(深圳市地铁集团有限公司运营总部 广东深圳 518000)
摘要：本文首先分析了地铁供电系统功率因数的特征和变化规律，介绍以地铁供电系统无功理论计算、无功功率实测和理论计算相结合两种原则来设置无功补偿装置容量，比较了无功补偿装置投运前后110kV线路功率因数变化情况，验证了良好的无功补偿效果。结合功率因数罚款历史数据和无功补偿改造成本，证明地铁供电系统无功补偿改造具有的显著经济效益，对地铁运营节能减排和成本节约具有重要的实施价值。
关键词： 地铁 供电系统 功率因数 无功补偿 效益
0 引 言
深圳地铁多条110kV线路自运行以来功率因数偏低，产生功率因数罚款造成地铁资源浪费，带来额外的运营成本负担。根据统计，仅2012年深圳地铁功率因数罚款合计760万元。为提高功率因数，深圳地铁在多座110kV变电站安装并投入无功补偿装置，取得良好的补偿效果和经济效益。
1 供电系统概况
深圳地铁供电系统采用集中式、110/35kV两级电压制供电方式，每座110kV变电站由从供电局引入的两路110kV独立电源供电，经110/35kV变压器降压后，通过35kV电缆传输至正线各车站变电所和区间变电所，为列车牵引、车站动力和照明设备供电。本文所述的无功补偿装置以集中补偿方式挂接于110kV变电站110kV线路的低压侧35kV母线。
2 功率因数现状分析
2.1 受电力设施性质的影响
在地铁供电系统中，有功负荷主要为列车牵引负荷、车站动力和照明负荷。不同性质有功负荷的功率因数不同，动力负荷功率因数在0.7左右，照明负荷功率因数在0.8左右，列车牵引负荷功率因数在0.95左右。地铁有功负荷基本呈感性，其有功计算如下：
P总=∑P牵引+∑P动力+∑P照明
除上述有功负荷产生感性无功外，电力电缆和变压器在运行中均产生无功功率，其中电力电缆无功呈容性，变压器无功呈感性。由于110kV计费点设置在供电局110kV出线端，110kV线缆产生的容性无功在地铁无功计算的范围内，地铁无功计算如下：
Q总=∑Q110kV线缆+∑Q110kV主变损耗+∑Q35kV总
∑Q35kV总=∑Q牵引+∑Q动力+∑Q照明+∑Q整流变损耗+∑Q动力变损耗+∑Q35kV线缆
2.2 受地铁运营时刻安排的影响
地铁供电系统功率因数随着地铁运营时刻的变化而变化，白天早晚运营高峰时段的功率因数可以达到0.9，其它运营时段的功率因数在0.5-0.7之间波动，夜间停运时段的功率因数可低至0.2-0.3。上述原因在于地铁运营时刻变化导致列车牵引负荷和动力照明负荷变化。110kV某线路24h功率因数见表1，其变化曲线见图1。
2.3 受季节变化的影响
地铁供电系统功率因数具有明显的季节特征，高温季节的功率因数可以达到0.85以上，其它季节的功率因数通常低于0.8，尤其在每年12月-次年3月，功率因数可低至0.7以下。上述原因在于不同季节温度变化引起地铁空调设备产生的感性有功负荷变化。110kV某线路某年有功、无功电能和功率因数见表2，其变化曲线见图2。
3 无功补偿装置容量设置
3.1 以地铁供电系统无功理论计算为设置原则
根据地铁供电系统无功分析，地铁无功构成包括列车牵引负荷、动照负荷、线缆和变压器无功负荷等。
线缆无功负荷计算公式为：Qc=3U2* *Co*L --------式（1)
式中，U为相电压，Co为线缆单位电容值，L为电缆长度。
由于单相电缆的感抗相对较小，可忽略不计，所以计算中不考虑。
变压器无功负荷计算公式为：
式中，Io%为变压器空载电流系数
Sn为变压器额定容量
Po为变压器空载有功损耗，即铁损
P、Q、U分别为变压器运行的平均有功、无功功率和相电压
Xs为变压器感抗
根据行车组织、列车电气参数、车站动照设计负荷等综合计算列车牵引、动照设备的无功负荷Q2。
地铁供电系统总无功负荷计算公式为：Q=Qc+Q1+Q2 --------式（3）
在总无功负荷Q基础上，乘以冗余系数K（K＞1，取值具体分析确定），得出无功补偿装置设计功率。
3.2 以无功功率实测和理论计算相结合为设置原则
对于已运营线路，可以通过现场实测无功功率和无功理论计算相结合来确定无功补偿装置的设计功率。
根据地铁供电系统无功分析，功率因数受地铁运营时刻安排和季节更替影响而变化。受季节更替引起的温度变化影响，每年12月-次年3月的月功率因数最低；受列车牵引和车站动照负荷变化的影响，每24h内夜间停运阶段的功率因数最低。因此，在每年12月-次年3月现场实测地铁110kV变电站110kV线路24h或48h的无功功率，所测最大无功功率（通常在夜间停运阶段）可认定为地铁侧最大无功功率Q3。
对于110kV线缆，无功负荷计算公式同式（1）。
地铁供电系统总无功负荷计算公式为：Q=Qc+Q3 --------式（4）
若可在供电局110kV出线端现场实测，所测最大无功功率可直接认定为地铁供电系统总无功负荷Q，无需再进行理论计算。
在总无功负荷Q基础上，乘以冗余系数K（K＞1，取值具体分析确定），得出无功补偿装置设计功率。
4 无功补偿效果分析
为提高功率因数，深圳地铁在该已
运营110kV线路安装并投入无功补偿装置。
4.1 无功补偿效果
SVG装置投运后，24h功率因数见表3，投运前后24h功率因数对比曲线见图3。
无功补偿装置投运后，该110kV线路功率因素罚款基本达到标准值0.9以上，不再产生功率因数罚款，不计可能产生的功率因数奖励，年节约功率因数罚款支出达131.2万元。
随着无功补偿技术的不断成熟，无功补偿装置制造成本已大幅下降。按每套无功补偿装置改造成本250万元，该110kV线路无功补偿改造的成本回收期仅为1.9年，远低于无功补偿装置主要控制元件IGBT 8-10年使用寿命，经济效益非常显著。
6 结 语
（1）本文对深圳地铁供电系统功率因数现状进行了统计和分析，总结功率因数受运营时刻安排和季节更替影响的变化规律；
（2）针对地铁供电系统110kV线路功率因数偏低，在110kV某线路安装并投入无功补偿装置，功率因数得到明显提高，取得良好的无功补偿效果；
（3）根据功率因数罚款历史数据，结合当前无功补偿改造成本，证明对功率因数过低的地铁110kV线路实施无功补偿具有非常显著的经济效益，对地铁运营节能减排和成本节约具有重要的实施价值。
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论文作者:周良
论文发表刊物:《电力设备》2018年第16期
论文发表时间:2018/10/1
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