功率因數(shù)功效，變成純電抗輸出方式運(yùn)行，設(shè)備發(fā)熱量將增高，設(shè)備維護(hù)量加大，且易造成設(shè)備故障及損傷。如有條件可引入對(duì)側(cè)計(jì)量功率因數(shù)遠(yuǎn)程讀取，隨時(shí)掌握功率因數(shù)變化，隨著運(yùn)營(yíng)量的增加適當(dāng)調(diào)節(jié)輸出量或恢復(fù)自動(dòng)補(bǔ)償方式。

2）外電源電纜線路充電功率就地電抗補(bǔ)償。軌道交通在選擇主變電所時(shí)應(yīng)充分考慮所在城市外電源分布，選擇最佳接入路徑。如條件允許情況下，電源接入路徑越短越好，能采用架空敷設(shè)盡量選擇架空敷設(shè)；如條件不允許情況下軌道交通主變外線路電纜敷設(shè)長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，當(dāng)單回地埋線纜長(zhǎng)度超過(guò)2km及以上時(shí)，應(yīng)考慮單獨(dú)設(shè)置就地外電源線路無(wú)功補(bǔ)償，具體為在35kV母線兩側(cè)各并聯(lián)一組電抗器。此方式下應(yīng)在變電所設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮，提前預(yù)留電抗器安裝點(diǎn)及其接入開關(guān)柜、保護(hù)裝置等基礎(chǔ)及條件。并聯(lián)電抗器結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，設(shè)備投資少，后期易于維護(hù)是解決軌道交通外線路充電功率高導(dǎo)致功率因數(shù)考核不達(dá)標(biāo)問(wèn)題的最為有效方式。一是可以有效補(bǔ)償外電源線路充電功率，提高功率因數(shù)。二是與已投用SVG獨(dú)立運(yùn)行，可使SVG繼續(xù)保持自動(dòng)補(bǔ)償模式。由于軌道交通日間夜間功率因數(shù)需補(bǔ)償量不一致，SVG保持獨(dú)立調(diào)節(jié)110kV進(jìn)線側(cè)以下供電系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償，優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)電網(wǎng)電能質(zhì)量，減少SVG異常運(yùn)行模式時(shí)間，降低供電設(shè)備不良工況，延長(zhǎng)設(shè)備壽命。三是與已投用SVG互為備用，避免出現(xiàn)補(bǔ)償設(shè)備故障后，故障期間供電系統(tǒng)無(wú)功無(wú)法補(bǔ)償，給運(yùn)營(yíng)單位造成高額功率因數(shù)考核費(fèi)用。

3）利用再生能源回饋裝置分布式補(bǔ)償無(wú)功。軌道交通再生制動(dòng)能量逆變回饋裝置采用逆變回饋中壓或低壓電網(wǎng)方案，將電動(dòng)客車再生制動(dòng)能量回饋到低壓400v或者軌道交通中壓35kV電網(wǎng)上。根據(jù)系統(tǒng)傳感器檢測(cè)信號(hào)，綜合判斷直流電網(wǎng)上是否有列車處于再生制動(dòng)狀態(tài)，一旦確認(rèn)列車處于再生制動(dòng)狀態(tài)且直流母線電壓大于設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)能量吸收過(guò)程，并且把機(jī)車制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量回饋到電網(wǎng)，當(dāng)直流母線電壓小于設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉能量吸收過(guò)程。現(xiàn)在的軌道交通再生能源回饋裝置具有無(wú)功補(bǔ)償功能已逐漸成為一種標(biāo)配，但區(qū)別于SVG自動(dòng)判定無(wú)功功率的大小及方向，目前能饋裝置僅能通過(guò)軟件開啟或關(guān)閉輸出固定數(shù)值下的無(wú)功補(bǔ)償量。為了最大限度發(fā)掘設(shè)備潛力，結(jié)合軌道交通運(yùn)營(yíng)特性，可設(shè)置能饋系統(tǒng)在白天軌道交通線路運(yùn)營(yíng)期間向系統(tǒng)回饋有功電量，夜間軌道交通無(wú)電客車運(yùn)行時(shí)段時(shí)，調(diào)節(jié)再生能饋裝置補(bǔ)償固定感性無(wú)功功率平衡電纜產(chǎn)生容性無(wú)功功率。

4）運(yùn)營(yíng)單位要加強(qiáng)對(duì)功率因數(shù)關(guān)注。軌道交通事業(yè)是新興事業(yè)，在運(yùn)營(yíng)初期運(yùn)營(yíng)單位往往更加關(guān)注用電可靠性和安全性，而忽視對(duì)功率因數(shù)問(wèn)題關(guān)注，調(diào)試階段最為突出。一是調(diào)試階段運(yùn)營(yíng)單位應(yīng)在保證各聯(lián)調(diào)項(xiàng)目按計(jì)劃實(shí)施前提下，針對(duì)供電方式上靈活安排。供電部門的計(jì)量表計(jì)為每一回路獨(dú)立一個(gè)。軌道交通主變電所一般都有兩回獨(dú)立電源，當(dāng)主變電站兩回供電線路采用一用一停方式時(shí)，單個(gè)回路承擔(dān)系統(tǒng)所有有功負(fù)載用電，相應(yīng)計(jì)費(fèi)點(diǎn)功率因數(shù)會(huì)提高。二是多關(guān)注無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備運(yùn)行情況及環(huán)境。在運(yùn)行初期線路輕載，無(wú)功補(bǔ)償需量大。因此無(wú)功設(shè)備初期運(yùn)行負(fù)荷較大，這種情況應(yīng)加強(qiáng)無(wú)功設(shè)備的維護(hù)，關(guān)注設(shè)備運(yùn)行散熱情況，確保無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備工況良好。

4 總結(jié)

軌道交通運(yùn)行初期功率因數(shù)低導(dǎo)致高額力調(diào)電費(fèi)是困擾多數(shù)軌道交通運(yùn)營(yíng)企業(yè)的難題，一部分原因是線網(wǎng)發(fā)展需要的過(guò)程，隨著運(yùn)輸能力的提升，后期可有效改善。另一部分原因是在規(guī)劃設(shè)計(jì)建設(shè)階段預(yù)想做的不夠，考慮欠全面導(dǎo)致。因此在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段應(yīng)該要提前謀劃，一是要結(jié)合外線路電網(wǎng)電源的選址，電纜安裝敷設(shè)條件準(zhǔn)確測(cè)算外電源電纜補(bǔ)償量。二是要結(jié)合初期客流及軌道交通運(yùn)營(yíng)安排，精準(zhǔn)預(yù)測(cè)初期有功電量，選擇恰當(dāng)補(bǔ)償方式及足夠容量設(shè)備，確保初期功率因數(shù)達(dá)標(biāo)。最后是對(duì)運(yùn)營(yíng)單位建議：一是要提前與當(dāng)?shù)毓╇姴块T對(duì)接，熟悉當(dāng)?shù)仉妰r(jià)政策，合理靈活辦理用電業(yè)務(wù)。二是要多關(guān)注供電補(bǔ)償設(shè)備的檢修及維護(hù)，只有在補(bǔ)償設(shè)備安全運(yùn)行基礎(chǔ)上，才能從技術(shù)上確保系統(tǒng)電能質(zhì)量，從經(jīng)濟(jì)上避免力調(diào)電費(fèi)考核。