城市轨道交通供电系统功率因数分析

曲尚开

（中铁第一勘察设计院集团有限公司 ，710043，西安∥高级工程师）

为提高供电的可靠性，方便管线的敷设，城市轨道交通供电系统大量选用电缆配电。由于电缆自身结构的特点，其供电线路充电容性无功功率比较可观。一般情况下，城市轨道交通客流量逐年增大，行车运营组织也按此特点，依运营年度计划逐步提高行车对数。对供电系统而言，供电负荷随运营年度的延伸而逐步增加；另一方面，城市轨道交通运输存在白天运营、夜晚检修的特点，每天停运期间，主要是部分低压配电负荷需要供电。从不同运营年度、每天不同时段这两方面来看，供电系统有功功率存在较大的差别；在特定的时间范围内，电缆线路所产生的无功功率无法由系统平衡，功率因数不理想。而供电部门对功率因数所应达到的标准有相应的规定，凡功率因数达不到规定的用户，供电部门在标准电费的基础上，按功率因数调整电费的收取。这样，势必增加了轨道交通运营成本，因此，对城市轨道交通供电系统功率因数的特点及规律进行研究，并制定相应的对策，是非常有必要的。本文以西安城市轨道交通某线路为例，对各运营年度功率因数作初步探讨。

1 西安城市轨道交通某线供电系统概况

该线路全长35.2km，共设车站28座（其中换乘站10座），全线采用地下方案。另外，设车辆段、停车场各1座；正线设置13座牵引变电所，车辆段和停车场分别设置1座牵引变电所。全线设置2座主变电站，外部电源采用110kV双回电缆线路；中压网络采用35kV电压等级，共设置8个中压供电分区。

2 电缆的无功功率

该线供电系统110kV外部电源线路采用单芯电缆，其截面为800mm2，总长度约120km；35kV中压网络采用单芯电缆，其截面有400mm2和185 mm2两种，总长度分别为133km和252km；低压配电采用三芯电缆，总长度约600km。

该线路所用电缆的电容参数见表1所示。

表1 电缆的电容参数

电缆的电容无功功率可按式（1）进行计算：

式中：

Q——电缆无功功率，kVar；

ω——角速度，取值为314rad／s；

C——电缆的电容，μF／km；

Uφ——相电压，kV。

根据表1的参数，分别计算出各区段电缆所产生的无功功率（见表2所示）。

表2 各区段电缆无功功率

因线路建成后，供电系统配置基本稳定，故而可以认为运营期间电缆的无功电量不会发生大的变化。

3 供电系统的有功功率

3.1 变压器损耗

根据相关产品参数及系统配置，计算可得供电系统110kV主变压器、35kV整流变压器、35kV动力变压器的总有载损耗功率为1 532.4kW，空载损耗功率为461.5kWh。据此，并结合变压器带载及空载运行时间，可计算出供电系统所有变压器有载、空载的电量损耗。

3.2 电通试车期间牵引及动力、照明负荷

主变电站带电后，电通至试运营期间，全线负荷主要为车站照明、通风、调试、列车试车等负荷。此时段各电力设备处于调试、试运行状态。按一般经验，该运行时段动力、照明负荷可估算为正式运营后负荷的20%。

对于牵引负荷而言，1列车按全天试跑一趟计算。经牵引仿真计算，列车上行方向能耗为892 kWh／列，下行方向能耗为1 001kWh／列，则1列车1次的上下行总牵引能耗为1 893kWh。

3.3 试运营期间牵引及动力、照明负荷

因众多用电设备处于试运行状态，按一般经验，在试运营期间，全线动力、照明负荷可按正式运营后负荷的60%计算。

列车按全天运行10h、50对列车计算，其牵引能耗为94 650kWh。

3.4 初、近、远期运营期间牵引及动力、照明负荷

城市轨道交通线路进入正式运营后，动力、照明负荷相对稳定。为简化计算，可按各运营年度动力、照明负荷相同考虑。根据设计数据，正式运营后，该线路全天运行期间动力、照明平均功率为10 159.8 kW。按全天运行18h计算，正式运营期间能耗为182 876kWh／d。

牵引负荷因全天运行列车对数相差较大，故不同运营年度牵引负荷有比较大的差异。

该线路列车的行车交路见图1所示。

图1 行车交路

按行车计划，各运营年度全天运行的列车对数如表3所示。

表3 各运营年度全天列车运行的对数

根据上述行车计划计算，各运营年度全天牵引能耗见表4所示。

3.5 夜间列车停运后的动力、照明负荷

城市轨道交通列车夜间停运后，其动力、照明负荷大幅减少。据运行经验，停运后的动力、照明负荷可按白天运营负荷的10%左右考虑。

3.6 各运营年度、各运营期间的功率因数计算

综合各运营年度城市轨道交通运行和停运期间各电量参数，根据系统功率因数与有功功率、无功功率的关系（见式（2）），可分别计算出各运营年度在110kV计量侧的功率因数。详细数据见表4。

式中：

cosθ——功率因数；

Q——无功功率，kVar；

P——有功功率，kW；

式中有功功率大于无功功率时取正值，有功功率小于无功功率（即容性无功返送）时取负值。

表4 各运营年度、各运营期间功率及功率因数

为直观分析各运营年度功率因数变化情况，可归纳出各运营年度运行、停运和平均的功率因数变化曲线（见图2）。

图2 各运营年度功率因数曲线

就每天而言，夜间停运后功率因数偏低，出现了容性无功返送的现象。就长期而言，电通至初期运营期间平均功率因数明显偏低。待进入初期运营后，功率因数可以达到0.9以上，符合电力系统对用户的要求；随着运营年度的延伸，其数值更趋理想。

4 优化供电系统功率因数的对策

针对城市轨道交通供电系统功率因数的特点，为提高供电质量，同时为减少供电部门罚款，减少用户电费支出，在考虑投资的基础上，有必要对这一问题制定相应的对策。

4.1 两部制电价政策

我国现行的两部制电价制度，总支付电费包括基本电费、电量电费和按功率因数调整电费三部分。供电部门一般按平均功率因数收取电费。该线路平均功率因数较低的运营时段主要是从开通到初期运营，若不采取相应的补偿措施，对供电系统的罚款是相当可观的。根据供电部门规定，其对功率因数的奖惩措施如表5。

表5 以0.90为标准值的功率因数调整电费表

4.2 电通至试运营期间增加的电费

在电通至试运营期间，时间大约为1年，其供电系统年用电量如下：

式中：

W——年用电量；

W牵引——年牵引负荷用电量；

W动力、照明——年动力、照明负荷用电量；

W损耗——年变压器本体耗电量。

期间平均功率因数为0.23。按照功率因数调整电费规定，若按0.7元／kWh计算，则需多支出电费1 743.05万元。

4.3 试运营至运营初期增加的电费

试运营时间为3年，供电系统年用电量：

期间平均功率因数为0.65。按照功率因数调整电费规定，若按0.7元／kWh计算，则需多支出电费2 179.98万元。

4.4 增加的电费总额

进入初期运营后，功率因数可达0.9以上，不会产生罚款支出。综合考虑电通及试运营期间电费情况，共计多支出电费为3 923.03万元。

4.5 功率因数优化方案

从以上分析可以看出，在通电至初期运营期间，轨道交通平均功率因数偏低。若能在主变电站集中装设适当的动态无功补偿装置，以平衡供电系统内电缆的无功电量，这对提高功率因数是非常有利的。以采用SVG型的动态无功补偿装置为例，按该线所需安装容量，设备采购、安装总投资约为500万元，其投资额大大低于由功率因数偏低所造成的电费增加，投资效益是显著的。

除了减少电费支出，采用SVG等类型的动态无功补偿装置提高功率因数后，还可以降低线路的损耗，改善谐波和负序对公用电网的污染，有利于提高变压器容量的利用率，优化电能质量，故综合效益明显。

5 结语

基于西安城市轨道某交通线路供电系统的基础数据计算，本文分析了城市轨道交通供电系统功率因数的特点。对于不同线路，其数据会有差异，但由于各地城市轨道交通构成及运营组织有其相似的特点，从定性的角度分析，总体趋势是随着运营年度的延伸、供电负荷的增加，功率因数亦将逐步提高。

针对城市轨道交通供电系统这一特点，在选用动态无功补偿装置时，建议考虑其结构应便于拆装，以供后续线路共享使用。

［1］李力鹏，方攸同，盛家川，等.城市轨道交通2种供电方式下供电系统功率因数分析［J］.中国铁道科学，2009，30（6）：67.

［2］李建民，徐坚.基于SVG的城市轨道交通供电系统功率因数补偿研究［J］.变压器，2008，45（2）：5.

［3］穆志光，李汉卿.轨道交通供电系统无功补偿的研究［J］.电气化铁道，2006（4）：30.

［4］康明才，张俊芳，陈建业.静止无功补偿装置在配电系统中的应用［J］.国际电力，2004，8（6）：37.

［5］水利电力部，国家物价局.（83）水电财字第215号 关于颁发《功率因数调整电费办法》的通知［S］.1983.