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城市轨道供电系统无功补偿方案研究

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王康

摘要：城市轨道无功补偿设计在城市轨道供电系统设计中是重要的一环，现阶段欠缺城市轨道无功补偿设计的方法和理论。本文主要对含SVG无功补偿装置的城市轨道供电系统进行了研究，为城市轨道无功补偿设计提供了理论支持。

关键词：城市轨道；供电系统；无功补偿

目前，地铁供电系统主要从城市电网地方变电站引出两回110kV高压电源到专用主变电站，通过主变电所内变压器降压为35kV或1OkV电压向降压变电所、牵引变电所和牵引降压混合所供电。城市轨道交通供电系统沿线采用电缆向负载供电，带电电缆会产生容性无功功率。在城市轨道交通运营初期阶段，负载不能完全吸收电缆产生的容性无功功率，系统出现无功反送的现象，造成系统功率因素偏低，使地铁供电系统遭受功率因数罚款，增加城市轨道交通运营部门的成本，危害电力系统安全运行。

1城市轨道供电系统

高压供电系统和城市轨道内部供电系统是城市轨道供电系统的两个重要组成部分。城市轨道供电系统为列车和其它设备提供了电能。城市电网主要给城市轨道供电，作为其外部电源。城市轨道内部供电系统主要由牵引供电系统和动力照明系统两部分组成，由主变压器向外部电源取电经中压网络电缆向牵引所、降压所和牵引降压混合所供电。

1.1高压供电系统

根据城市电网对城市轨道交通供电的特点，主要有集中供电、分散供电和混合供电几种形式。在城市轨道交通供电系统中，主要从城市电网地方变电站引出两回110kV高压电源到主变电站。主变电所内变压器将其降压为35kV或1OkV电压向降压变电所、牵引变电所和牵引降压混合所供电。这种通过主变电所向城市轨道内部供电系统供电的方式称为集中供电方式。沿线的牵引所或降压所分别从城市电网取电的供电方式称为分散供电方式。分散供电方式为了保证供电可靠性，给每座牵引所和降压所提供两路进线电源。同时兼顾集中供电方式和分散供电方式特点的供电方式称为混合供电方式。

1.2牵引供电系统

城市轨道交通牵引供电系统由牵引变电所和牵引网组成，牵引网主要包括直流正负极母线及馈线、接触网、钢轨和回流线。按照IEC和我国国标规定，国内城市轨道交通主要采用DC750V和DC1500V两种供电制式，其中，DC750V主要用于接触轨，允许电压范围为500-900V；DC1SOOV主要用于接触网，允许电压在1000-1800V之间。整流机组将三相交流电整流为适合机车运行的直流电，由馈线电缆将牵引变电所的直流电输送至接触网（接触轨），列车通过从受电弓（受电靴）从接触网（接触轨）取流经钢轨回流至牵引变电所负极。

2城市轨道无功补偿系统设计分类

无功功率与电网电压的稳定程度紧密相关，应对其进行就地补偿。根据城市轨道供电系统方式，将无功补偿方案分为：集中式补偿、分区集中式补偿和分布式补偿。

2.1集中式补偿

集中式补偿通常在系统中的某一处安装无功补偿装置对整个系统进行无功补偿。城市轨道交通供电系统是在主变电所低压侧35（33）kV母线上安装补偿装置对整个系统进行集中补偿，如图1所示。其主要目的是为了提高PCC的功率因数，避免罚款。

2.2分区集中式补偿分区

集中式补偿的目的是通过提高每个供电分区的功率因数来提升系统功率因数。在每个主变电所一、二段的供电分区安装无功补偿装置，使每个供电分区得到集中补偿（图2）。

2.3分布式补偿

为了提高负载的功率因数，通常在每个牵引所、降压所和牵引降压混合所安装无功补偿装置进行分布式补偿。补偿装置一般安装在0.4kV母线上，集中补偿用电设备的无功功率，符合在无功负荷中心进行无功平衡的要求，如图3所示。

对比3种无功补偿系统设计方案，分布式补偿方案效果最好，其次是分区集中式补偿方案，集中式补偿方案效果相对较差。但实际上由于城市轨道供电臂不长，分布式补偿方案和分区集中式补偿方案与集中式补偿方案相比较，无功补偿效果差异较小。并且，在分布式补偿方案中，需要投入大量的补偿设备，增加了设计投资。集中式补偿方案只需要在主所低压侧母线上设置无功补偿装置，设备投入较少，占地面积较少，投资最少。分区集中式补偿方案比集中式补偿方案多投资60%左右，分布式补偿方案比集中式补偿方案多投资1倍左右。因此，本文所研究的内容都是基于集中式补偿方案。

3无功补偿装置的系统设计分析

在城市轨道供电系统中，主变压器主要将外部电源降压为适合城市轨道内部系统的电压等级；牵引整流变压器连接城市轨道内部中压环网和直流供电系统；配电变压器主要将城市轨道内部中压环网电压降为适合车站用电设备的电压等级。无功补偿装置装在主变电所低压母线处时，无功补偿装置的出力

Q=Q35kv+Q主变+Q110kv

110kv电缆充电无功会占用主变压器容量。无功补偿装置装在PCC时，无功补偿装置的出力

Q=Q35kv+Q主变+Q110kv，