城市軌道交通供電系統功率因數分析

曲尚開

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司 ，710043，西安∥高級工程師）

為提高供電的可靠性，方便管線的敷設，城市軌道交通供電系統大量選用電纜配電。由于電纜自身結構的特點，其供電線路充電容性無功功率比較可觀。一般情況下，城市軌道交通客流量逐年增大，行車運營組織也按此特點，依運營年度計劃逐步提高行車對數。對供電系統而言，供電負荷隨運營年度的延伸而逐步增加；另一方面，城市軌道交通運輸存在白天運營、夜晚檢修的特點，每天停運期間，主要是部分低壓配電負荷需要供電。從不同運營年度、每天不同時段這兩方面來看，供電系統有功功率存在較大的差別；在特定的時間范圍內，電纜線路所產生的無功功率無法由系統平衡，功率因數不理想。而供電部門對功率因數所應達到的標準有相應的規定，凡功率因數達不到規定的用戶，供電部門在標準電費的基礎上，按功率因數調整電費的收取。這樣，勢必增加了軌道交通運營成本，因此，對城市軌道交通供電系統功率因數的特點及規律進行研究，并制定相應的對策，是非常有必要的。本文以西安城市軌道交通某線路為例，對各運營年度功率因數作初步探討。

1 西安城市軌道交通某線供電系統概況

該線路全長35.2km，共設車站28座（其中換乘站10座），全線采用地下方案。另外，設車輛段、停車場各1座；正線設置13座牽引變電所，車輛段和停車場分別設置1座牽引變電所。全線設置2座主變電站，外部電源采用110kV雙回電纜線路；中壓網絡采用35kV電壓等級，共設置8個中壓供電分區。

2 電纜的無功功率

該線供電系統110kV外部電源線路采用單芯電纜，其截面為800mm2，總長度約120km；35kV中壓網絡采用單芯電纜，其截面有400mm2和185 mm2兩種，總長度分別為133km和252km；低壓配電采用三芯電纜，總長度約600km。

該線路所用電纜的電容參數見表1所示。

表1 電纜的電容參數

電纜的電容無功功率可按式（1）進行計算：

式中：

Q——電纜無功功率，kVar；

ω——角速度，取值為314rad／s；

C——電纜的電容，μF／km；

Uφ——相電壓，kV。

根據表1的參數，分別計算出各區段電纜所產生的無功功率（見表2所示）。

表2 各區段電纜無功功率

因線路建成后，供電系統配置基本穩定，故而可以認為運營期間電纜的無功電量不會發生大的變化。

3 供電系統的有功功率

3.1 變壓器損耗

根據相關產品參數及系統配置，計算可得供電系統110kV主變壓器、35kV整流變壓器、35kV動力變壓器的總有載損耗功率為1 532.4kW，空載損耗功率為461.5kWh。據此，并結合變壓器帶載及空載運行時間，可計算出供電系統所有變壓器有載、空載的電量損耗。

3.2 電通試車期間牽引及動力、照明負荷

主變電站帶電后，電通至試運營期間，全線負荷主要為車站照明、通風、調試、列車試車等負荷。此時段各電力設備處于調試、試運行狀態。按一般經驗，該運行時段動力、照明負荷可估算為正式運營后負荷的20%。

對于牽引負荷而言，1列車按全天試跑一趟計算。經牽引仿真計算，列車上行方向能耗為892 kWh／列，下行方向能耗為1 001kWh／列，則1列車1次的上下行總牽引能耗為1 893kWh。

3.3 試運營期間牽引及動力、照明負荷

因眾多用電設備處于試運行狀態，按一般經驗，在試運營期間，全線動力、照明負荷可按正式運營后負荷的60%計算。

列車按全天運行10h、50對列車計算，其牽引能耗為94 650kWh。

3.4 初、近、遠期運營期間牽引及動力、照明負荷

城市軌道交通線路進入正式運營后，動力、照明負荷相對穩定。為簡化計算，可按各運營年度動力、照明負荷相同考慮。根據設計數據，正式運營后，該線路全天運行期間動力、照明平均功率為10 159.8 kW。按全天運行18h計算，正式運營期間能耗為182 876kWh／d。

牽引負荷因全天運行列車對數相差較大，故不同運營年度牽引負荷有比較大的差異。

該線路列車的行車交路見圖1所示。

圖1 行車交路

按行車計劃，各運營年度全天運行的列車對數如表3所示。

表3 各運營年度全天列車運行的對數

根據上述行車計劃計算，各運營年度全天牽引能耗見表4所示。

3.5 夜間列車停運后的動力、照明負荷

城市軌道交通列車夜間停運后，其動力、照明負荷大幅減少。據運行經驗，停運后的動力、照明負荷可按白天運營負荷的10%左右考慮。

3.6 各運營年度、各運營期間的功率因數計算

綜合各運營年度城市軌道交通運行和停運期間各電量參數，根據系統功率因數與有功功率、無功功率的關系（見式（2）），可分別計算出各運營年度在110kV計量側的功率因數。詳細數據見表4。

式中：

cosθ——功率因數；

Q——無功功率，kVar；

P——有功功率，kW；

式中有功功率大于無功功率時取正值，有功功率小于無功功率（即容性無功返送）時取負值。

表4 各運營年度、各運營期間功率及功率因數

為直觀分析各運營年度功率因數變化情況，可歸納出各運營年度運行、停運和平均的功率因數變化曲線（見圖2）。

圖2 各運營年度功率因數曲線

就每天而言，夜間停運后功率因數偏低，出現了容性無功返送的現象。就長期而言，電通至初期運營期間平均功率因數明顯偏低。待進入初期運營后，功率因數可以達到0.9以上，符合電力系統對用戶的要求；隨著運營年度的延伸，其數值更趨理想。

4 優化供電系統功率因數的對策

針對城市軌道交通供電系統功率因數的特點，為提高供電質量，同時為減少供電部門罰款，減少用戶電費支出，在考慮投資的基礎上，有必要對這一問題制定相應的對策。

4.1 兩部制電價政策

我國現行的兩部制電價制度，總支付電費包括基本電費、電量電費和按功率因數調整電費三部分。供電部門一般按平均功率因數收取電費。該線路平均功率因數較低的運營時段主要是從開通到初期運營，若不采取相應的補償措施，對供電系統的罰款是相當可觀的。根據供電部門規定，其對功率因數的獎懲措施如表5。

表5 以0.90為標準值的功率因數調整電費表

4.2 電通至試運營期間增加的電費

在電通至試運營期間，時間大約為1年，其供電系統年用電量如下：

式中：

W——年用電量；

W牽引——年牽引負荷用電量；

W動力、照明——年動力、照明負荷用電量；

W損耗——年變壓器本體耗電量。

期間平均功率因數為0.23。按照功率因數調整電費規定，若按0.7元／kWh計算，則需多支出電費1 743.05萬元。

4.3 試運營至運營初期增加的電費

試運營時間為3年，供電系統年用電量：

期間平均功率因數為0.65。按照功率因數調整電費規定，若按0.7元／kWh計算，則需多支出電費2 179.98萬元。

4.4 增加的電費總額

進入初期運營后，功率因數可達0.9以上，不會產生罰款支出。綜合考慮電通及試運營期間電費情況，共計多支出電費為3 923.03萬元。

4.5 功率因數優化方案

從以上分析可以看出，在通電至初期運營期間，軌道交通平均功率因數偏低。若能在主變電站集中裝設適當的動態無功補償裝置，以平衡供電系統內電纜的無功電量，這對提高功率因數是非常有利的。以采用SVG型的動態無功補償裝置為例，按該線所需安裝容量，設備采購、安裝總投資約為500萬元，其投資額大大低于由功率因數偏低所造成的電費增加，投資效益是顯著的。

除了減少電費支出，采用SVG等類型的動態無功補償裝置提高功率因數后，還可以降低線路的損耗，改善諧波和負序對公用電網的污染，有利于提高變壓器容量的利用率，優化電能質量，故綜合效益明顯。

5 結語

基于西安城市軌道某交通線路供電系統的基礎數據計算，本文分析了城市軌道交通供電系統功率因數的特點。對于不同線路，其數據會有差異，但由于各地城市軌道交通構成及運營組織有其相似的特點，從定性的角度分析，總體趨勢是隨著運營年度的延伸、供電負荷的增加，功率因數亦將逐步提高。

針對城市軌道交通供電系統這一特點，在選用動態無功補償裝置時，建議考慮其結構應便于拆裝，以供后續線路共享使用。

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