摘要：在我国各城市地铁工程发展进程中，一些地铁建设较早的城市由于未曾充分研究地铁主变电所无功补偿的特殊情况，更未合理设置无功补偿方案，在运营低峰时段向系统侧反送容性无功，被电力部门以无功反转正计的名义罚款。本文基于地铁主变电所无功功率特点，给出无功补偿设备参数计算方式和设备配置方案建议，供业内有关人士参考。
关键词：地铁；主变电所；无功补偿设计
1 动态无功补偿装置的发展进程
SVG 技术产生于20 世纪80年代，到目前为止仍然是一项新型的技术。世界上第一台SVG 设备是由日本关西电力公司与三菱公司合力研制，在1980 投入使用。随后，其他国家也开始了研制和使用。到了2000 年，我国出现了第一台SVG 设备，这项设备在电网的顺利运行中发挥了很大的作用。无功补偿设置的发展经历了三个大的阶段。早期的无功补偿设备是机械式的，称为机械式投切无源补偿方式。它只能固定使用，程序也比较繁琐，用起来很不方便，而且，由于噪音大、功能不稳定等缺点，在刚开始时并没有受到广泛欢迎。后来，无功补偿设备采用晶闸管投切静止无功补偿方式，这种方式比早期的机械式投切无源补偿方式稳定了很多，它通过控制导通角改变投切电容器，分为TCR+FC 和TSC 两种补偿方式。这种设备噪音较小，而且可以实现快速跟踪负荷变化，提高了工作效率，同时，由于稳定性的提高，减少了设备的维修费用，经济效益更高，使得无功补偿设备开始进入发展的高峰期。
2地铁主变电所无功功率特点
2.1送电电缆容性无功功率偏大
主变电所通常由电力系统引入110kV高压电源。因城市土地资源紧缺，110kV架空线路逐步被高压电缆替代，部分线路路径长达十几公里；而地铁工程中35kV侧供电主要以电缆环网的方式实现，电缆长度动辄数十公里。高压长电缆送电将产生大量容性无功功率，在计算主变电所无功补偿容量时，必须将其考虑在内，特别是再加上当前电力系统计费及无功考核点一般设置在对侧变电所110kV出线间隔，因此尤其不能忽略110kV电缆的容性无功。
2.2负荷无功功率大幅变化
地铁工程电力负荷主要为35kV侧负荷，其中35kV电力牵引负荷为24脉波整流变压器，功率因数较高，一般高于0.95；主要无功功率来自0.4kV动力照明负荷，呈现为感性无功，且原则上应在0.4kV侧就地集中补偿，但目前也有主变电所集中补偿的工程案例。另外，地铁运营过程中，近期无功小，远期无功大；夜间低谷期无功小，白天高峰期无功大；整个运营时间段内的无功一直随着负荷大小而波动。另外，主变压器的无功功率损耗与负载率有很大关系，也会造成无功功率的波动。
3动态无功补偿设备在地铁供电系统中的使用原理分析
3.1谐波治理分析
谐波电流的产生次数和供电系统中的输出脉波数是相联系的，输出脉波的次数越多，对谐波电流的影响越大，谐波受到抑制，也就不能对电力系统产生影响。治理谐波的原理可以概括为一个公式：K*P±1，其中P代表的是整流机组脉波数，谐波可以降到无限低，但是会一直存在，因此，公式中的K是正数。谐波的产生主要来自于牵引负荷和动照负荷，因此，地铁的电力系统需要利用采用24脉波整流和有源滤波装置对谐波进行过滤和优化。
3.2无功补偿分析
无功补偿功能主要是靠地铁供电系统的功率因数来实现的。功率因数包括牵引负荷和动照负荷，其中，牵引负荷的功率因数一般在0.85～0.9甚至以上。随着技术的发展以及设备的更新，目前牵引负荷的功率因数已经有了明显的提升。地铁线路开始运营时，牵引和动力负荷比较小，这种状态在夜间停运时最为明显。
3.3电压波动分析
电压波动和无功量的多少成正比关系，在地铁运行过程中，由于列车速度的影响，电压会发生波动或者闪变，这时动态无功补偿装置就会通过改善电压波动的幅度和频率来抑制电压的变化。事实上，电力系统本身也具有一定的抑制能力，电缆的零部件具有特殊的储能作用，能够加速电压的稳定。
3案例分析
3.1案例背景
经调研，从某地铁110kV主变电所一段35kV母线近/远期牵引负荷及动力照明负荷汇总表中，摘取近期低谷时段和远期高峰时段数据如表1所示。该段母线连接的35kV环网电缆截面300mm2，长度合计约21km，C=0.21F/km；110kV环网电缆500mm2，长度合计约13km，C=0.16F/km。主变压器容量50MVA，主变参数P0=50.5kW，Pk=174kW，I0%=0.58%，UK%=10.5%，近期β=25%，远期β=45%。无功考核点在对侧变电所110kV出线间隔，要求补偿后功率因素为0.95。3.2案例计算将各数据带入式（1）~（6）中，可得到表2。
3.3案例分析
根据案例计算结果，在负荷侧感性无功较少的近期低谷时段，无功补偿应为感性补偿8829.422kvar，在负荷侧感性无功最多的远期高峰时段，无功补偿应为感性补偿3645.24kvar。因此，该段母线应按感性补偿动态调整，范围宜为3~9Mvar。
3.3.1补偿装置
当前，地铁主变电所补偿装置主要有以下几种：（1）固定补偿：固定电抗器、固定电容器；（2）可调补偿：无载/有载调压型可调电抗器、静止无功发生器（StaticVarGenerator，SVG）、基于MCR（MagneticControlReactor）的磁控电抗器。补偿装置在这几种设备中灵活选配。
3.3.2补偿方案设计
四种无功补偿设置方案：
（1）设置9Mvar的SVG系统，无功补偿范围-9Mvar~9Mvar，补偿设备投资大约400万。造价较高，不采用；
（2）设置6Mvar的固定电抗器加3Mvar的SVG系统，电抗器投入后不退出，组合无功补偿范围3Mvar~9Mvar，补偿设备投资大约280万。35kV设备过多，不宜采用；
（3）设置7Mvar的无载调压电抗器（带70%抽头一组）补偿加2Mvar的SVG系统，近期将固定电抗器置于100%抽头，组合无功补偿范围
5Mvar~9Mvar；远期因负荷侧感性无功较多，将固定电抗器置于70%抽头，组合无功补偿范围3Mvar~7Mvar即可满足要求，投资约260万。本方案35kV设备过多、电抗器投退次数增多、补偿范围调整不够灵活、使用维护不便，不宜采用；
（4）设置9Mvar的磁控电抗器，无功补偿范围0Mvar~9Mvar，补偿设备投资约270万。本方案造价合理、设备少、补偿调节范围大，为推荐方案。
此案例中，因110kV侧电缆过长，导致系统固定容性无功过多，因此最终补偿范围计算结果全部为感性补偿；如110kV侧电缆很短，计算结果中出现感性补偿容量偏小或容性补偿时，应根据具体情况采用SVG单独设置，或固定电容器加磁控电抗器的补偿装置组合。110kV侧电缆过长也导致110kV侧容性无功过多，达约8Mvar，那么在35kV侧设置综合补偿会导致主变压器无功功率负担过重。在这种情况下，建议将无功补偿装置设置于110kV侧，可减少主变压器容量浪费。
结束语
地铁是城市内重要的交通工具，具有速度快、载客量大、安全性能高等优点，目前在我国发展迅速。动态无功补偿装置（SVG）是城市轨道交通电力系统中比较先进的技术，能够提高地铁的运作效率，降低能源消耗，因此，本文对地铁主变电所无功补偿设计进行了分析。
参考文献：
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[3]徐俊元.地铁用变频异步牵引电机设计和性能计算[D].东南大学,2015.
论文作者:张宇
论文发表刊物:《基层建设》2017年第27期
论文发表时间:2017/12/20
标签：变电所论文; 负荷论文; 地铁论文; 设备论文; 谐波论文; 电缆论文; 功率论文; 《基层建设》2017年第27期论文;