基于城市轨道交通供电系统的无功补偿浅析

基于城市轨道交通供电系统的无功补偿浅析

覃乾

（南宁轨道交通有限责任公司广西南宁530000）

摘要：近些年来，我国的城市轨道交通建设事业得到了比较快速的发展，各地轨道交通供电系统应用供电方式以及负荷情况是不相同的，功率因素问题在一定程度上都是轨道交通供电系统建设的重要问题，方案选择不恰当就会导致供电部门面临高额的罚款。本文主要是对城市轨道交通供电系统的无功补偿方式进行分析研究，进而提出无功补偿优化方案，希望能够为同行业的人员提供参考。

关键词：城市轨道交通；供电系统；无功补偿

随着人们生活水平的提高，使得人们对供电系统的要求也越来越高。如何提高电网质量、减少网络损耗成为当前我国电力事业发展的重要问题。无功补偿作为目前我国电力系统中的一个重要组成部分，它不仅可以极大地提高电力系统的供电效率，而且还能有效保障电力系统安全、稳定地运行。因此，对我国电力系统的优化配置和电力资源的合理利用具有十分重要的意义。

一、轨道交通供电系统组成

目前，轨道交通供电系统通常采用集中供电方式。每座主变电所配置两台110/35kV主变压器，由城市电网提供两回专用线路对两台主变压器独立供电，110kV变换成35kV（或33kV）电压后通过35kV（或33kV）供电环网电缆分别向设置在各地铁车站的变电所供电。

牵引供电系统一般采用DC750/1500V的供电方式。35kV（或33kV）交流电经牵引（降压混合）变电所两台牵引整流机组降压整流后输出750/1500V直流电，经接触网（或接触轨）向列车的牵引用电负荷供电。

动力及照明供电系统电压为交流380/220V。车站设一个降压（或跟随）变电所，每个降压（或跟随）变电所设置两台动力变压器。35kV（或33kV）交流电经降压（或跟随）变电所两台动力变压器降压成0.4kV交流电后，通过动力照明配电系统向其供电范围内的车站和区间各用电负荷供电。

二、地铁供电系统负荷功率因数

2.1牵引负荷。由于牵引变电所中的整流机组采用24脉波整流方式，牵引负荷的总功率因数可约为0.95。牵引负荷的用电单一且易控制，功率因数较高且相对稳定，无功功率需求量较少。

2.2变压器及电缆。各类变压器消耗感性无功，中压环网电缆及低压电力电缆都能提供一定的容性无功。供电网络一旦建成，变压器消耗的感性无功及电缆提供的容性无功都基本稳定，较易控制。

2.3动力及照明负荷。城轨动力及照明负荷涉及多个用电系统，如通风空调环控系统、通信系统、电扶梯系统、屏蔽门系统、信号系统、人防系统、车站隧道照明系统等。每个用电系统开启时间不定，其功率因数也不相同，一般为0.5～0.8，较难控制。

三、各类负荷引起电能质量问题

各类负荷引起电能质量问题主要表现如下：①低功率因数、高电网损耗、高生产成本、低生产效率和较低设备使用安全性。②无功负荷突变能直接引起电网供电电压降落与浪涌、电压波动和电压闪变，甚至能影响用电设备的正常使用。③非线性负荷的谐波电流造成电网电压畸变。④造成电网三相不对称，造成中性线过电流，引起中性线过热。

四、补偿方案

补偿方案的选择与供电局考核点有关，由轨道交通供电系统组成及负荷构成分析，其无功特点是：电缆无功影响大；夜晚停运功率因数低，无功倒送；无功波动大；存在冲击性负荷。

目前供电局一般要求用户自身功率因数达到要求即可，至于输电110kV电缆无功倒送问题，在后期负荷升高后自然抵消或是在变电站110kV馈线端加电抗器解决。为达到地铁中压网络中的无功平衡，一般在主变电所设置无功补偿装置进行集中补偿，以改善高压侧电源的功率因数，提供降压变电所的电压和补偿变压器的无功损耗。各地根据自身情况在不同时期，相应的技术条件下选用了以下的集中补偿方案：①采用电容和电抗器进行无功补偿；②静止无功补偿器（SVC）；③静止无功发生器（SVG）。

五、补偿的比较

5.1电容和电抗器无功补偿。该方案投资低，但无功补偿效果差，投切速度慢，不适合负荷变换频繁的场合，易产生欠补偿和过补偿。同时可能会引起某次谐波谐振或放大，因此城轨供电系统补偿基本不采用此方案。

5.2静止无功补偿器（SVC）。静止型动态无功补偿装置即StaticVarCompensator（SVC）是目前国内外解决这一系列问题普遍采用的方法，在无功负荷接入点处接入SVC装置后，无功负荷冲击得到抑制、高次谐波得到滤除、三相电网得到平衡、PCC点电压得到稳定和提高了电力系统的稳定性。

TCT型SVC，TCT名称含义是晶闸管控制变压器（简称TCT），结合其实际用途，把它理解成晶闸管控制变压器型可调电抗器。TCT实际上是将常规TCR中的耦合变压器和电抗器合二为一。

TCT组成：高阻抗变压器本体+晶闸管阀+控制器。

原理：晶闸管阀连接在高阻抗变压器本体的低压侧，通过调整晶闸管阀的导通角，改变低压绕组电流，高阻抗变压器高压绕组的电流立即会按相应的匝数比改变，从而改变TCT无功功率大小。通过晶闸管控制变压器的副边电流，从而控制原边连续变化的感性无功功率，当晶闸管完全导通时，相当于副边短路运行，此时输出感性无功功率最大，即达到可控电抗的额定容量。

TCT特点：①响应速度，全波采样需要20ms，半波采样10ms。②可靠性，本体是高阻抗变压器，抗冲击能力强，晶闸管运行在变压器的低压侧；③结构，TCT的结构简单，经过简单的培训就能操作。④噪音，TCT的整个磁路上没有饱和的区域，不会因为磁滞伸缩的作用产生很大的噪音，TCT上没有大功率风扇等运动部件发出噪音。⑤损耗，与其它可调电抗器不同，TCT的整个磁路上没有饱和的区域，铁损小；TCT磁场不会泄露到本体外部，附加损耗小。

5.3静止无功发生器（SVG）。静止无功发生器StaticVarGenerator，简称为SVG，其基于电压源型变流器的补偿装置实现了无功补偿方式，通过大功率电力电子器件的高频开关实现无功能量的变换。

具备如下主要功能：①在电力系统扰动情况下，提供有效的电压支撑；②提高输电系统的静态和动态稳定性；③降低暂态过电压；④阻尼系统的低频和次同步振荡；⑤减小电压和电流的不平衡，抑制不对称负荷；⑥减小由于电压波动引起的闪变；⑦增加输电线路的有功功率传输容量；⑧滤除流入系统的谐波电流。

目前已经投运的SVG主要分为两种结构，即多重化/多电平结构和链式结构，比如西安地铁一、三号线采用链式结构。

SVG是目前最先进的无功补偿设备，目前全国范围正大力推广，但其技术还在发展阶段，维护率较高，有待在运行中进一步考验。

结语

综上所述，地铁供电系统无功补偿的选择，需在充分了解系统构成，地铁设备负荷类型，设备季节性开启、日常负荷曲线，供电局考核点选取，环境保护，投资维护经济性等因数下综合研究，进行补偿方式的选择。

参考文献

[1]耿亮，虞苍璧，刘宝诚.城市轨道交通供电无功补偿设备安装及容量确定[J].电气技术，2012（24）.

[2]金照盈.城市轨道交通供电系统谐波分析及对配网的影响研究[D].郑州大学，2014（24）.

作者简介

覃乾（1987.9-），男，广西柳州人，西南交通大学电气工程及其自动化学士，城市轨道交通供电助理工程师，单位：南宁轨道交通有限责任公司，研究方向：城市轨道交通供电。