城市軌道交通靜止無功發生器設置

王明飛

(中鐵二院工程集團有限責任公司 成都 610031)

目前，城市軌道交通供電系統大量地采用電力電纜。由于電纜線路相間及相對地存在分布電容，所以電纜線路越長，電壓等級越高，產生的容性無功越大，功率因數越低。下面結合深圳地鐵龍崗線首期工程，提出采用靜止無功發生器(以下簡稱SVG)進行無功補償的技術方案，以提高供電系統的功率因數。

1 設置SVG裝置的必要性

設置SVG裝置的必要性主要從供電系統的穩定性、節能性和經濟性3個方面進行論述。

1.1 穩定性

根據電力系統無功補償技術原則，為保障電網的穩定運行，提高電網運行的經濟效益，各級電網應避免通過電力線路遠距離輸送無功，避免系統之間進行大量的無功交換，確保在任何時候35 kV系統不會向電網反送無功。對電力電網而言，大量的無功倒送將直接影響電網的穩定，嚴重時直接威脅到發電廠的供電質量和運行安全。

1.2 節能性

在地鐵線路運營初期，由于電纜的充電無功效應，產生了大量的容性無功，倒送到供電局電網，造成功率因數過低。過低的功率因數，直接影響電機的轉速、力矩和發熱，致使電氣設備壽命縮短、線損加大。

從深圳地鐵龍崗線首期工程試運營3個月來看，銀海主變電所的功率因數一直徘徊在0.4～0.6之間。通過合理補償電纜充電無功，提高功率因數，有利于環保節能。

1.3 經濟性

為了提高地方電網的功率因數，中國南方電網公司從2008年開始實施計收力調電費政策，即用戶計費側的功率因數達不到0.90時，需多繳納0.005～1.41倍的基本電費作為力調電費。根據深圳地鐵龍崗線運營公司的初步測算，從試運營到運營一年，一座主變電所累計需多繳的功率因數力調電費可以收回本所SVG裝置的建設投資成本。

2 SVG裝置的基本原理

SVG裝置的基本原理是將自換相橋式電路通過電抗器并聯在電網上，適當地調節橋式電路交流側輸出電壓的幅值和相位或者直接控制其交流側電流，就可以使該電路吸收或發出滿足要求的無功電流，達到動態無功補償的目的。

SVG裝置以三相大功率電壓逆變器為核心，其輸出電壓通過連接電抗器而接入系統，與系統側電壓保持同頻、同相;通過調節其輸出電壓幅值與系統電壓幅值的關系來確定輸出功率的性質與容量，當其幅值大于系統側電壓幅值時輸出容性無功，小于系統側電壓幅值時輸出感性無功。

3 SVG裝置的接入方式

目前，地鐵供電系統110/35 kV主變電所通常采用線路變壓器組接線，SVG裝置分別掛接在35 kV的Ⅰ、Ⅱ段母線上，SVG裝置接入系統見圖1。

圖1 SVG裝置接入系統

4 SVG裝置的容量計算

在地鐵運營初、近期，由于用電負荷較小，功率因數較低;到遠期時，隨著用電負荷的增大，功率因數基本上都能滿足要求。下面將結合深圳地鐵龍崗線首期工程的實際情況，對銀海主變電所的初、近期無功進行分析，并對SVG容量進行計算。

4.1 工程概況

深圳地鐵龍崗線首期工程起于自紅嶺站，止于雙龍站，正線全長32.858 km，以高架線路為主。供電系統采用110/35 kV集中供電方式，設置草埔和銀海兩座主變電所。

4.2 計算公式

4.2.1 電纜容性無功

●單相電纜的容抗 Xc=1/(ωC0L)

●三相電纜的容性無功功率 Qc=3U2x/Xc

式中，Ux為相電壓。

由于單相電纜的感抗相對較小，可忽略不計，所以以下計算均不再考慮。

4.2.2 變壓器感性無功

●變壓器無功損耗(空載)Q0=0.01I0Sr

●變壓器無功漏磁電抗損耗 Qk=0.01UkSr

●變壓器總無功損耗 Q=Q0+β2Qk

式中:β為變壓器負荷率;I0為空載電流百分比;Uk為阻抗電壓百分比;Sr為變壓器容量，kV·A。

4.3 初期SVG容量計算

供電局對地鐵功率因數的考核點通常設置在220 kV變電站110 kV饋線柜處(稱為對側)，對110 kV電纜產生的容性充電電流補償由地鐵項目工程考慮。銀海主變電所進線110 kV側也設置了計量點(稱為本側)。銀海主變電所一般有3種運行方式，以下將按照3種運行方式對SVG容量進行計算。

4.3.1 運行方式1

銀海主變電所正常供電，這時無功功率和功率因數的計算結果見表1。

表1 正常供電時的無功功率和功率因數的計算結果

通過計算，SVG裝置的計算補償容量為每段母線2 100 kvar。

4.3.2 運行方式2

銀海主變電所的一臺主變故障退出運行，合銀海主變電所35 kV母線斷路器，由另一臺主變為本主變電所供電范圍的負荷供電。由于初期主變容量的余量較大，暫按不甩三級負荷考慮進行計算。銀海主變電所一臺主變供電時的無功功率和功率因數計算結果見表2。

表2 一臺主變供電時的無功功率和功率因數的計算結果

通過計算，SVG裝置的計算補償容量為每段母線1 600 kvar。

4.3.3 運行方式3

草埔主變電所退出運行，由銀海主變電所支援供電。銀海主變電所支援供電時的無功功率和功率因數計算結果見表3。

表3 支援供電時的無功功率和功率因數計算結果

通過計算，SVG裝置計算補償容量為每段母線4 600 kvar。

綜上所述，在銀海主變電所的3種運行方式下，運營初期SVG無功補償容量統計見表4。

表4 初期SVG補償容量統計 kvar

4.4 近期SVG容量計算

近期銀海主變電所SVG裝置補償前后的功率因數和補償容量，見表5。

表5 近期無功補償前后的功率因數和補償容量

4.5 SVG 裝置容量

在主變電所的3種運行方式中，1臺主變故障和主變電所支援供電方式為非正常供電方式，特別是支援供電方式下設置的SVG裝置容量需要相當大。考慮到非正常供電的暫時性和無功補償的經濟性，建議SVG裝置容量按照初期正常供電情況考慮，并考慮一定的裕度設置，建議銀海主變電所SVG裝置的設置容量為2 ×2 500 kvar。

同時，由于110 kV電纜充電無功相當大，為了讓Ⅰ、Ⅱ段母線配置的SVG裝置容量一致，主變電所110 kV進線電源來自上一級同一變電站的不同母線或兩路110 kV進線電源線路長度最好相差不大。

5 結語

在主變電所設置SVG裝置，通過計算合理設置SVG裝置容量，對電纜容性無功進行補償，使功率因數滿足供電部門的要求，既有利于提高電能質量，減少電費支出，又有利于整個供電系統的穩定運行。

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