城市轨道交通供电系统无功补偿方案探讨

引言

在城市轨道交通供电系统中存在大量自然功率因数较低的用电设备,供电系统的整体功率因数较低,变压器供电能力不能被充分利用,电能和电压损耗较大,对城市电网产生诸多不良影响,因此必须对城市轨道交通供电系统进行适当的无功功率补偿。

1城轨供电系统无功特性

在供电系统中,感性负荷产生感性无功,容性负荷产生容性无功。感性无功引起电压下降,容性无功导致电压升高,过高或过低的电压均会给设备埋下安全隐患,冲击性的无功功率负载还会使电压产生剧烈波动。无功电力应就地平衡,用户应在提高用电自然功率因数的基础上,设计和安装无功补偿设备。无功补偿前后有功功率不变,只有补偿系统中的感性无功使总无功电度锐减,从而提高功率因数。

2无功补偿装置

无功功率由系统中的电容和电感所产生。无功补偿的合理方法应是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率,即快速对电网中的感性和容性无功功率进行动态补偿。无功补偿装置类型主要包括静态无功补偿装置和动态无功补偿装置。

动态无功补偿装置主要类型有sVC、sVG。sVC最典型形式为TCR+＋C和TsC。TCR和TsC形式的静止无功补偿器主要依靠装置中的电容器产生感性无功功率。sVG是一种电力电子装置,最基本的电路仍为三相桥式电压型或电流型变流电路,是一种新型可连续调节的双向补偿电源,既可发出无功功率,又可吸收无功功率。

3无功补偿方案

地铁供电系统具有容性无功功率大、负荷波动性大的特点,存在反送无功功率的问题,必须合理设计补偿方案。供电系统中,牵引供电系统的功率因数较高,无功功率的产生主要集中在动力照明系统。无功补偿方案有就地补偿、集中补偿以及二者相结合3种形式。

3.1就地补偿

无功功率平衡与否直接影响电网电压的稳定性,宜采用就地补偿方式。就地补偿是将低压电容器组装设在需无功补偿的用电设备附近。就地补偿的运行方式是在用电设备运行时,补偿装置投入:用电设备停运时,补偿装置切除。这种方式既能提高供电回路的功率因数,又能改善电压质量。

3.2集中补偿

集中补偿将电容器组设置在主变电所和降压变电所的6410～V母线上。

3.2.1主变电所集中补偿

由于中压网络无功反送等原因,导致主变电所功率因数低时,可在主变电所进行集中补偿。其主要目的是改善高压侧功率因数,提高降压变电所电压,对变压器进行无功补偿。无功补偿装置可采用AP＋+sVG补偿方案,在变电所0.F～V侧设置AP＋,在主变电所设置sVG。

3.2.2降压变电所低压集中补偿

采用无功补偿投切装置进行控制保护,将低压电容器组放置在低压0.F～V母线上,根据低压负荷水平的波动投入适当电容器进行跟踪补偿。降压变电所低压集中补偿旨在提高变压器功率因数,实现无功功率的就地平衡,减小电压损失。此方式可替代就地补偿,是目前补偿无功功率最常用的方法之一。

3.3就地补偿与集中补偿相结合

在配电网络中,电动机分布较为集中,照明灯具分布则极为分散,用户消耗的无功功率占比达50%～60%,其余无功功率消耗在配电网络中。

降压变电所的低压集中补偿方式可对系统前端进行补偿,提高并网功率因数,0.F～V母线以下分路没有进行无功补偿,低压配电线路无功电流大,不能保证低压系统的供电质量,因此要实施就地补偿与集中补偿相结合的方案。

此方案是城市轨道交通供电系统无功补偿的主流选择。

3.3.1照明灯具就地补偿

照明灯具自带电容补偿,功率因数可达到0.9,低压配电线路的节能效果明显。

3.3.2动力设备就地补偿

单台电动机分布较为分散,是否对其设置专用无功功率补偿装置进行就地补偿,需要综合分析节能效果和经济效益后再做判断。

3.3.3低压集中补偿

没有设置就地补偿装置的设备,根据功率因数要求,需要安装集中补偿装置。补偿装置设置在0.F～V母线上,采用三相共补与三相分补相结合的方法,容量根据已安装就地补偿和未安装就地补偿的有功和无功功率计算后得出,并根据负荷变化自动投入无功补偿容量。

三相共补接线,电容器组采用△接方式,有3个接线端,控制器统一取样,各项投入相同的补偿容量。电容器投入时,三组电容器同时投入。三相分补接线,电容

器组采用Y接方式,有4个接线端,各相分别取样,各相分别投入不同的补偿容量。分补电容器可以单相分别投入运行。在城市轨道交通供电系统中,为提高功率因数,减小无功功率,在动力照明系统中采用就地补偿和低压集中补偿结合的方案,在主变电所可采用svG集中补偿或并联电抗器集中补偿方案。

4工程案例

以某市地铁一号线主变电所为例,介绍提高功率因数的措施。

4.1供电系统

地铁一号线采用110kv/35kv集中二级供电方式,由供电变电所提供110kv馈线间隔,通过高压电缆连接至地铁主变电所内。一号线一期工程有3个主变电所,共6条进线,其中两个主变电所各安装两台容量为40MvA的主变压器,另一主变电所安装两台容量为31.5MvA的主变压器。

4.2功率因数情况

地铁负荷主要分为牵引负荷和动力照明负荷两部分。地铁一号线统计数据显示,牵引负荷平均功率因数较高,约为0.97～0.98,无功功率为感性无功功率。动力照明负荷功率因数较低,约为0.85,负荷无功功率也为感性无功功率。

运营初期,各主变电所功率因数偏低,约0.5,后期负荷增大后,主变电所功率因数随之增高。功率因数偏低的原因有以下几点()1）变压器负荷率偏低,一号线主变电所负荷率仅为30%:(2）35kv电缆供电网络产生较多的容性无功功率,每条进线容性无功功率中,绝大部分由35kv电缆供电网络产生,小部分由110kv电缆产生。

4.3容性无功功率

交变电路中,容量的计算公式为:

式中,xc为电容容抗(Q）:f为频率(Hz）:C为电容值(F）:L为线路长度(m）。

线路产生的容性无功功率计算公式为:

式中,0为容性无功功率(kvar）:u为相电压(kv）:xc为线路容抗(Q）。

以此地铁线为例计算,电缆产生的容性无功功率每月约为1600Mvar,每月容性无功电量理论值与主变电所侧和供电局侧无功电量差值基本相当。

4.4改善措施

既可通过设计优化、控制主变压器容量、调整主变电所运行方式等提高功率因数,又可通过无功补偿装置提高功率因数。由于地铁在不同运行时段的用电负荷有较大变化,适宜采用动态无功补偿装置,通常采用svC(静止无功补偿器）和svG(静止无功发生器）进行无功补偿。

5结语

在城市轨道交通供电系统中,为提高功率因数,减小无功功率,在动力照明系统中采用就地补偿和低压集中补偿结合的方案。在主变电所,中压网络的电缆电容性电流较大,牵引供电系统采用24脉波整流后功率因数可达0.95,为防止补偿功率因数角超前,导致无功功率向电网反送,可采用svG集中补偿或并联电抗器集中补偿的方案。