摘要：由于地铁主要修建于人口密集的市区，地铁供电系统运行中产生的无功功率，可能会对城市公共电网的正常使用造成影响，如果不能及时有效的处理，给公共电网和地铁供电系统都会带来潜在的隐患，制定针对性的无功补偿方案就显得十分必要。本文首先概述了地铁供电系统无功特性带来的负面影响，随后基于某地铁工程实例，就无功补偿方案的设计与应用效果展开了简要分析。
关键词：地铁；供电系统；无功补偿；方案设计
引言
地铁的供电系统是采用两级供电制的方式的高压用电用户，地铁列车的设计决定其牵引负荷的功率因数总额在0.96左右，车站动力及照明的功率因数通常在0.78左右，这与我国电力部门现阶段所规定的高压供电用户高峰时段功率因数应在0.9以上不符，致使地铁供电系统发生线路损耗加快、有功输出容量不足等问题，甚至对城市供电造成影响，所以采取无功补偿方案是地铁供电系统正常运行的必然选择。
一、地铁供电系统无功特性带来的影响
1、降低功率因数
地铁供电系统的功率因数会随着时间发生明显的变化，通常来说，白天由于地铁运行负荷较大，功率因数往往超过了0.9，但是夜晚随着客流量减少，地铁运行负荷也随之降低，此时功率因数可能只有0.4-0.5，此时地铁供电系统还会向城市电网反送一定的无功功率。
2、造成电网电压波动
为了保证地铁供电系统正常运行，电缆线路的充电无功功率较大，导致容性无功向送端电源倒送。电源电压会出现短时间内升高的情况，这种现象在地铁空载时表现的尤其明显。如果线路末端或电源电压持续升高且超过额定电压，还会对地铁整个供电系统的运行产生危害，部分电气设备可能因为过压出现故障，增加了行车安全隐患。
3、引起电网谐振
在整个地铁供电系统中，电缆的分布电容与电缆电感、变压器电感并联形成谐振回路。在地铁正常运行时，由于牵引系统和照明系统中产生非线性负荷，这些负荷无法得到正常的消解，在经过谐振回路后形成谐波。谐波频率各不相同，其中部分特征谐波的频率与谐振频率相等，两者融合后会产生谐波谐振的放大效应，导致电网电压升高，影响地铁系统的运行安全。
4、导致接地故障
如果地铁供电系统发生单相接地故障，会导致局部电压升高，进而出现充电无功电流上升的情况。在这种情况下，接地电弧不能正常熄灭，在故障发生位置出现相间短路，地铁供电系统的运行稳定性也会受到影响。另外，接地电弧位置的电压超出额定电压3-5倍，还会使得周边电气设备因为过电压出现放电击穿现象，设备使用寿命降低。
二、地铁供电系统的无功补偿设计
1、无功补偿方式
在对地铁供电系统进行无功补偿设计时，考虑到进行沿线高压电缆的无功补偿技术难度大、补偿成本高，因此选择对地铁主变电所或牵引变电所进行无功补偿，在达到补偿效果的同时，还可以显著降低成本。目前我国地铁供电系统中常用的无功补偿形式主要分为三种，分别是：（1）集中式补偿，适用于110kV的主变电站，在出线端的母线侧加装补偿装置，可以起到补偿整个地铁供电系统的效果；（2）分区集中式补偿，将110kV主变电站分成若干个区域，针对每个区域负荷的不同，分别进行补偿；（3）分布式补偿，在每个35kV的降压所、牵引所进行无功补偿。三种补偿方式各有其适用条件，需要根据地铁供电系统无功补偿的具体需要进行科学选择。
2、无功补偿容量
无功补偿装置容量设置不当，有可能在机车负荷变化的过程中，地铁供电系统向电网输出的无功有时呈感性无功，有时呈容性无功，而且可能导致无功在感性和容性之间频繁变化，因此必须合理计算。（1）分区集中补偿电抗器容量。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆分区集中补偿的并联电抗器主要对主变电站至牵引变电站电缆产生的充电无功功率进行补偿，以保证电缆的无功平衡。（2）集中补偿动补装置容量。集中补偿主要补偿主变压器本身的无功损耗，以及减少变电所以上输电电缆的充电无功，从而降低供电网络的无功损耗。
三、无功补偿方案在地铁供电系统中的应用
1、工程案例
某地铁的进线侧有一条长度约3km的110kV电缆，经过检测发现该段电缆在地铁空载或轻载时，有无功倒送的情况，并且导致功率因数降低。通过分析该地铁施工资料，发现地铁主变压器设计容量较高，在功率因数降低时，还会增加地铁运行负荷，影响地铁供电网的稳定性和可靠性。另外，在地铁的出线侧35kV母线沿着地铁铺设产生的容性无功功率也有倒送情况，需要引起重点关注。为了保证地铁供电系统的正常运行，需要在该地铁线路的负荷起点采取无功补偿。
2、无功补偿装置的选型
SVG（静止无功发生器）是现阶段地铁供电系统无功补偿中常用的装置，在正常工作时，工作人员可以通过控制逆变器中IGBT器件的开关，不仅能够将供电系统中的直流电逆变为交流电，而且还能够调整交流电的电压幅值和相位。从功能上来看，静止无功发生器可以看做是一个调相电源，能够自动检测系统中的无功功率，并自动的进行无功平衡，这样就可以保证在地铁供电系统正常运行时，实现了无功功率的就地平衡。相比于其他无功补偿装置，SVG的应用优势主要体现在：设备体积较小，响应速度快，在进行无功补偿时不容易产生谐振。另外，使用SVG后可以取消原先无功补偿系统中的电抗器等设备，对于简化系统结构组成也有一定的帮助。
3、补偿方案的设计
结合上文分析可知，地铁供电系统的无功补偿方式主要有三种形式，结合该地铁实际情况，制定了以下三种补偿方案：
方案一，选择电压为35kV的静止无功发生器，并且选择在出线侧35kV电缆的起始点安装补偿装置。这种补偿方案的优点是静止无功发生器在运行时自身所需的额定电流较小、几乎不产生噪音，即便是高负荷运行也不会有明显的发热现象，不需要额外增加散热装置。
方案二：选取同样的位置安装无功补偿装置，但是装置更换为10kV的静止无功发生器。同时，使用干式升压变压器与35kV的母线进行并联，也能够达到无功补偿的效果。但是这种方案对系统间的通信要求较高，如果通信传输效率不高，可能会影响无功补偿的持续性。
方案三：选取考核点直接进行补偿，这样一方面是减轻了检测工作压力，在110kV电缆的地铁方向进行功率检测，选取无功功率较大的位置设置补偿点。理论上来说，可以实现最优化补偿，但是实际应用效果来看，由于补偿点位置不确定，后期安装的成本较高。
4、补偿方案的对比选择
在明确了上述三种补偿方案各自的优缺点以及适用情况后，结合该地铁的实际情况，决定选择方案一作为无功补偿的指导方案。该方案在具体实施时，还要注意以下要点：静止无功发生器的补充容量应当满足无功功率补偿的要求，并且能够在3.0-9.0之间连续可调。同时，还需要配套使用电压监控装置，对地铁供电系统电压的波动变化进行跟踪，方便装置自动进行无功补偿，保证了地铁供电系统的运行稳定性和安全性。
结语
受到地铁运行特性的影响，必须要通过采取无功补偿保障地铁供电系统的运行稳定和使用安全。在选择无功补偿方案时，应当结合地铁供电系统的实际情况，有针对性的选择补偿技术，保证无功补偿效果的最优化。
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论文作者:蒋学帅
论文发表刊物:《基层建设》2019年第4期
论文发表时间:2019/4/26
标签：地铁论文; 供电系统论文; 方案论文; 功率因数论文; 装置论文; 电压论文; 功率论文; 《基层建设》2019年第4期论文;