城市轨道交通供电系统的无功补偿要点

宁波市轨道交通集团有限公司运营分公司 钟贞祥 阳小涛

1 引言

随着城市轨道交通的迅速发展，城市轨道交通供电系统的稳定性和能源利用效率成为重要的研究方向。城市轨道交通供电系统中的无功电流问题是影响系统稳定性和能源利用效率的主要因素，无功电流不仅会导致电网电压波动，还会降低线路的输电能力，影响供电质量和设备寿命，为此采用无功补偿技术对城市轨道交通供电系统进行优化是非常必要的。本文将介绍城市轨道交通供电系统的无功补偿要点，以期为相关领域的研究和实践提供参考。

2 城市轨道交通供电系统的无功电流问题

城市轨道交通供电系统的无功电流问题是影响系统稳定性和能源利用效率的主要因素之一，在城市轨道交通供电系统中，电力负荷的变化、线路的电感等因素会导致系统中产生一定的无功电流。这些无功电流既不能产生功率，也不会被消耗，而是在电网和线路中来回流动，形成一种虚功率。无功电流的存在会对供电质量和设备寿命产生影响，因此需要对其进行控制和优化[1]。

2.1 降低电网电压质量

无功电流会导致电网电压波动，影响系统的稳定性和供电质量。当无功电流较大时，电网电压会下降，导致设备无法正常运行。

2.2 减少线路的输电能力

无功电流会增加线路的电阻和电感，降低其输电能力。这会导致线路电压下降和电能损耗增加，影响城市轨道交通的供电质量和效率。

2.3 影响设备寿命

无功电流会增加电气设备的损耗，导致设备寿命缩短。在城市轨道交通供电系统中，这对设备的运行稳定性和可靠性产生重要影响。

3 无功补偿的原理和作用

3.1 无功补偿基本原理

无功补偿的原理是通过在电路中加入合适的电容或电感元件，来抵消系统产生的无功电流。这些元件能够对系统的电压、电流和功率进行调节，从而实现电路的无功功率和有功功率之间的平衡。当电路中有大量的电感负载时，由于电机等负载的工作原理，会产生大量的无功电流，导致电路电压下降，影响了系统的供电能力。通过加入无功补偿器，可以提高电路中的无功功率，并将其与有功功率相平衡，从而保持电压稳定，提高系统的供电能力[2]。

3.2 无功补偿的作用

3.2.1 提高电路的功率因数

无功补偿器能够将电路中产生的无功电流转化为有用的电能，从而提高电路的功率因数。有助于节约能源，还可以提高系统的效率和供电能力。

3.2.2 降低系统的损耗

由于无功电流只能作为一种消耗，因此在电路中存在大量的无功电流时，会造成能源的浪费和系统的损耗。通过加入无功补偿器，可以将无功电流降至最低，从而减少系统的损耗。

3.2.3 提高电路的稳定性

无功补偿器能够使电路中的电压保持稳定，从而提高了电路的稳定性和可靠性。在轨道交通系统等重要工程中使用无功补偿器还可以降低因电压波动造成的设备损坏和事故发生的风险。

3.2.4 降低电费

无功电流会增加电力公司的输电成本，电力公司一般会对客户的用电功率因数进行监控，并根据用电功率因数的低高收取不同的电费。通过加入无功补偿器，可以提高用电功率因数，从而降低电费支出。

4 城市轨道交通供电系统的无功补偿方式

随着城市轨道交通的不断发展，其供电系统存在的问题也日益凸显。无功功率的问题是影响系统稳定性和能源利用效率的重要因素。无功补偿技术是解决城市轨道交通供电系统无功问题的有效途径。城市轨道交通供电系统的无功补偿技术有多种，不同的补偿技术适用于不同的供电系统[3]。

4.1 静态无功补偿

静态无功补偿技术是指在城市轨道交通供电系统中添加静止无功补偿设备，以实现无功功率的补偿。常见的静态无功补偿设备有电容器、电抗器和STATCOM（静态同步补偿器）等。

4.2 动态无功补偿

动态无功补偿技术是指在城市轨道交通供电系统中添加动态无功补偿设备，以实现无功功率的补偿[4]。常见的动态无功补偿设备包括SVC（静止无功补偿器）、TCSC（串联补偿装置）和TCSR（串联补偿装置）等。

4.3 混合补偿

混合补偿技术是指在城市轨道交通供电系统中同时使用静态无功补偿设备和动态无功补偿设备，以实现更为精确的无功功率补偿。这种方式可以兼顾静态无功补偿和动态无功补偿的优点，同时避免缺点，从而提高城市轨道交通供电系统的稳定性和能源利用效率。混合补偿通常需要根据实际情况进行综合考虑和优化设计，以达到最佳的补偿效果和经济效益。

5 城市轨道交通供电系统的无功功率因数控制

5.1 安装无功补偿装置

安装无功补偿装置是城市轨道交通供电系统提高功率因数的有效措施之一。通过安装无功补偿装置，可以将无功功率从轨道交通系统中补偿掉，从而提高系统的功率因数，无功补偿装置使用流程如图1所示。

图1 无功补偿装置使用流程

5.1.1 确定无功补偿装置的类型

根据轨道交通系统的实际情况和需求，选择无功补偿装置的类型。常见的无功补偿装置类型包括静态无功补偿装置（SVC）、静态无功发生器（SVG）等。不同的装置类型有着不同的优缺点，需要根据实际情况进行选择，可以选择一种或多种类型的无功补偿装置[5]。SVG 无功补偿装置线路如图2所示。

图2 SVG 无功补偿装置线路

5.1.2 确定无功补偿装置的容量

根据轨道交通系统的负载情况，确定无功补偿装置的容量。无功补偿装置的容量应该与系统的无功功率相匹配。在确定无功补偿装置容量时，需要考虑未来系统的扩展和负荷变化等因素。需要对城市轨道交通供电系统进行负载测量和分析，以确定所需无功补偿容量。

5.1.3 设计无功补偿装置的安装位置

根据轨道交通系统的特点和实际情况，设计无功补偿装置的安装位置。在选择无功补偿装置的安装位置时，需要考虑装置的安全性、通风散热、维护便利性等因素。

5.1.4 进行无功补偿装置的调试和测试

在安装完成后，需要进行无功补偿装置的调试和测试。调试时需要注意无功补偿装置的参数设置和控制逻辑等问题。测试时需要对无功补偿装置的运行情况进行监测和记录。

5.2 优化线路设计

优化线路设计是城市轨道交通供电系统的无功功率因数控制的一项重要的措施。通过优化线路设计，可以降低线路的电阻、电感等电学参数，减小线路的电压降和电能损耗，提高供电系统的效率和稳定性，同时还能减少对环境的影响。

5.2.1 设计合理选择线路类型

在城市轨道交通供电系统中，主要有单相两线制、交流三相四线制以及直流输电三种线路类型可选。不同类型的线路对无功功率因数控制存在不同的影响。如直流输电系统由于没有感性负载，无须考虑无功问题，但其成本较高。

5.2.2 降低感性负载

城市轨道交通供电系统中存在大量的感性负载，这些负载会导致系统的无功功率因数较低。为了降低感性负载，需要采用合理的电源调节措施，控制电流的大小和波动，减少负载的变化范围。如通过采用电容器并联的方式，可以提高系统的功率因数，降低无功损耗。

5.2.3 优化负载分布

在城市轨道交通供电系统中，各个区域的负载分布情况也会对系统的无功功率因数产生影响。通过优化负载分布，可以提高系统的功率因数，进而提高系统的供电质量和稳定性。

5.2.4 采用合适的绝缘材料和结构

绝缘材料和结构的合理选择可以提高线路的绝缘性能，降低线路的漏电流和电能损耗，提高供电系统的安全性和稳定性。在选择绝缘材料和结构时，需要考虑线路的环境条件、负载情况和成本等因素。

5.3 优化运行管理

5.3.1 合理设置电压等级

由于电压对系统的无功功率因数具有较大的影响，所以需要合理设置电压等级，确保系统处于稳定工作状态。如在设计调节装置时，需要考虑负载均衡、电压波动和短路容限等因素，使得系统达到最优的电压等级。

5.3.2 建立功率因数监测和控制系统

城市轨道交通供电系统应建立功率因数监测和控制系统，实时监测系统的功率因数，并根据实际情况进行控制。通过这种方式，可以及时发现功率因数异常，采取相应措施进行调整，保证系统的正常运行。如在系统的主控制室中设置功率因数监测仪器，实时监测系统的功率因数，当功率因数偏离设定值时，自动启动控制系统，进行调整。

5.3.3 优化维护计划

城市轨道交通供电系统的维护保养是保证系统稳定运行的关键。通过优化维护计划，可以降低系统的无功损耗，提高系统的功率因数，从而改善系统的供电质量和稳定性。定期检查系统各个部件的工作状况，检查电缆连接是否松动，防止局部电压偏低，控制感性负载的使用范围等。

5.3.4 建立完善的数据分析系统

城市轨道交通供电系统需要建立完善的数据分析系统，及时收集、分析系统的运行数据，并对其进行综合分析和处理。通过这种方式，可以及时发现系统运行中存在的问题，找出导致无功损耗和功率因数偏低的原因，并进行相应的调整和改进。

6 结语

通过对城市轨道交通供电系统的无功补偿问题进行了深入研究和探讨，并提出了多种无功补偿设备的应用方案，能够有效地解决城市轨道交通供电系统中存在的无功补偿不足、功率因数偏低等问题，提高系统的供电质量和稳定性。随着无功补偿技术和设备方面进行创新和改进，在提高系统的无功补偿效率和功率因数控制精度等方面还能更进一步。