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摘要：列车牵引负荷、动力照明负荷是地铁供电系统负荷的主要组成，所以其性质决定了地铁供电系统的功率因数。直流牵引供电系统的功率因数一般在0.95以上，动力照明供电系统的功率因数通常在0.8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，甚至对城市供电系统造成影响，所以采取无功补偿是地铁供电系统的必然选择。
关键词：地铁；低压；无功补偿设计
城市轨道交通的动力照明供电系统中存在大量感性负载（电梯、水泵、风机等），导致系统功率因数较低。地铁的运行方式使其负荷存在高峰、低谷，变压器的低负载率和三相负荷的不均衡性，将进一步降低功率因数，导致额外支付大量功率因数调整电费。
1 降压变电所主接线
地铁除了直流牵引负荷外，其他所有交流低压负荷都由供配电系统供电。供电配电系统由两部分组成：降压变电所和动力照明系统。供配电系统中，降压变电所中压主接线有3种形式：（1）单母线分段，设分段开关，地铁中压侧主要采用该形式。（2）单母线分段，不设分段开关。（3）在车站辅助变电所，不设母线，配两台动力变压器前只设隔离开关，制作隔离电源用。
低压母线为单母线分段运行方式，设分段开关，平时分段运行。当一台动力变压器退出运行时，可自动或手动投入开关，由另一台变压器提供全部一、二级负荷用电。进线开关、分段开关之间应实现互锁，保证在任何情况下三台开关不同时处于合闸状态。当任一进线电源故障导致开关跳闸或其中一台变压器检修时，另一台变压器只能提供全部一、二级负荷用电，并切除三级负荷。
2 地铁负荷无功特性
2.1 等值电路模型
为便于地铁供电系统无功特性的分析，其主要部件包括110kV进线电缆、主变电站变压器、35kV连接电缆以及牵引、动力照明设备等负荷（视在功率S=P+jQ）分别用等值电路模型代替。由于外部电源容量远大于负荷端容量，故在分析过程中假设外部电源电压恒定且不受负荷端电压和负荷量的影响。将两端电网在变电站处进行等值处理，得到地铁供电系统的电路模型如图1所示。输电线路用π型等值电路表示，变压器励磁支路以导纳形式表示。其中R、X、B和G分别为等效电阻、电感、电纳和电导。
因此， 无功补偿装置设计容量=110kV 电缆充电无功+35kV 电缆充电无功-变压器空载无功。
3 低压系统无功补偿
3.1 产生过补偿的根源
制定无功功率补偿方案时，应该综合考虑中低压网络电缆电容、牵引负荷、三相不平衡等潜在因素，不能简单地对待0.4kV母线电容集中补偿方式，否则变压器空载运行时或者负荷较轻时容易出现过补偿现象。
直流牵引供电系统采用了等效24脉波整流器，直流牵引供电系统的功率因数达到了0.95以上。牵引用电负荷对配电线路功率因数有很大的提升作用，相对于车站动力照明用电负荷而言，牵引供电负荷所占比重越大，其影响就越明显。
中压网络对于放射式、单环网和双环网结构形式正常运行情况而言，其电缆电容对外电源连接点处的功率因数影响较大。为避免供电系统出现容性特征，应简化中压网络结构，减少系统电缆数量，适当增大电缆敷设的间距，这样可以减少中压网络的电缆分布电容，减少向供电系统返送无功负荷。
城轨交通工程中大量使用了单相负荷，照明、空调风机盘管等由于负荷变化的随机性大，容易造成三相负载的不平衡。由于调节补偿无功功率的采样信号取自三相中的任意一相，造成未检测的两相要么过补偿，要么欠补偿。
3.2过补偿的危害
当前，城轨交通工程供电系统一方面需要考虑低压无功电容补偿，另一方面，在电源端又存在无功过补偿的问题。国内某些线路在运营或建设初期系统调试过程中，城市电网的公共供电点出现了无功功率过补偿现象。国内某城市地铁在主变电所设置了电抗器，通过电抗器抵消无功电容，但该电抗器的发热量比较大，且解决无功电容的效果不是很好。所以，采取必要的补偿措施时，不能产生过补偿。过补偿的危害往往比欠补偿更严重。补偿容量过大，在变压器空载运行时或者负荷较轻时，会造成过补偿，使功率因数角超前、无功功率向电力系统倒送，将抬升上级配电变压器出口电压，增加有功功率损耗，增加谐波震荡的发生几率以致造成电网伤害。
4 供电系统谐波及无功治理措施
地铁各类用电设备均为运营服务，如何消除谐波电流和无功功率对电网造成的影响，为地铁供电系统中电气设备的使用创造一个既安全又经济的环境是十分重要的问题。根据前面的分析，由于地铁供电系统谐波及无功功率的问题主要集中在低压配电系统，因此我们着重从变电所0.4 kV侧对其进行治理。为提高供电系统电能质量，综合解决谐波、无功功率问题，目前最好的方法是选用带有谐波治理和无功补偿综合治理功能的有源滤波装置（APF）。有源电力滤波器（APF）是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的智能化电力电子设备，主要由谐波信号的检测和补偿两部分组成。通过对电网中非线性负载产生的谐波进行采样、分析，控制功率逆变器产生与电网中谐波成分大小相等、方向相反的谐波电流，注入电网，可对频率和大小都在变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿。有源电力滤波器根据安装位置的不同，通常有特定负荷的局部补偿、部分补偿、集中补偿3种方式。根据地铁供电系统和负荷的情况，目前最常用的方法是在地铁变电所0.4 kV母线侧以并联方式接入有源电力滤波器，从而集中实现谐波抑制并动态补偿无功功率。
通过上述分析可以发现，尽管低压无功补偿装置的前期成本较高，但是其在地铁供电系统中的合理应用可以提高电能质量，有效缓解城市供电网与地铁供电系统之间的矛盾，具有一定的推广价值。
参考文献
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[2]张绍通，杨伟杰，周志军，崔峻，赵新卫. 复合开关在低压无功补偿装置中的应用分析[J]. 电力电容器与无功补偿，2014（3）.
论文作者:梁孔渝
论文发表刊物:《电力设备》2017年第6期
论文发表时间:2017/6/14
标签：供电系统论文; 负荷论文; 谐波论文; 地铁论文; 功率因数论文; 变压器论文; 功率论文; 《电力设备》2017年第6期论文;