寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司運營分公司 鐘貞祥 陽小濤

1 引言

隨著城市軌道交通的迅速發(fā)展，城市軌道交通供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和能源利用效率成為重要的研究方向。城市軌道交通供電系統(tǒng)中的無功電流問題是影響系統(tǒng)穩(wěn)定性和能源利用效率的主要因素，無功電流不僅會導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波動，還會降低線路的輸電能力，影響供電質(zhì)量和設(shè)備壽命，為此采用無功補償技術(shù)對城市軌道交通供電系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化是非常必要的。本文將介紹城市軌道交通供電系統(tǒng)的無功補償要點，以期為相關(guān)領(lǐng)域的研究和實踐提供參考。

2 城市軌道交通供電系統(tǒng)的無功電流問題

城市軌道交通供電系統(tǒng)的無功電流問題是影響系統(tǒng)穩(wěn)定性和能源利用效率的主要因素之一，在城市軌道交通供電系統(tǒng)中，電力負(fù)荷的變化、線路的電感等因素會導(dǎo)致系統(tǒng)中產(chǎn)生一定的無功電流。這些無功電流既不能產(chǎn)生功率，也不會被消耗，而是在電網(wǎng)和線路中來回流動，形成一種虛功率。無功電流的存在會對供電質(zhì)量和設(shè)備壽命產(chǎn)生影響，因此需要對其進(jìn)行控制和優(yōu)化[1]。

2.1 降低電網(wǎng)電壓質(zhì)量

無功電流會導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波動，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和供電質(zhì)量。當(dāng)無功電流較大時，電網(wǎng)電壓會下降，導(dǎo)致設(shè)備無法正常運行。

2.2 減少線路的輸電能力

無功電流會增加線路的電阻和電感，降低其輸電能力。這會導(dǎo)致線路電壓下降和電能損耗增加，影響城市軌道交通的供電質(zhì)量和效率。

2.3 影響設(shè)備壽命

無功電流會增加電氣設(shè)備的損耗，導(dǎo)致設(shè)備壽命縮短。在城市軌道交通供電系統(tǒng)中，這對設(shè)備的運行穩(wěn)定性和可靠性產(chǎn)生重要影響。

3 無功補償?shù)脑砗妥饔?/h2>

3.1 無功補償基本原理

無功補償?shù)脑硎峭ㄟ^在電路中加入合適的電容或電感元件，來抵消系統(tǒng)產(chǎn)生的無功電流。這些元件能夠?qū)ο到y(tǒng)的電壓、電流和功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)電路的無功功率和有功功率之間的平衡。當(dāng)電路中有大量的電感負(fù)載時，由于電機等負(fù)載的工作原理，會產(chǎn)生大量的無功電流，導(dǎo)致電路電壓下降，影響了系統(tǒng)的供電能力。通過加入無功補償器，可以提高電路中的無功功率，并將其與有功功率相平衡，從而保持電壓穩(wěn)定，提高系統(tǒng)的供電能力[2]。

3.2 無功補償?shù)淖饔?/h3>

3.2.1 提高電路的功率因數(shù)

無功補償器能夠?qū)㈦娐分挟a(chǎn)生的無功電流轉(zhuǎn)化為有用的電能，從而提高電路的功率因數(shù)。有助于節(jié)約能源，還可以提高系統(tǒng)的效率和供電能力。

3.2.2 降低系統(tǒng)的損耗

由于無功電流只能作為一種消耗，因此在電路中存在大量的無功電流時，會造成能源的浪費和系統(tǒng)的損耗。通過加入無功補償器，可以將無功電流降至最低，從而減少系統(tǒng)的損耗。

3.2.3 提高電路的穩(wěn)定性

無功補償器能夠使電路中的電壓保持穩(wěn)定，從而提高了電路的穩(wěn)定性和可靠性。在軌道交通系統(tǒng)等重要工程中使用無功補償器還可以降低因電壓波動造成的設(shè)備損壞和事故發(fā)生的風(fēng)險。

3.2.4 降低電費

無功電流會增加電力公司的輸電成本，電力公司一般會對客戶的用電功率因數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，并根據(jù)用電功率因數(shù)的低高收取不同的電費。通過加入無功補償器，可以提高用電功率因數(shù)，從而降低電費支出。

4 城市軌道交通供電系統(tǒng)的無功補償方式

隨著城市軌道交通的不斷發(fā)展，其供電系統(tǒng)存在的問題也日益凸顯。無功功率的問題是影響系統(tǒng)穩(wěn)定性和能源利用效率的重要因素。無功補償技術(shù)是解決城市軌道交通供電系統(tǒng)無功問題的有效途徑。城市軌道交通供電系統(tǒng)的無功補償技術(shù)有多種，不同的補償技術(shù)適用于不同的供電系統(tǒng)[3]。

4.1 靜態(tài)無功補償

靜態(tài)無功補償技術(shù)是指在城市軌道交通供電系統(tǒng)中添加靜止無功補償設(shè)備，以實現(xiàn)無功功率的補償。常見的靜態(tài)無功補償設(shè)備有電容器、電抗器和STATCOM（靜態(tài)同步補償器）等。

4.2 動態(tài)無功補償

動態(tài)無功補償技術(shù)是指在城市軌道交通供電系統(tǒng)中添加動態(tài)無功補償設(shè)備，以實現(xiàn)無功功率的補償[4]。常見的動態(tài)無功補償設(shè)備包括SVC（靜止無功補償器）、TCSC（串聯(lián)補償裝置）和TCSR（串聯(lián)補償裝置）等。

4.3 混合補償

混合補償技術(shù)是指在城市軌道交通供電系統(tǒng)中同時使用靜態(tài)無功補償設(shè)備和動態(tài)無功補償設(shè)備，以實現(xiàn)更為精確的無功功率補償。這種方式可以兼顧靜態(tài)無功補償和動態(tài)無功補償?shù)膬?yōu)點，同時避免缺點，從而提高城市軌道交通供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和能源利用效率。混合補償通常需要根據(jù)實際情況進(jìn)行綜合考慮和優(yōu)化設(shè)計，以達(dá)到最佳的補償效果和經(jīng)濟(jì)效益。

5 城市軌道交通供電系統(tǒng)的無功功率因數(shù)控制

5.1 安裝無功補償裝置

安裝無功補償裝置是城市軌道交通供電系統(tǒng)提高功率因數(shù)的有效措施之一。通過安裝無功補償裝置，可以將無功功率從軌道交通系統(tǒng)中補償?shù)?，從而提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，無功補償裝置使用流程如圖1所示。

圖1 無功補償裝置使用流程

5.1.1 確定無功補償裝置的類型

根據(jù)軌道交通系統(tǒng)的實際情況和需求，選擇無功補償裝置的類型。常見的無功補償裝置類型包括靜態(tài)無功補償裝置（SVC）、靜態(tài)無功發(fā)生器（SVG）等。不同的裝置類型有著不同的優(yōu)缺點，需要根據(jù)實際情況進(jìn)行選擇，可以選擇一種或多種類型的無功補償裝置[5]。SVG 無功補償裝置線路如圖2所示。

圖2 SVG 無功補償裝置線路

5.1.2 確定無功補償裝置的容量

根據(jù)軌道交通系統(tǒng)的負(fù)載情況，確定無功補償裝置的容量。無功補償裝置的容量應(yīng)該與系統(tǒng)的無功功率相匹配。在確定無功補償裝置容量時，需要考慮未來系統(tǒng)的擴展和負(fù)荷變化等因素。需要對城市軌道交通供電系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)載測量和分析，以確定所需無功補償容量。

5.1.3 設(shè)計無功補償裝置的安裝位置

根據(jù)軌道交通系統(tǒng)的特點和實際情況，設(shè)計無功補償裝置的安裝位置。在選擇無功補償裝置的安裝位置時，需要考慮裝置的安全性、通風(fēng)散熱、維護(hù)便利性等因素。

5.1.4 進(jìn)行無功補償裝置的調(diào)試和測試

在安裝完成后，需要進(jìn)行無功補償裝置的調(diào)試和測試。調(diào)試時需要注意無功補償裝置的參數(shù)設(shè)置和控制邏輯等問題。測試時需要對無功補償裝置的運行情況進(jìn)行監(jiān)測和記錄。

5.2 優(yōu)化線路設(shè)計

優(yōu)化線路設(shè)計是城市軌道交通供電系統(tǒng)的無功功率因數(shù)控制的一項重要的措施。通過優(yōu)化線路設(shè)計，可以降低線路的電阻、電感等電學(xué)參數(shù)，減小線路的電壓降和電能損耗，提高供電系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性，同時還能減少對環(huán)境的影響。

5.2.1 設(shè)計合理選擇線路類型

在城市軌道交通供電系統(tǒng)中，主要有單相兩線制、交流三相四線制以及直流輸電三種線路類型可選。不同類型的線路對無功功率因數(shù)控制存在不同的影響。如直流輸電系統(tǒng)由于沒有感性負(fù)載，無須考慮無功問題，但其成本較高。

5.2.2 降低感性負(fù)載

城市軌道交通供電系統(tǒng)中存在大量的感性負(fù)載，這些負(fù)載會導(dǎo)致系統(tǒng)的無功功率因數(shù)較低。為了降低感性負(fù)載，需要采用合理的電源調(diào)節(jié)措施，控制電流的大小和波動，減少負(fù)載的變化范圍。如通過采用電容器并聯(lián)的方式，可以提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，降低無功損耗。

5.2.3 優(yōu)化負(fù)載分布

在城市軌道交通供電系統(tǒng)中，各個區(qū)域的負(fù)載分布情況也會對系統(tǒng)的無功功率因數(shù)產(chǎn)生影響。通過優(yōu)化負(fù)載分布，可以提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，進(jìn)而提高系統(tǒng)的供電質(zhì)量和穩(wěn)定性。

5.2.4 采用合適的絕緣材料和結(jié)構(gòu)

絕緣材料和結(jié)構(gòu)的合理選擇可以提高線路的絕緣性能，降低線路的漏電流和電能損耗，提高供電系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。在選擇絕緣材料和結(jié)構(gòu)時，需要考慮線路的環(huán)境條件、負(fù)載情況和成本等因素。

5.3 優(yōu)化運行管理

5.3.1 合理設(shè)置電壓等級

由于電壓對系統(tǒng)的無功功率因數(shù)具有較大的影響，所以需要合理設(shè)置電壓等級，確保系統(tǒng)處于穩(wěn)定工作狀態(tài)。如在設(shè)計調(diào)節(jié)裝置時，需要考慮負(fù)載均衡、電壓波動和短路容限等因素，使得系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)的電壓等級。

5.3.2 建立功率因數(shù)監(jiān)測和控制系統(tǒng)

城市軌道交通供電系統(tǒng)應(yīng)建立功率因數(shù)監(jiān)測和控制系統(tǒng)，實時監(jiān)測系統(tǒng)的功率因數(shù)，并根據(jù)實際情況進(jìn)行控制。通過這種方式，可以及時發(fā)現(xiàn)功率因數(shù)異常，采取相應(yīng)措施進(jìn)行調(diào)整，保證系統(tǒng)的正常運行。如在系統(tǒng)的主控制室中設(shè)置功率因數(shù)監(jiān)測儀器，實時監(jiān)測系統(tǒng)的功率因數(shù)，當(dāng)功率因數(shù)偏離設(shè)定值時，自動啟動控制系統(tǒng)，進(jìn)行調(diào)整。

5.3.3 優(yōu)化維護(hù)計劃

城市軌道交通供電系統(tǒng)的維護(hù)保養(yǎng)是保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。通過優(yōu)化維護(hù)計劃，可以降低系統(tǒng)的無功損耗，提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，從而改善系統(tǒng)的供電質(zhì)量和穩(wěn)定性。定期檢查系統(tǒng)各個部件的工作狀況，檢查電纜連接是否松動，防止局部電壓偏低，控制感性負(fù)載的使用范圍等。

5.3.4 建立完善的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

城市軌道交通供電系統(tǒng)需要建立完善的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，及時收集、分析系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行綜合分析和處理。通過這種方式，可以及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行中存在的問題，找出導(dǎo)致無功損耗和功率因數(shù)偏低的原因，并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整和改進(jìn)。

6 結(jié)語

通過對城市軌道交通供電系統(tǒng)的無功補償問題進(jìn)行了深入研究和探討，并提出了多種無功補償設(shè)備的應(yīng)用方案，能夠有效地解決城市軌道交通供電系統(tǒng)中存在的無功補償不足、功率因數(shù)偏低等問題，提高系統(tǒng)的供電質(zhì)量和穩(wěn)定性。隨著無功補償技術(shù)和設(shè)備方面進(jìn)行創(chuàng)新和改進(jìn)，在提高系統(tǒng)的無功補償效率和功率因數(shù)控制精度等方面還能更進(jìn)一步。