軌道交通供電系統無功補償技術研究

摘要：近年來，我國城市軌道交通建設取得顯著進展。然而，各地軌道交通供電系統因供電方式及負荷情況的不同而普遍存在功率因數問題，這已成為影響供電系統效能的重要因素。基于此，對軌道交通供電系統進行分析，闡述軌道交通供電系統無功補償技術，期望軌道交通供電系統無功補償技術的研究成果能夠為軌道交通供電系統的相關方面提供有益參考。

關鍵詞：軌道交通"供電系統"無功補償技術"照明系統

Research"on"Reactive"Power"Compensation"Technology"of"Rail"Transit"Power"Supply"System

ZHANG"Xin

Beijing"Tiecheng"Engineering"Consulting"Co.，"Ltd.，"Beijing，"100855"China

Abstract："In"recent"years，"the"construction"of"urban"rail"transit"in"China"has"made"remarkable"progress."However，"due"to"the"different"power"supply"modes"and"load"conditions，"the"rail"transit"power"supply"system"in"various"regions"commonly"presents"a"widespread"power"factor"problem，"which"has"become"an"important"factor"affecting"the"efficiency"of"the"power"supply"system."Based"on"this，"through"the"analysis"of"power"supply"system"of"rail"transit"and"the"elaboration"on"the"reactive"power"compensation"technology"of"rail"transit"power"supply"system，"it"is"expected"that"the"research"results"of"reactive"power"compensation"technology"of"rail"transit"power"supply"system"can"provide"useful"reference"for"related"aspects"of"rail"transit"power"supply"system.

Key"Words："Rail"transit;"Power"supply"system;"Reactive"power"compensation"technology;"Lighting"system

我國城市軌道交通系統廣泛采用集中供電方式，通過自建主變電所，從城市電網接入110"kV電源。新建主變電所普遍安裝靜止無功發生器（Scalable"Vector"Graphics，SVG）進行集中無功補償，避免因功率因數不足而支付高額的功率電費。在實際運行中，SVG裝置在提升功率因數方面表現出色，多數能將功率因數穩定提升至0.95以上。然而，不同城市軌道交通主變電所SVG的安裝容量存在顯著差異，從較小的1.6"Mvar到較大的810"Mvar不等，其中，2.43.6"Mvar的容量較為常見，這種容量差異對工程建設投資、設備運行效率、散熱需求、噪音控制等方面對現場運維環境構成挑戰。因此，優化SVG設備配置，深入分析軌道交通供電系統中無功功率的產生機制，并從電能計量點選擇、功率因數考核標準制定、考核周期與數值規劃的合理設定、年度適應性設計的全面考量、系統內部其他設備對功率因數影響的綜合評估等多個維度進行深入探討，合理配置SVG設備容量，不僅能滿足供電要求，還可以控制建設成本，更能提升設備運行效率。

1"軌道交通供電系統的概述

城市軌道交通供電系統主要由輸變電設備和用電設備組成，其中，用電設備進一步細分為列車牽引系統和動力照明系統[1]。列車牽引系統是感性負載，采用高效的24脈波整流技術，保證較高的基波因數，通常在0.989以上。照明系統原本以感性無功為主，隨著電子鎮流器節能燈與LED照明的普及，車站照明能效大幅提升，功率因數普遍躍升至0.9以上，標志著系統對電網的無功需求大幅減少。同時，針對通風空調裝置與電扶梯等動力負載，變頻技術的應用成功地將原本較低的功率因數（約0.7）提高至0.9以上水平，有效遏制了無功電能的浪費。

在輸配電基礎設施層面，變壓器與電纜是關鍵組件。變壓器作為電力轉換的核心設備，主要貢獻的是感性無功損耗，這一損耗量約為額定容量的極小比例（千分之幾），但積少成多，仍需優化管理。電纜則展現出不同的無功特性——容性無功，產生量直接關聯于電壓等級的平方與電纜鋪設長度。盡管在數量上，0.4"kV低壓電纜在系統中占主導地位，但貢獻的容性無功卻相對有限。在軌道交通的繁忙運營時段，隨著牽引系統與動力照明系統的全面啟動，系統中感性無功與容性無功相互作用，使系統功率因數保持在較高水平（0.9以上）。然而，在夜間停運期間，系統負荷減少，僅維持少量應急照明、空調與維修用電，此時，系統產生的容性無功大幅減少，而電纜容性無功保持不變，導致系統出現容性無功倒送現象，功率因數下降至較低水平（0.5以下），可能無法滿足電力部門的要求。"因此，在系統設計階段，要準確量化分析無功功率，并根據實際情況合理確定無功補償裝置的安裝容量，使系統在任何時間段內都能滿足電力部門對功率因數的要求。

2"軌道交通供電系統無功補償技術研究

2.1"精準定位電能計量點，界定補償區域

電能計量點的選擇直接關系到能否準確衡量并有效管理包括110"kV電纜充電無功在內的系統整體無功狀態[2]。由于軌道交通系統的特殊性，因此，電能計量點的確定需依據產權歸屬、運行管理模式、電網結構等多方面因素綜合考慮。當軌道交通主變電所的110"kV電源線路由軌道交通建設方全權負責時，電能計量點往往直接設置在供電源頭的城市220"kV（或110"kV）變電所出線端，這一設定包括電纜充電無功在內的所有無功損耗均能被精確計量并納入功率因數考核體系，促使運營方積極采取措施提升系統功率因數，降低無功損耗。"然而，若110"kV電源線路的資產在投運后被移交給供電公司管理，電能計量點的位置便會相應調整至軌道交通主變電所的進線側，此時，電纜充電無功則不再作為功率因數考核的直接對象。這一變化要求軌道交通運營方與供電公司之間建立更為緊密的協作機制，共同保證系統無功管理的連續性。在軌道交通主變電所與城市變電所共用單回電源并通過T接形式連接的情況下，電能計量點仍保持在城市變電所的出線端，對整個供電鏈路的無功狀況進行全面監控。這種設置不僅有利于明確責任劃分，還能促進雙方在無功管理方面的協同努力，共同提升電網運行的經濟性。

2.2"設定功率因數目標值，明確補償方向

功率因數是評估電力用戶電能利用效率的關鍵指標。考核標準被明確劃分為3個等級：0.80、0.85和0.90[3]，這些標準根據用戶的用電性質、規模及特點而設定。具體而言，對于高能耗、技術密集型的大型高壓供電工業用戶（裝機容量超過160"kVA的高壓供電企業、配備電壓調節設備的高壓用戶及3"200"kVA及以上的電力排灌站），0.90的功率因數標準被視為一項嚴格的要求，推動這些用戶最大化地利用電能，減少無功損耗。對100"kVA及以上的工業用戶、非工業用戶、電力排灌站等中大型用戶群體，則設定0.85的功率因數標準，這一標準在保障用戶正常電力需求的同時，也鼓勵用戶注重節能降耗，采取合理措施提高能源利用效率。0.80的標準則主要面向農業用戶和特定類型的躉售用戶。有些雖然屬躉售用戶，但是由大工業用戶間接管理的用戶，標準則提升至0.85，體現對不同用戶群體的差異化管理。在實際操作中，功率因數標準值的確定通過建設單位與供電公司之間的協商完成，供電公司根據雙方確定的標準值，對主變電所的功率因數進行考核，通過功率調整電費機制對電力用戶進行獎懲。這種機制可以激勵用戶提高電能利用效率，減少無功損耗。"因此，功率因數標準值不僅是無功補償的重要參考，也是電力系統設計不可或缺的基礎數據。

2.3"分層次規劃補償容量，適應不同發展階

城市軌道交通系統的電氣規劃中，針對整流變壓器、中壓環網電纜等主要設備的安裝容量，通常會根據遠期負荷或分期近遠期負荷預測來確定。然而，在確定無功補償的安裝容量時，要采用一種更為直接且細致的方法。不同于常規電氣設備的容量規劃，無功補償容量的確定特別關注軌道交通項目的初期設計階段。隨著運營時間的推移，由于無功補償裝置的有效作用，所以，系統整體的功率因數將逐漸提高。因此，為保證無功補償裝置既能滿足初期的運營需求，又能適應未來負荷的增長，安裝容量的確定應嚴格依據初期負荷進行精確計算和校核。這樣的規劃策略有助于優化系統的無功分布，提高功率因數。

2.4"運用月平均功率因數策略，優化補償容量配置

第一種方法，基于夜間停運后系統無功功率的校核方式。這種方法假設在夜間列車停運、系統負荷降至最低時，系統中的容性無功主要由電纜產生，據此計算所需的容性無功補償容量。由于此時系統負荷小，電纜產生的容性無功相對突出，因此，計算出的補償容量往往較大。這種方法忽略系統在不同時間段內負荷變化的實際情況，可能導致過度補償或不必要的投資[4]。第二種方法，按月平均功率因數進行校核的方式。考慮高峰和低谷時段全月的負荷變化，因此，計算出的無功補償容量更加符合系統的實際運行情況。在本算例中，當采用這種方法進行計算時，發現系統實際上無須進行無功補償，因為月平均功率因數已經達到考核要求。

通過對比這兩種方法，可以清晰地看到二者之間的主要差異：第一種方法側重于系統某一特定狀態下的無功需求，第二種方法則全面考慮系統在不同時間段內的負荷變化。在實際應用中，第二種方法更加科學、合理，因為其能更準確地反映系統的真實無功需求，避免過度補償或補償不足的問題（如表1所示）。

2.5"深挖系統設備潛力，降低集中補償需求

軌道交通供電系統的技術不斷進步，低壓有源濾波技術和逆變型再生能量回饋裝置兩大核心技術的引入顯著增強了系統性能[5]。

低壓有源濾波技術的核心功能：該裝置主要負責清除0.4"kV側的各種諧波，通過輸出補償電流來動態調整功率因數，使系統在不同負荷狀態下都能保持較高的電能利用效率。逆變型再生能量吸收裝置核心功能是捕捉并轉化列車在制動過程中釋放的能量，原本可能因制動而浪費的電能被該裝置高效捕獲，通過逆變技術轉化為電網可接納的電能形式，實現能量的再循環與再利用。該裝置通過調整脈沖寬度調制（Pulse"Width"Modulation，PWM）逆變器輸出的交流電壓參數，能間接影響電源側的有功與無功功率分配，提升供電系統的穩定性。共同特性與夜間操作策略：在運營時段，二者分別執行主要功能；在夜間停運期間，則轉為協助系統向電力系統回饋適量的無功功率。這種智能的轉換機制有助于降低運營成本，并促進電網的平穩運行。

實際案例展示：以某城市軌道交通1號線為例，通過現場測試驗證這兩種設備在提升系統功率因數方面的有效性（見表2）。通過精細調控這兩種設備的無功輸出，并結合其他設備的合理配置，成功將月平均功率因數提升至合同要求的標準，避免額外的電費支出，為軌道交通系統的經濟運營提供有力支持。

3"結語

軌道交通供電系統的無功補償管理中，無功補償容量的精確計算是保障系統高效運行的重要環節。這一計算過程嚴格依據供用電協議的具體要求、電能計量點的準確定位與功率因數考核的標準執行。軌道交通供電系統的無功補償管理要綜合考慮多種因素，通過精確計算、動態調整、引入先進技術設備等措施，構建高效、可持續的無功補償管理體系，以保障軌道交通系統的安全、穩定、高效運行。

參考文獻

[1]"戴麗君，楊立新，張喜海，等."基于軌道交通供電系統雙向變流裝置分散補償無功的技術與應用研究[J].電力電容器與無功補償，2024，45（4）：39-45.

[2]"馬靜."城市軌道交通供電系統加裝無功補償裝置技術應用[J].價值工程，2023，42（22）："75-77.

[3]"王敖.城市軌道交通供電系統的無功補償方案研究[J].機電工程技術，2021，50（5）：48-52.

[4]"周娟.城市軌道交通供電系統無功補償方式的探究[J].江西電力職業技術學院學報，2020，33（5）：4-5.

[5]"林濤，陳益龍，蘇毅.解析城市軌道交通供電系統的無功補償要點[J].智能城市，2019，5"（21）：131-132.