王明飛

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 成都 610031)

目前，城市軌道交通供電系統(tǒng)大量地采用電力電纜。由于電纜線路相間及相對地存在分布電容，所以電纜線路越長，電壓等級越高，產(chǎn)生的容性無功越大，功率因數(shù)越低。下面結(jié)合深圳地鐵龍崗線首期工程，提出采用靜止無功發(fā)生器(以下簡稱SVG)進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)方案，以提高供電系統(tǒng)的功率因數(shù)。

1 設(shè)置SVG裝置的必要性

設(shè)置SVG裝置的必要性主要從供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性、節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性3個(gè)方面進(jìn)行論述。

1.1 穩(wěn)定性

根據(jù)電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償技術(shù)原則，為保障電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，提高電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益，各級電網(wǎng)應(yīng)避免通過電力線路遠(yuǎn)距離輸送無功，避免系統(tǒng)之間進(jìn)行大量的無功交換，確保在任何時(shí)候35 kV系統(tǒng)不會向電網(wǎng)反送無功。對電力電網(wǎng)而言，大量的無功倒送將直接影響電網(wǎng)的穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)直接威脅到發(fā)電廠的供電質(zhì)量和運(yùn)行安全。

1.2 節(jié)能性

在地鐵線路運(yùn)營初期，由于電纜的充電無功效應(yīng)，產(chǎn)生了大量的容性無功，倒送到供電局電網(wǎng)，造成功率因數(shù)過低。過低的功率因數(shù)，直接影響電機(jī)的轉(zhuǎn)速、力矩和發(fā)熱，致使電氣設(shè)備壽命縮短、線損加大。

從深圳地鐵龍崗線首期工程試運(yùn)營3個(gè)月來看，銀海主變電所的功率因數(shù)一直徘徊在0.4～0.6之間。通過合理補(bǔ)償電纜充電無功，提高功率因數(shù)，有利于環(huán)保節(jié)能。

1.3 經(jīng)濟(jì)性

為了提高地方電網(wǎng)的功率因數(shù)，中國南方電網(wǎng)公司從2008年開始實(shí)施計(jì)收力調(diào)電費(fèi)政策，即用戶計(jì)費(fèi)側(cè)的功率因數(shù)達(dá)不到0.90時(shí)，需多繳納0.005～1.41倍的基本電費(fèi)作為力調(diào)電費(fèi)。根據(jù)深圳地鐵龍崗線運(yùn)營公司的初步測算，從試運(yùn)營到運(yùn)營一年，一座主變電所累計(jì)需多繳的功率因數(shù)力調(diào)電費(fèi)可以收回本所SVG裝置的建設(shè)投資成本。

2 SVG裝置的基本原理

SVG裝置的基本原理是將自換相橋式電路通過電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位或者直接控制其交流側(cè)電流，就可以使該電路吸收或發(fā)出滿足要求的無功電流，達(dá)到動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

SVG裝置以三相大功率電壓逆變器為核心，其輸出電壓通過連接電抗器而接入系統(tǒng)，與系統(tǒng)側(cè)電壓保持同頻、同相;通過調(diào)節(jié)其輸出電壓幅值與系統(tǒng)電壓幅值的關(guān)系來確定輸出功率的性質(zhì)與容量，當(dāng)其幅值大于系統(tǒng)側(cè)電壓幅值時(shí)輸出容性無功，小于系統(tǒng)側(cè)電壓幅值時(shí)輸出感性無功。

3 SVG裝置的接入方式

目前，地鐵供電系統(tǒng)110/35 kV主變電所通常采用線路變壓器組接線，SVG裝置分別掛接在35 kV的Ⅰ、Ⅱ段母線上，SVG裝置接入系統(tǒng)見圖1。

圖1 SVG裝置接入系統(tǒng)

4 SVG裝置的容量計(jì)算

在地鐵運(yùn)營初、近期，由于用電負(fù)荷較小，功率因數(shù)較低;到遠(yuǎn)期時(shí)，隨著用電負(fù)荷的增大，功率因數(shù)基本上都能滿足要求。下面將結(jié)合深圳地鐵龍崗線首期工程的實(shí)際情況，對銀海主變電所的初、近期無功進(jìn)行分析，并對SVG容量進(jìn)行計(jì)算。

4.1 工程概況

深圳地鐵龍崗線首期工程起于自紅嶺站，止于雙龍站，正線全長32.858 km，以高架線路為主。供電系統(tǒng)采用110/35 kV集中供電方式，設(shè)置草埔和銀海兩座主變電所。

4.2 計(jì)算公式

4.2.1 電纜容性無功

●單相電纜的容抗 Xc=1/(ωC0L)

●三相電纜的容性無功功率 Qc=3U2x/Xc

式中，Ux為相電壓。

由于單相電纜的感抗相對較小，可忽略不計(jì)，所以以下計(jì)算均不再考慮。

4.2.2 變壓器感性無功

●變壓器無功損耗(空載)Q0=0.01I0Sr

●變壓器無功漏磁電抗損耗 Qk=0.01UkSr

●變壓器總無功損耗 Q=Q0+β2Qk

式中:β為變壓器負(fù)荷率;I0為空載電流百分比;Uk為阻抗電壓百分比;Sr為變壓器容量，kV·A。

4.3 初期SVG容量計(jì)算

供電局對地鐵功率因數(shù)的考核點(diǎn)通常設(shè)置在220 kV變電站110 kV饋線柜處(稱為對側(cè))，對110 kV電纜產(chǎn)生的容性充電電流補(bǔ)償由地鐵項(xiàng)目工程考慮。銀海主變電所進(jìn)線110 kV側(cè)也設(shè)置了計(jì)量點(diǎn)(稱為本側(cè))。銀海主變電所一般有3種運(yùn)行方式，以下將按照3種運(yùn)行方式對SVG容量進(jìn)行計(jì)算。

4.3.1 運(yùn)行方式1

銀海主變電所正常供電，這時(shí)無功功率和功率因數(shù)的計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 正常供電時(shí)的無功功率和功率因數(shù)的計(jì)算結(jié)果

通過計(jì)算，SVG裝置的計(jì)算補(bǔ)償容量為每段母線2 100 kvar。

4.3.2 運(yùn)行方式2

銀海主變電所的一臺主變故障退出運(yùn)行，合銀海主變電所35 kV母線斷路器，由另一臺主變?yōu)楸局髯冸娝╇姺秶呢?fù)荷供電。由于初期主變?nèi)萘康挠嗔枯^大，暫按不甩三級負(fù)荷考慮進(jìn)行計(jì)算。銀海主變電所一臺主變供電時(shí)的無功功率和功率因數(shù)計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 一臺主變供電時(shí)的無功功率和功率因數(shù)的計(jì)算結(jié)果

通過計(jì)算，SVG裝置的計(jì)算補(bǔ)償容量為每段母線1 600 kvar。

4.3.3 運(yùn)行方式3

草埔主變電所退出運(yùn)行，由銀海主變電所支援供電。銀海主變電所支援供電時(shí)的無功功率和功率因數(shù)計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 支援供電時(shí)的無功功率和功率因數(shù)計(jì)算結(jié)果

通過計(jì)算，SVG裝置計(jì)算補(bǔ)償容量為每段母線4 600 kvar。

綜上所述，在銀海主變電所的3種運(yùn)行方式下，運(yùn)營初期SVG無功補(bǔ)償容量統(tǒng)計(jì)見表4。

表4 初期SVG補(bǔ)償容量統(tǒng)計(jì) kvar

4.4 近期SVG容量計(jì)算

近期銀海主變電所SVG裝置補(bǔ)償前后的功率因數(shù)和補(bǔ)償容量，見表5。

表5 近期無功補(bǔ)償前后的功率因數(shù)和補(bǔ)償容量

4.5 SVG 裝置容量

在主變電所的3種運(yùn)行方式中，1臺主變故障和主變電所支援供電方式為非正常供電方式，特別是支援供電方式下設(shè)置的SVG裝置容量需要相當(dāng)大?？紤]到非正常供電的暫時(shí)性和無功補(bǔ)償?shù)慕?jīng)濟(jì)性，建議SVG裝置容量按照初期正常供電情況考慮，并考慮一定的裕度設(shè)置，建議銀海主變電所SVG裝置的設(shè)置容量為2 ×2 500 kvar。

同時(shí)，由于110 kV電纜充電無功相當(dāng)大，為了讓Ⅰ、Ⅱ段母線配置的SVG裝置容量一致，主變電所110 kV進(jìn)線電源來自上一級同一變電站的不同母線或兩路110 kV進(jìn)線電源線路長度最好相差不大。

5 結(jié)語

在主變電所設(shè)置SVG裝置，通過計(jì)算合理設(shè)置SVG裝置容量，對電纜容性無功進(jìn)行補(bǔ)償，使功率因數(shù)滿足供電部門的要求，既有利于提高電能質(zhì)量，減少電費(fèi)支出，又有利于整個(gè)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

［1］于松偉，楊興山，韓連祥，等.城市軌道交通供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理與運(yùn)用［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，2008:32－38.

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［3］注冊電氣工程師(供配電專業(yè))執(zhí)業(yè)資格考試專業(yè)考試復(fù)習(xí)指導(dǎo)書［M］.北京:中國電力出版社，2008:77－79.

［4］陳飛.城市軌道交通供電系統(tǒng)功率因數(shù)分析及無功補(bǔ)償方案研究［C］//中鐵二院電氣化專業(yè)技術(shù)委員會第一次年會論文集.成都，2011:188－191.

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