摘要：通过对轨道交通无功倒送现象的原因分析，结合轨道交通常规无功补偿方案及负荷特点，推荐采用牵引网络、动力照明网络合二为一的两级供电方式，及固定电抗补偿加0.4kV有源滤波装置的方案，这样既可实现0.4kV谐波滤波，又能实现无功可调补偿。
关键词：无功；功率因数；供电方式；补偿方案
Abstract:Through the reason analyzing of reactive power over-compensation in the urban rail transit，considering the conventional reactive power compensation scheme and its load characteristics，The scheme of two stage power supply (which means traction network combined with power and lighting network)mode is recommend, and the fixed reactance compensation with 0.4kV active filter compensation scheme is recommend because of its obvious advantage which can realize the filtering of0.4kV harmonic as well as adjustable reactive-load compensation.
Key Words: Reactive Power; Power Factor; Power Supply Mode; Compensation Scheme
在第七届电能质量研讨会上，上海电力公司电科院的专家们，根据实测情况，介绍了城市轨道交通电能质量综合特性，并指出上海城市轨道交通面临的主要电能质量问题，其中第一条就是供电电缆线路无功倒送现象十分普遍，作为轨道交通供电系统的设计者们，我们来探讨一下解决方案。
1、主变电所的功率因数
采用集中供电的轨道交通，电力部门一般考核的主要是与之接口的主变电所功率因数，而主变电所的功率因数主要由牵引负荷和动力照明负荷的性质所决定。对于牵引负荷，由于采用24脉波整流方式，理论基波因数在0.989以上，不可调变流器的位移因数在0.95以上，因而其总功率因数可达0.96左右。对于动力照明负荷，相对牵引负荷功率因数较低，但随着技术的发展及变频设备的大量采用，低压侧设备功率因数提升明显，基本已达到0.9及以上。但是，在轨道交通运行初期、空载时或夜晚停运时，由于感性负荷较小，中压环网电缆产生的容性无功无法被中和，以致返送至电力系统，如天津津滨城轨、广州地铁、上海地铁等。当电力部门采用“无功反转正计”的计费方法，轨道交通一个变电所一年内将会遭受电力部门近百万元的罚款，大大增加了运营成本。
2、供电方式的合理性
在早期的上海轨道交通，均采用集中供电的110/35/10kV三级电压供电方式。即牵引网络、动力照明网络分开，并且牵引网络电压等级要比动力照明网络电压等级高一级，牵引、动力照明的电压等级分别为35kV和10kV。因此除了35kV中压环网电缆外，还有10kV中压环网电缆。
轨道交通采用牵引网络、动力照明网络合二为一的供电模式时，其中压环网电缆本身就很长，即使是按最节省长度的大分区来算，也至少是线路有多长，环网电缆就有多长。如果采用小分区，电缆会更长。电缆越长，其产生的容性无功就会越多。
因此，为减少容性无功，简化电压等级、减少变压层次，提高供电可靠性、减少运营维护成本，建议均采用牵引网络、动力照明网络合二为一的供电方式。目前全国各在城市基本遵循这一原则，上海后期建设的线路也改成了这种供电方式。
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3、补偿方式的合理性
3.1常规补偿方案
在轨道交通中，为避免平均功率因数偏低遭受供电公司罚款，设计一般考虑了以下几种方案：
方案1：0.4kV侧采用固定电容补偿方案
方案2：在主变电所35kV母线设置并联电抗器
方案3：在主变电所35kV母线设置SVC
方案4：在主变电所35kV母线设置SVG
方案1在早期地铁大量采用，但其主要补偿的是0.4kV侧的感性无功，不能改善中压环网电缆造成的容性无功，因此主变电所功率因数仍很低，仍不可避免遭受电力部门的罚款；方案2最经济，而且电抗器体积小，占地面积少，但遗憾的是补偿容量不可调，很容易造成过补或欠补情况，投切时易产生截流过电压、多次重燃过电压，而且噪声大。因此，该方案难以满足轨道交通初近远期不同运营及工况的动态需求，该方案在早期的上海地铁、南京地铁均有应用；方案3虽然可动态调节电抗器的输出容量，提高主变电所功率因数，但是SVC装置本身会产生谐波，在轨道交通本身谐波就比较厉害的情况下，导致系统可能产生其它问题，同时该设备投资不低，且占地面积较大；方案4是目前效果最为显著的方案，代表了无功补偿技术的发展方向。它能够根据系统功率因数及时发出或吸收系统要求的无功，保证功率因数保持在0.95甚至0.99以上。目前在苏州、南京、广州地铁均有应用，且运行结果良好。但此方案为了保证可靠性，采用的是国外进口IGBT元件，价格较高，且发热量较大。
3.2一种新型补偿方案探讨
3.2.1轨道交通供电系统负荷特点
a.初近远期负荷不均，一般初期负荷较小，近、远期负荷较大。
b.白天运行时，牵引、动照感性负荷大，能中和电缆产生的容性无功，供电系统的总的功率因数可满足电力系统的要求；
c.夜晚停运后负荷非常小，中压电缆产生的无功不能被负荷吸收，导致系统无功返送；
d.由于白天动照系统内的变频负荷、整流负荷均投入运行，使得动照系统的谐波含量较大；夜晚变频负荷、整流负荷大多停运，动照系统内的谐波含量很少。
3.2.2方案浅析
轨道交通供电系统的中压环网电缆一旦运营后，长度及特性参数基本固定，而容性无功主要由中压环网电缆产生，，因此其量值也基本固定，所以理论上认为可以采用电抗器固定补偿的方式进行补偿，因为这种方式既简单，又节省投资。但是，根据轨道交通负荷特点，白天与夜晚负荷变化较大、初期与近远期负荷变化也较大，只采用固定补偿方式，要达到0.95这样比较高的功率因数，相对困难。
随着变频设备的大量采用，各大轨道交通在0.4kV侧设置有源滤波装置，0.4kV有源滤波装置既能滤除谐波，同时还能兼顾无功补偿。因此结合轨道交通负荷特点，将有源滤波装置的功能发挥到极致，按照白天和晚上进行划分，白天利用0.4kV有源滤波装置重点滤除低压系统谐波，夜晚利用该装置除滤波外还进行无功补偿，补偿中压环网产生的容性无功（该无功量相对固定），初近远期不同负荷时同理可参考。但是，有源滤波装置的容量有限，以120A有源滤波装置为例，其最大无功补偿容量为83kvar，相对于环网电缆产生的无功，补偿能力较小。
电抗器容量较大，而有源滤波无功补偿能力较小；电抗器只能固定补偿，而有源滤波装置补偿能力可调，这两者可相互补充！因此建议采用集中加分散的补偿模式，即在主变电所集中设置电抗器（带调节抽头），在沿线各牵引降压变电所0.4kV侧设置有源滤波。这样既解决了动照系统的谐波问题，又解决了无功倒送电力系统的问题。
此方案从理论上看是可行的，但目前尚未有实施案例，，效果有待检验，各设计院正在积极推进，希望能尽快得以证明。
4、结论
城市轨道交通这几年得到了飞速发展，目前越来越多的城市加入城市轨道交通的行列。而作为一个设计者，我们希望所设计的供电系统，既安全可靠，保证正常运营，又不会影响电力系统，给其带来不利影响，因此在与电力部门不断的沟通中，结合负荷的不停变化，及时调整方案，采取相关措施，逐渐提高电能质量，完善供电系统的设计。
参考文献
[1] 2014年《第七届电能质量研讨会论文集》中的“城市轨道交通电能质量综合特性实测研究”，作者潘爱强、曹基华、林一、金家培
[2]设计文件
论文作者:罗利平
论文发表刊物:《电力设备》2019年第6期
论文发表时间:2019/7/9
标签：负荷论文; 功率因数论文; 轨道交通论文; 方案论文; 变电所论文; 电缆论文; 谐波论文; 《电力设备》2019年第6期论文;