曲尚開

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 ，710043，西安∥高級工程師）

為提高供電的可靠性，方便管線的敷設(shè)，城市軌道交通供電系統(tǒng)大量選用電纜配電。由于電纜自身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，其供電線路充電容性無功功率比較可觀。一般情況下，城市軌道交通客流量逐年增大，行車運(yùn)營組織也按此特點(diǎn)，依運(yùn)營年度計(jì)劃逐步提高行車對數(shù)。對供電系統(tǒng)而言，供電負(fù)荷隨運(yùn)營年度的延伸而逐步增加；另一方面，城市軌道交通運(yùn)輸存在白天運(yùn)營、夜晚檢修的特點(diǎn)，每天停運(yùn)期間，主要是部分低壓配電負(fù)荷需要供電。從不同運(yùn)營年度、每天不同時(shí)段這兩方面來看，供電系統(tǒng)有功功率存在較大的差別；在特定的時(shí)間范圍內(nèi)，電纜線路所產(chǎn)生的無功功率無法由系統(tǒng)平衡，功率因數(shù)不理想。而供電部門對功率因數(shù)所應(yīng)達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)有相應(yīng)的規(guī)定，凡功率因數(shù)達(dá)不到規(guī)定的用戶，供電部門在標(biāo)準(zhǔn)電費(fèi)的基礎(chǔ)上，按功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)的收取。這樣，勢必增加了軌道交通運(yùn)營成本，因此，對城市軌道交通供電系統(tǒng)功率因數(shù)的特點(diǎn)及規(guī)律進(jìn)行研究，并制定相應(yīng)的對策，是非常有必要的。本文以西安城市軌道交通某線路為例，對各運(yùn)營年度功率因數(shù)作初步探討。

1 西安城市軌道交通某線供電系統(tǒng)概況

該線路全長35.2km，共設(shè)車站28座（其中換乘站10座），全線采用地下方案。另外，設(shè)車輛段、停車場各1座；正線設(shè)置13座牽引變電所，車輛段和停車場分別設(shè)置1座牽引變電所。全線設(shè)置2座主變電站，外部電源采用110kV雙回電纜線路；中壓網(wǎng)絡(luò)采用35kV電壓等級，共設(shè)置8個(gè)中壓供電分區(qū)。

2 電纜的無功功率

該線供電系統(tǒng)110kV外部電源線路采用單芯電纜，其截面為800mm2，總長度約120km；35kV中壓網(wǎng)絡(luò)采用單芯電纜，其截面有400mm2和185 mm2兩種，總長度分別為133km和252km；低壓配電采用三芯電纜，總長度約600km。

該線路所用電纜的電容參數(shù)見表1所示。

表1 電纜的電容參數(shù)

電纜的電容無功功率可按式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式中：

Q——電纜無功功率，kVar；

ω——角速度，取值為314rad／s；

C——電纜的電容，μF／km；

Uφ——相電壓，kV。

根據(jù)表1的參數(shù)，分別計(jì)算出各區(qū)段電纜所產(chǎn)生的無功功率（見表2所示）。

表2 各區(qū)段電纜無功功率

因線路建成后，供電系統(tǒng)配置基本穩(wěn)定，故而可以認(rèn)為運(yùn)營期間電纜的無功電量不會發(fā)生大的變化。

3 供電系統(tǒng)的有功功率

3.1 變壓器損耗

根據(jù)相關(guān)產(chǎn)品參數(shù)及系統(tǒng)配置，計(jì)算可得供電系統(tǒng)110kV主變壓器、35kV整流變壓器、35kV動(dòng)力變壓器的總有載損耗功率為1 532.4kW，空載損耗功率為461.5kWh。據(jù)此，并結(jié)合變壓器帶載及空載運(yùn)行時(shí)間，可計(jì)算出供電系統(tǒng)所有變壓器有載、空載的電量損耗。

3.2 電通試車期間牽引及動(dòng)力、照明負(fù)荷

主變電站帶電后，電通至試運(yùn)營期間，全線負(fù)荷主要為車站照明、通風(fēng)、調(diào)試、列車試車等負(fù)荷。此時(shí)段各電力設(shè)備處于調(diào)試、試運(yùn)行狀態(tài)。按一般經(jīng)驗(yàn)，該運(yùn)行時(shí)段動(dòng)力、照明負(fù)荷可估算為正式運(yùn)營后負(fù)荷的20%。

對于牽引負(fù)荷而言，1列車按全天試跑一趟計(jì)算。經(jīng)牽引仿真計(jì)算，列車上行方向能耗為892 kWh／列，下行方向能耗為1 001kWh／列，則1列車1次的上下行總牽引能耗為1 893kWh。

3.3 試運(yùn)營期間牽引及動(dòng)力、照明負(fù)荷

因眾多用電設(shè)備處于試運(yùn)行狀態(tài)，按一般經(jīng)驗(yàn)，在試運(yùn)營期間，全線動(dòng)力、照明負(fù)荷可按正式運(yùn)營后負(fù)荷的60%計(jì)算。

列車按全天運(yùn)行10h、50對列車計(jì)算，其牽引能耗為94 650kWh。

3.4 初、近、遠(yuǎn)期運(yùn)營期間牽引及動(dòng)力、照明負(fù)荷

城市軌道交通線路進(jìn)入正式運(yùn)營后，動(dòng)力、照明負(fù)荷相對穩(wěn)定。為簡化計(jì)算，可按各運(yùn)營年度動(dòng)力、照明負(fù)荷相同考慮。根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，正式運(yùn)營后，該線路全天運(yùn)行期間動(dòng)力、照明平均功率為10 159.8 kW。按全天運(yùn)行18h計(jì)算，正式運(yùn)營期間能耗為182 876kWh／d。

牽引負(fù)荷因全天運(yùn)行列車對數(shù)相差較大，故不同運(yùn)營年度牽引負(fù)荷有比較大的差異。

該線路列車的行車交路見圖1所示。

圖1 行車交路

按行車計(jì)劃，各運(yùn)營年度全天運(yùn)行的列車對數(shù)如表3所示。

表3 各運(yùn)營年度全天列車運(yùn)行的對數(shù)

根據(jù)上述行車計(jì)劃計(jì)算，各運(yùn)營年度全天牽引能耗見表4所示。

3.5 夜間列車停運(yùn)后的動(dòng)力、照明負(fù)荷

城市軌道交通列車夜間停運(yùn)后，其動(dòng)力、照明負(fù)荷大幅減少。據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，停運(yùn)后的動(dòng)力、照明負(fù)荷可按白天運(yùn)營負(fù)荷的10%左右考慮。

3.6 各運(yùn)營年度、各運(yùn)營期間的功率因數(shù)計(jì)算

綜合各運(yùn)營年度城市軌道交通運(yùn)行和停運(yùn)期間各電量參數(shù)，根據(jù)系統(tǒng)功率因數(shù)與有功功率、無功功率的關(guān)系（見式（2）），可分別計(jì)算出各運(yùn)營年度在110kV計(jì)量側(cè)的功率因數(shù)。詳細(xì)數(shù)據(jù)見表4。

式中：

cosθ——功率因數(shù)；

Q——無功功率，kVar；

P——有功功率，kW；

式中有功功率大于無功功率時(shí)取正值，有功功率小于無功功率（即容性無功返送）時(shí)取負(fù)值。

表4 各運(yùn)營年度、各運(yùn)營期間功率及功率因數(shù)

為直觀分析各運(yùn)營年度功率因數(shù)變化情況，可歸納出各運(yùn)營年度運(yùn)行、停運(yùn)和平均的功率因數(shù)變化曲線（見圖2）。

圖2 各運(yùn)營年度功率因數(shù)曲線

就每天而言，夜間停運(yùn)后功率因數(shù)偏低，出現(xiàn)了容性無功返送的現(xiàn)象。就長期而言，電通至初期運(yùn)營期間平均功率因數(shù)明顯偏低。待進(jìn)入初期運(yùn)營后，功率因數(shù)可以達(dá)到0.9以上，符合電力系統(tǒng)對用戶的要求；隨著運(yùn)營年度的延伸，其數(shù)值更趨理想。

4 優(yōu)化供電系統(tǒng)功率因數(shù)的對策

針對城市軌道交通供電系統(tǒng)功率因數(shù)的特點(diǎn)，為提高供電質(zhì)量，同時(shí)為減少供電部門罰款，減少用戶電費(fèi)支出，在考慮投資的基礎(chǔ)上，有必要對這一問題制定相應(yīng)的對策。

4.1 兩部制電價(jià)政策

我國現(xiàn)行的兩部制電價(jià)制度，總支付電費(fèi)包括基本電費(fèi)、電量電費(fèi)和按功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)三部分。供電部門一般按平均功率因數(shù)收取電費(fèi)。該線路平均功率因數(shù)較低的運(yùn)營時(shí)段主要是從開通到初期運(yùn)營，若不采取相應(yīng)的補(bǔ)償措施，對供電系統(tǒng)的罰款是相當(dāng)可觀的。根據(jù)供電部門規(guī)定，其對功率因數(shù)的獎(jiǎng)懲措施如表5。

表5 以0.90為標(biāo)準(zhǔn)值的功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)表

4.2 電通至試運(yùn)營期間增加的電費(fèi)

在電通至試運(yùn)營期間，時(shí)間大約為1年，其供電系統(tǒng)年用電量如下：

式中：

W——年用電量；

W牽引——年?duì)恳?fù)荷用電量；

W動(dòng)力、照明——年動(dòng)力、照明負(fù)荷用電量；

W損耗——年變壓器本體耗電量。

期間平均功率因數(shù)為0.23。按照功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)規(guī)定，若按0.7元／kWh計(jì)算，則需多支出電費(fèi)1 743.05萬元。

4.3 試運(yùn)營至運(yùn)營初期增加的電費(fèi)

試運(yùn)營時(shí)間為3年，供電系統(tǒng)年用電量：

期間平均功率因數(shù)為0.65。按照功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)規(guī)定，若按0.7元／kWh計(jì)算，則需多支出電費(fèi)2 179.98萬元。

4.4 增加的電費(fèi)總額

進(jìn)入初期運(yùn)營后，功率因數(shù)可達(dá)0.9以上，不會產(chǎn)生罰款支出。綜合考慮電通及試運(yùn)營期間電費(fèi)情況，共計(jì)多支出電費(fèi)為3 923.03萬元。

4.5 功率因數(shù)優(yōu)化方案

從以上分析可以看出，在通電至初期運(yùn)營期間，軌道交通平均功率因數(shù)偏低。若能在主變電站集中裝設(shè)適當(dāng)?shù)膭?dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，以平衡供電系統(tǒng)內(nèi)電纜的無功電量，這對提高功率因數(shù)是非常有利的。以采用SVG型的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置為例，按該線所需安裝容量，設(shè)備采購、安裝總投資約為500萬元，其投資額大大低于由功率因數(shù)偏低所造成的電費(fèi)增加，投資效益是顯著的。

除了減少電費(fèi)支出，采用SVG等類型的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置提高功率因數(shù)后，還可以降低線路的損耗，改善諧波和負(fù)序?qū)秒娋W(wǎng)的污染，有利于提高變壓器容量的利用率，優(yōu)化電能質(zhì)量，故綜合效益明顯。

5 結(jié)語

基于西安城市軌道某交通線路供電系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計(jì)算，本文分析了城市軌道交通供電系統(tǒng)功率因數(shù)的特點(diǎn)。對于不同線路，其數(shù)據(jù)會有差異，但由于各地城市軌道交通構(gòu)成及運(yùn)營組織有其相似的特點(diǎn)，從定性的角度分析，總體趨勢是隨著運(yùn)營年度的延伸、供電負(fù)荷的增加，功率因數(shù)亦將逐步提高。

針對城市軌道交通供電系統(tǒng)這一特點(diǎn)，在選用動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置時(shí)，建議考慮其結(jié)構(gòu)應(yīng)便于拆裝，以供后續(xù)線路共享使用。

［1］李力鵬，方攸同，盛家川，等.城市軌道交通2種供電方式下供電系統(tǒng)功率因數(shù)分析［J］.中國鐵道科學(xué)，2009，30（6）：67.

［2］李建民，徐堅(jiān).基于SVG的城市軌道交通供電系統(tǒng)功率因數(shù)補(bǔ)償研究［J］.變壓器，2008，45（2）：5.

［3］穆志光，李漢卿.軌道交通供電系統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)难芯浚跩］.電氣化鐵道，2006（4）：30.

［4］康明才，張俊芳，陳建業(yè).靜止無功補(bǔ)償裝置在配電系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.國際電力，2004，8（6）：37.

［5］水利電力部，國家物價(jià)局.（83）水電財(cái)字第215號 關(guān)于頒發(fā)《功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)辦法》的通知［S］.1983.