关键词：城市规划；轨道交通；无功补偿
1.城市轨道交通无功补偿功率现状
城市轨道交通无功补偿功率直接影响功率因数的高低，通过了解各用电负荷的功率因数，即可掌握无功功率的分布情况。城市轨道交通供电系统一般采用集中式供电，即城市轨道交通主变电所由市区电网引入110kV电源，经主变压器降压至35kV（10kV）并通过中压环网分布到各负荷端变电所，其用电负荷可分为1500V（750V）牵引负荷及400V低压负荷。
牵引整流机组采用24脉波整流方式，额定负载时功率因数在0.95以上，符合运行要求。400V低压用电设备的自然功率因数较低，动力设备一般为0.8左右，荧光灯等气体放电灯则为0.5。根据无功就地补偿原则，变电所400V低压母线一般配置电容器组或有源滤波装置，对400V负荷无功功率进行平衡。单独对地铁两类用电负荷而言，无功功率就地补偿后，能满足运行要求（功率因数达0.9以上）；但对供电系统而言，还需特别考虑电缆线路容性无功功率的影响。
城市轨道交通负荷具有如下特殊性：①运营期间的牵引负荷、低压负荷均较大且偏感性，功率因数主要集中在0.9以上；②停运期间的牵引负荷退出运行，仅存在少量低压负荷，线路容性无功功率无法抵消，故功率因数普遍偏低，在运营初期一般为0.2以下。城市轨道交通计量考核点（也称关口）一般为市区变电所110kV出线间隔处，与市区供电局签订的供用电合同中，要求关口月平均功率因数不低于0.85，否则会额外支付部分功率因数调整电费（也称力调电费）。据了解，曾发生某主变电所一路电源每月数十万元的力调电费，此现象应尽力避免。供电系统中影响功率因数的主要因素有：电缆线路容性无功功率、负荷大小、无功补偿设备，在某些特殊线路、负荷条件下，即使投入SVG等无功补偿设备，也可出现关口功率因数偏低的现象。
2.城市轨道交通主要能耗设备阐述
城市轨道交通能源消耗主要分为牵引系统的能耗、电力照明系统的能耗两部分。牵引系统部分的能耗(主要是运输乘客的能耗)和地铁站的动力照明部分能耗(主要包括车站能耗和车站辅助设施的能耗)其中，列车运行的能耗是指轨道交通中载客列车的运行及进出车辆段、转折等相关的辅助工作所需要的电能。由于电力机车的特性和线路的运行条件造成的功耗主要包括主线上的客运列车。以及车辆段操作、停车场操作时所消耗的电能。
在此过程中使用牵引力电(备用/周转/特殊作业安排等影响)和车辆自身的照明系统、空调系统，及信号系统等车载设备的电耗。车站运行能耗指的是城市轨道交通车站及其配套设施所需的能源消耗，用于与列车运营相关的所有活动。包括辅助设备系统，以确保车站的正常运作，车站的公共区域，商业区域和办公室工作所需的照明系统，满足列车运行安全的系统，以及为乘客提供良好乘车环境的供暖和通风系统。
3. 城市轨道交通无功补偿功率计算研究
3.1电缆线路容性无功功率计算
电缆线路容性无功功率可按式（1）计算：
（1）Q=2πfUav2C0L×10-3
式（1）中，Q为电缆线路容性无功功率，kvar；f为频率，一般取50Hz；Uav为线路平均额定电压，kV；C0为电缆导体与金属屏蔽或金属护套间的单位长度电容，μF/km；L为线路长度，km。电缆线路的单位长度电容C0可查相应技术规格书，或按式（2）计算：
（2）C0=2πε0?ε×109/ln（Di/Dc）
式（2）中，ε0为真空绝对介电常数，ε0=8.86×10-12F/m；ε?为绝缘介质的相对介电常数，交联聚乙烯ε取2.5F/m，聚乙烯ε取2.3F/m；Di为绝缘外径，m；Dc为线芯直径，m。城市轨道交通一般采用单芯交联聚乙烯绝缘铜芯电缆，110kV电缆截面积通常为240mm2、400mm2，35kV电缆截面积为95～400mm2，其单位长度（即1km）电缆线路容性无功功率的计算过程如下（其中，电缆单位长度电容值查询技术规格书为0.123μF/km，此值优先选取技术规格书中提供的参数，其次通过式（3）计算）：
(3)Q=2πfUav2C0L×10-3=2×3.14×50×（1.05×110）2×0.123×1×10-3=515.2kvar
3.2变压器感性无功功率计算
变压器感性无功功率即为无功损耗，按类别主要分为主变压器无功损耗、牵引变压器无功损耗和配电变压器无功损耗。城市轨道交通主变压器为限制谐波电流常采用带10kV平衡绕组的三绕组变压器，接线组别YN、yn0、+d。
4.无功功率补偿形式分析
4.1并联固定电容进行无功补偿
用于无功补偿的并联固定电容，是利用电容特性发射的容性无功功率，消除系统中的无功功率，以此来提高系统的功率因数。具体由电容器的安装位置，划分为集中补偿、分组补偿和局部补偿，具体原理如图1所示。
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图 1 并联固定电容的安装位置图
集中补偿是指在所有负载的母线上安装电容器C1，以集中精力提高负载的电能质量;分组补偿是指在某种类型的符合总线中安装电容器C2，从而提高转换功率的质量;就地补偿是指在负载附近安装电容器C3。在城市轨道交通供电系统的设计中，一般进行集中补偿，通常将固定电容无功补偿装置安装在降压变电所的400V母线上。固定电容器补偿原理简单易实现，但由于固定容量，当荷载端的负载减小时，容易存在无功功率过补偿，尤其是在空窗期间。110kV和35kV电缆产生的充电无功功率不能被系统中的无功功率抵消。低压侧固定电容的过大充电功率和容性无功功率将提高系统中的电压。造成无功功率返送。许多地铁线路在运营初期都在低压侧配备了固定电容补偿，不过，目前少有正式投入使用。
4.2 SVG补偿
城市轨道供电网络通常通过隔离变压器将具有自换向功能的三相电压型SVG连接到35kV总线。SVG主要包括IGBT功率变换器、电抗器，以及控制系统。SVG通过对母线电流、电压进行实时采集以及分析和处理，并发送控制信号。最终调节输出的电流、电压以及相位，使SVG吸收或发出系统需要的无功功率。
4.3 SVG和电抗器的混合补偿
在地铁的正常运行期间，地铁供电系统的负载很重，并且系统的无功功率可以被感应负载部分或完全抵消。在高峰运行时间内，系统通常需要补充无功功率。因此，在地铁的正常运行期间，可以使用SVG的快速跟踪补偿和双向补偿功能，可以使供电系统在荷载动态变化的情况进行精确地补充无功功率。城市轨道交通停运期间，负载非常轻，负载变化很小。因此，在夜间停电期间，只需要通过并联入定电容组进行补偿，而不需要动用SVG系统。如果使用SVG，将导致浪费赔偿。因此，可以使用SVG模式和电抗器混合补偿。
4.4磁控电抗器补偿
磁控电抗器的工作原理是通过调节直流偏磁来进行的。通过改变变压器铁芯的磁导，使得电抗器输出平滑可调。磁控电抗器通过对系统进行动态的无功功率信号采集，调整晶闸管控制角，实现对磁控管电抗器芯磁导率的改变，最后输出适量的无功功率。
5.结语
综上所述，城市的轨道交通的供电系统在停止运营的时间段，因为电缆的线路的容性无功比较大而且负荷比较低，导致功率因数比较低，因此要合理布局，并且做好远期规划预留，安排容易切换、拓展的无功功率补偿系统，以便于在较长的一段运营期间内能满足无功功率补偿，提高城市轨道交通电网的电能质量，节约轨道交通企业的运营费用。
参考文献：
[1]贺威俊，高仕斌，黄彦全，等.轨道交通牵引供变电技术[M].第二版.四川成都：西南交通大学出版社，2016.
[2]于松伟，杨兴山，韩连祥，等.城市轨道交通供电系统设计原理与应用[M].四川成都：西南交通大学出版社，2008.
论文作者:刘东东
论文发表刊物:《科学与技术》2019年16期
论文发表时间:2020/1/15
标签：功率论文; 轨道交通论文; 功率因数论文; 城市论文; 供电系统论文; 系统论文; 负荷论文; 《科学与技术》2019年16期论文;