探討城市軌道交通供電系統無功補償方式

夏付炳

（陜西省西安市西安地下鐵道有限責任公司，陜西 西安 710018）

1 軌道交通供電系統組成

目前，軌道交通供電系統通常采用集中供電方式。每座主變電所配置兩臺110/35kV主變壓器， 由城市電網提供兩回專用線路對兩臺主變壓器獨立供電。110kV變換成35kV電壓后通過35kV供電環網電纜分別向設置在各地鐵車站的變電所供電。

牽引供電系統采用DC750/1500V的供電方式。電力經牽引（降壓混合）變電所兩臺牽引整流機組降壓和整流后輸出750/1500V直流，經牽引網系統向列車的牽引用電負荷供電。

動力及照明供電系統電壓為交流380/220V。車站設一個降壓變電所，每個降壓變電所設置兩臺動力變壓器。兩臺動力變壓器經降壓后，將0.4kV低壓電能通過動力照明配電系統向其供電范圍內的車站和區間各用電負荷供電。

2 地鐵供電系統負荷功率因數

2.1 牽引負荷。由于牽引變電所中的整流機組采用24脈波整流方式，牽引負荷的總功率因數可約為0.95。牽引負荷的用電單一且易控制，功率因數較高且相對穩定，無功功率需求量較少。

2.2 變壓器及電纜。各類變壓器消耗感性無功，中壓環網電纜及低壓電力電纜都能提供一定的容性無功。供電網絡一旦建成，變壓器消耗的感性無功及電纜提供的容性無功都基本穩定，較易控制。

2.3 動力及照明負荷。城軌動力及照明負荷涉及多個用電系統，如通風空調環控系統、通信系統、電扶梯屏蔽門系統、信號系統、人防系統、車站隧道照明系統等等。每個用電系統內容大不一樣，開啟時間不定，其功率因數也不相同，一般為0.5～0.8，較難控制。

3 各類負荷引起電能質量問題主要表現如下：（1）低功率因數，高電網損耗，高生產成本，低生產效率和較低設備使用安全性。（2）無功負荷突變能直接引起電網供電電壓降落與浪涌、電壓波動和電壓閃變，甚至能影響用電設備的正常使用。（3） 非線性負荷的諧波電流造成電網電壓畸變。（4） 造成電網三相不對稱，造成中心線過電流，引起中心線過熱。

4 補償方案

補償方案的選擇與供電局考核點有關， 由軌道交通供電系統組成及負荷構成分析，其無功特點是：電纜無功影響大；夜晚停運功率因數低，無功倒送；無功波動大；存在沖擊性負荷。

目前供電局一般要求用戶自身功率因數達到要求即可，至于輸電110kV電纜無功倒送問題，在后期負荷升高后自然抵消或是在變電站110kV饋線端加電抗器解決。為達到地鐵中壓網絡中的無功平衡，一般在主變電所設置無功補償裝置進行集中補償，以改善高壓側電源的功率因數，提供降壓變電所的電壓和補償變壓器的無功損耗。各地根據自身情況在不同時期，相應的技術條件下選用了以下的集中補償方案：（1）采用電容和電抗器進行無功補償；（2）靜止無功補償器（SVC）；（3）靜止無功發生器（SVG）。

5 補償比較

5.1 電容和電抗器無功補償。該方案投資低，但無功補償效果差，投切速度慢，不適合負荷變換頻繁的場合，易產生欠補償和過補償。同時可能會引起某次諧波諧振或放大，因此城軌供電系統補償基本不采用此方案。

5.2 靜止無功補償器（SVC）。靜止型動態無功補償裝置即Static Var Compensator（SVC）是目前國內外解決這一系列問題普遍采用的方法，在無功負荷接入點處接入SVC裝置后，無功負荷沖擊得到抑制、高次諧波得到濾除、三相電網得到平衡、PCC點電壓得到穩定和提高了 電力系統的穩定性。

TCT型SVC，TCT名稱含義是晶閘管控制變壓器（Thyristor Controlled Transformer，簡稱TCT），結合其實際用途，把它理解成晶閘管控制變壓器型可調電抗器。TCT實際上是將常規TCR中的耦合變壓器和電抗器合二為一。

TCT 組成：高阻抗變壓器本體+晶閘管閥+控制器。

原理：晶閘管閥連接在高阻抗變壓器本體的低壓側，通過調整晶閘管閥的導通角，改變低壓繞組電流，高阻抗變壓器高壓繞組的電流立即會按相應的匝數比改變，從而改變TCT無功功率大小。通過晶閘管控制變壓器的副邊電流，從而控制原邊連續變化的感性無功功率，當晶閘管完全導通時，相當于副邊短路運行，此時輸出感性無功功率最大，即達到可控電抗的額定容量。

TCT特點：（1）響應速度，全波采樣需要20ms，半波采樣10ms。（2）可靠性，本體是高阻抗變壓器，抗沖擊能力強，晶閘管運行在變壓器的低壓側；（3）結構，TCT的結構簡單，經過簡單的培訓就能操作。（4）噪音，TCT的整個磁路上沒有飽和的區域，不會因為磁滯伸縮的作用產生很大的噪音，TCT上沒有大功率風扇等運動部件發出噪音。（5）損耗，與其它可調電抗器不同，TCT的整個磁路上沒有飽和的區域，鐵損小；TCT磁場不會泄露到本體外部，附加損耗小。

5.3 靜止無功發生器（SVG）。靜止無功發生器Static Var Generator，簡稱為SVG。其基于電壓源型變流器的補償裝置實現了無功補償方式。是通過大功率電力電子器件的高頻開關實現無功能量的變換。

具備如下主要功能：（1）在電力系統擾動情況下，提供有效的電壓支撐；（2）提高輸電系統的靜態和動態穩定性；（3）降低暫態過電壓；（4）阻尼系統的低頻和次同步振蕩；（5）減小電壓和電流的不平衡，抑制不對稱負荷；（6）減小由于電壓波動引起的閃變；（7）增加輸電線路的有功功率傳輸容量；（8）濾除流入系統的諧波電流。

目前已經投運的SVG主要分為兩種結構，即多重化/多電平結構和鏈式結構，西安地鐵一、三號線采用鏈式結構。

SVG是目前最先進的無功補償設備，目前全國范圍正大力推廣，但其技術還在發展階段，維護率較高，有待在運行中進一步考驗。

結語

綜上所述，地鐵供電系統無功補償的選擇，需在充分了解系統構成，地鐵設備負荷類型，設備季節性開啟、日常負荷曲線，供電局考核點選取，環境保護，投資維護經濟性等因數下綜合研究，進行補償方式的選擇。

[1]陳淑真，等.電力系統設計手冊[M].北京：中國電力出版社.