引言

在城市軌道交通供電系統(tǒng)中存在大量自然功率因數(shù)較低的用電設(shè)備,供電系統(tǒng)的整體功率因數(shù)較低,變壓器供電能力不能被充分利用,電能和電壓損耗較大,對城市電網(wǎng)產(chǎn)生諸多不良影響,因此必須對城市軌道交通供電系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)?a href="/tags/無功功率補(bǔ)償" target="_blank">無功功率補(bǔ)償。

1城軌供電系統(tǒng)無功特性

在供電系統(tǒng)中,感性負(fù)荷產(chǎn)生感性無功,容性負(fù)荷產(chǎn)生容性無功。感性無功引起電壓下降,容性無功導(dǎo)致電壓升高,過高或過低的電壓均會給設(shè)備埋下安全隱患,沖擊性的無功功率負(fù)載還會使電壓產(chǎn)生劇烈波動。無功電力應(yīng)就地平衡,用戶應(yīng)在提高用電自然功率因數(shù)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)和安裝無功補(bǔ)償設(shè)備。無功補(bǔ)償前后有功功率不變,只有補(bǔ)償系統(tǒng)中的感性無功使總無功電度銳減,從而提高功率因數(shù)。

2無功補(bǔ)償裝置

無功功率由系統(tǒng)中的電容和電感所產(chǎn)生。無功補(bǔ)償?shù)暮侠矸椒☉?yīng)是在需要消耗無功功率的地方產(chǎn)生無功功率,即快速對電網(wǎng)中的感性和容性無功功率進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償。無功補(bǔ)償裝置類型主要包括靜態(tài)無功補(bǔ)償裝置和動態(tài)無功補(bǔ)償裝置。

動態(tài)無功補(bǔ)償裝置主要類型有sVC、sVG。sVC最典型形式為TCR+＋C和TsC。TCR和TsC形式的靜止無功補(bǔ)償器主要依靠裝置中的電容器產(chǎn)生感性無功功率。sVG是一種電力電子裝置,最基本的電路仍為三相橋式電壓型或電流型變流電路,是一種新型可連續(xù)調(diào)節(jié)的雙向補(bǔ)償電源,既可發(fā)出無功功率,又可吸收無功功率。

3無功補(bǔ)償方案

地鐵供電系統(tǒng)具有容性無功功率大、負(fù)荷波動性大的特點(diǎn),存在反送無功功率的問題,必須合理設(shè)計(jì)補(bǔ)償方案。供電系統(tǒng)中,牽引供電系統(tǒng)的功率因數(shù)較高,無功功率的產(chǎn)生主要集中在動力照明系統(tǒng)。無功補(bǔ)償方案有就地補(bǔ)償、集中補(bǔ)償以及二者相結(jié)合3種形式。

3.1就地補(bǔ)償

無功功率平衡與否直接影響電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性,宜采用就地補(bǔ)償方式。就地補(bǔ)償是將低壓電容器組裝設(shè)在需無功補(bǔ)償?shù)挠秒娫O(shè)備附近。就地補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)行方式是在用電設(shè)備運(yùn)行時,補(bǔ)償裝置投入:用電設(shè)備停運(yùn)時,補(bǔ)償裝置切除。這種方式既能提高供電回路的功率因數(shù),又能改善電壓質(zhì)量。

3.2集中補(bǔ)償

集中補(bǔ)償將電容器組設(shè)置在主變電所和降壓變電所的6410～V母線上。

3.2.1主變電所集中補(bǔ)償

由于中壓網(wǎng)絡(luò)無功反送等原因,導(dǎo)致主變電所功率因數(shù)低時,可在主變電所進(jìn)行集中補(bǔ)償。其主要目的是改善高壓側(cè)功率因數(shù),提高降壓變電所電壓,對變壓器進(jìn)行無功補(bǔ)償。無功補(bǔ)償裝置可采用AP＋+sVG補(bǔ)償方案,在變電所0.F～V側(cè)設(shè)置AP＋,在主變電所設(shè)置sVG。

3.2.2降壓變電所低壓集中補(bǔ)償

采用無功補(bǔ)償投切裝置進(jìn)行控制保護(hù),將低壓電容器組放置在低壓0.F～V母線上,根據(jù)低壓負(fù)荷水平的波動投入適當(dāng)電容器進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償。降壓變電所低壓集中補(bǔ)償旨在提高變壓器功率因數(shù),實(shí)現(xiàn)無功功率的就地平衡,減小電壓損失。此方式可替代就地補(bǔ)償,是目前補(bǔ)償無功功率最常用的方法之一。

3.3就地補(bǔ)償與集中補(bǔ)償相結(jié)合

在配電網(wǎng)絡(luò)中,電動機(jī)分布較為集中,照明燈具分布則極為分散,用戶消耗的無功功率占比達(dá)50%～60%,其余無功功率消耗在配電網(wǎng)絡(luò)中。

降壓變電所的低壓集中補(bǔ)償方式可對系統(tǒng)前端進(jìn)行補(bǔ)償,提高并網(wǎng)功率因數(shù),0.F～V母線以下分路沒有進(jìn)行無功補(bǔ)償,低壓配電線路無功電流大,不能保證低壓系統(tǒng)的供電質(zhì)量,因此要實(shí)施就地補(bǔ)償與集中補(bǔ)償相結(jié)合的方案。

此方案是城市軌道交通供電系統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)闹髁鬟x擇。

3.3.1照明燈具就地補(bǔ)償

照明燈具自帶電容補(bǔ)償,功率因數(shù)可達(dá)到0.9,低壓配電線路的節(jié)能效果明顯。

3.3.2動力設(shè)備就地補(bǔ)償

單臺電動機(jī)分布較為分散,是否對其設(shè)置專用無功功率補(bǔ)償裝置進(jìn)行就地補(bǔ)償,需要綜合分析節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益后再做判斷。

3.3.3低壓集中補(bǔ)償

沒有設(shè)置就地補(bǔ)償裝置的設(shè)備,根據(jù)功率因數(shù)要求,需要安裝集中補(bǔ)償裝置。補(bǔ)償裝置設(shè)置在0.F～V母線上,采用三相共補(bǔ)與三相分補(bǔ)相結(jié)合的方法,容量根據(jù)已安裝就地補(bǔ)償和未安裝就地補(bǔ)償?shù)挠泄蜔o功功率計(jì)算后得出,并根據(jù)負(fù)荷變化自動投入無功補(bǔ)償容量。

三相共補(bǔ)接線,電容器組采用△接方式,有3個接線端,控制器統(tǒng)一取樣,各項(xiàng)投入相同的補(bǔ)償容量。電容器投入時,三組電容器同時投入。三相分補(bǔ)接線,電容

器組采用Y接方式,有4個接線端,各相分別取樣,各相分別投入不同的補(bǔ)償容量。分補(bǔ)電容器可以單相分別投入運(yùn)行。在城市軌道交通供電系統(tǒng)中,為提高功率因數(shù),減小無功功率,在動力照明系統(tǒng)中采用就地補(bǔ)償和低壓集中補(bǔ)償結(jié)合的方案,在主變電所可采用svG集中補(bǔ)償或并聯(lián)電抗器集中補(bǔ)償方案。

4工程案例

以某市地鐵一號線主變電所為例,介紹提高功率因數(shù)的措施。

4.1供電系統(tǒng)

地鐵一號線采用110kv/35kv集中二級供電方式,由供電變電所提供110kv饋線間隔,通過高壓電纜連接至地鐵主變電所內(nèi)。一號線一期工程有3個主變電所,共6條進(jìn)線,其中兩個主變電所各安裝兩臺容量為40MvA的主變壓器,另一主變電所安裝兩臺容量為31.5MvA的主變壓器。

4.2功率因數(shù)情況

地鐵負(fù)荷主要分為牽引負(fù)荷和動力照明負(fù)荷兩部分。地鐵一號線統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,牽引負(fù)荷平均功率因數(shù)較高,約為0.97～0.98,無功功率為感性無功功率。動力照明負(fù)荷功率因數(shù)較低,約為0.85,負(fù)荷無功功率也為感性無功功率。

運(yùn)營初期,各主變電所功率因數(shù)偏低,約0.5,后期負(fù)荷增大后,主變電所功率因數(shù)隨之增高。功率因數(shù)偏低的原因有以下幾點(diǎn)()1）變壓器負(fù)荷率偏低,一號線主變電所負(fù)荷率僅為30%:(2）35kv電纜供電網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生較多的容性無功功率,每條進(jìn)線容性無功功率中,絕大部分由35kv電纜供電網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生,小部分由110kv電纜產(chǎn)生。

4.3容性無功功率

交變電路中,容量的計(jì)算公式為:

式中,xc為電容容抗(Q）:f為頻率(Hz）:C為電容值(F）:L為線路長度(m）。

線路產(chǎn)生的容性無功功率計(jì)算公式為:

式中,0為容性無功功率(kvar）:u為相電壓(kv）:xc為線路容抗(Q）。

以此地鐵線為例計(jì)算,電纜產(chǎn)生的容性無功功率每月約為1600Mvar,每月容性無功電量理論值與主變電所側(cè)和供電局側(cè)無功電量差值基本相當(dāng)。

4.4改善措施

既可通過設(shè)計(jì)優(yōu)化、控制主變壓器容量、調(diào)整主變電所運(yùn)行方式等提高功率因數(shù),又可通過無功補(bǔ)償裝置提高功率因數(shù)。由于地鐵在不同運(yùn)行時段的用電負(fù)荷有較大變化,適宜采用動態(tài)無功補(bǔ)償裝置,通常采用svC(靜止無功補(bǔ)償器）和svG(靜止無功發(fā)生器）進(jìn)行無功補(bǔ)償。

5結(jié)語

在城市軌道交通供電系統(tǒng)中,為提高功率因數(shù),減小無功功率,在動力照明系統(tǒng)中采用就地補(bǔ)償和低壓集中補(bǔ)償結(jié)合的方案。在主變電所,中壓網(wǎng)絡(luò)的電纜電容性電流較大,牽引供電系統(tǒng)采用24脈波整流后功率因數(shù)可達(dá)0.95,為防止補(bǔ)償功率因數(shù)角超前,導(dǎo)致無功功率向電網(wǎng)反送,可采用svG集中補(bǔ)償或并聯(lián)電抗器集中補(bǔ)償?shù)姆桨浮?