洛阳地铁1 号线主变电站无功补偿系统补偿策略调试及容量选择

季丽伟，邹洋

（1.洛阳市轨道交通集团有限责任公司，河南 洛阳 471000；2.中船海为高科技有限公司，河南 郑州 100033）

2008 年开始，国内迎来了城市轨道交通的大发展时期，第一至第三阶段的城市轨道交通供电系统有的采用分散式供电系统，有的采用110 kV 主变电站集中供电方式，而第四阶段城市轨道交通基本采用110 kV集中供电方式[2]。根据对广州、深圳和南京这3 个城市的调研，前期基本未设置无功补偿系统，随着110 kV集中供电方式的兴起，特别是开通初期地铁线路或多或少产生力调电费，部分地铁产生高达100%的力调电费，各个城市轨道交通均在研究如何调试无功补偿系统。洛阳市城市轨道交通在初步设计阶段，已经考虑在主变电站设置“动态无功补偿+电抗器”的组合形式，本文主要通过运营期间的数据分析研究无功补偿系统调试及补偿策略，同时通过在无功补偿过程中发现的容量方面的问题及时提出建议，从而指导如何调试无功补偿设备配置和容量选型，减少运营成本和建设投资。

1 城市轨道交通系统无功情况分析

根据洛阳市城市轨道交通与国网公司签订的主变电站《高压供用电合同》，系统的功率因数考核点位于供电局侧（根据调研，从供电局引入用户的电源线路，考核点基本都是位于供电局侧），对用户进行考核点处的无功补偿提出了思考。考核控制点系统图如图1 所示。

图1 考核控制点系统图

其中，用户考核点位置的无功功率主要由以下几部分组成。

考核点处的Q（无功功率）=110 kV 外部线路的Q+35 kV 环网电缆的Q+动力负荷Q（变压器、电机、电容器）+列车的Q。

变压器空载无功功率为：

变压器负载无功功率为：

变压器无功损耗为：

式中：I0%为变压器空载电流百分比的数值；Se为变压器额定容量的数值，单位kVA；Ue为变压器额定电压的数值，单位kV；Xb为变压器感抗的数值，单位Ω。

列车牵引供电功率因数为：

其中，动力负荷Q和列车的Q是随着设备的运行情况，时刻处于变化中，由式（1）—式（4）可知，其功率因数可分别稳定在0.8～0.9与0.96 以上，110 kV外部线路的Q和35 kV环网电缆的Q基本是一个定值[3]。

对洛阳地铁供电系统的运行数据进行分析，除110 kV 外部线路的Q之外，在地铁运营初期（列车时间间隔在10 min 左右），110 kV 主变电站及以下的负荷处于感性负荷状态；在停运时间或开通初期，110 kV 主变电站及以下的负荷处于容性负荷状态，主要在于各个车站动力负荷的减少和地铁列车的停运或行车密度小。随着地铁运行时间间隔的缩短，白天的变化会更明显，即感性负荷增大，夜间处于稳定状态[3]。

笔者认为，城市轨道交通供电系统随着列车运行情况及季节的变化，系统的无功功率一直处于动态变化之中，对用户进行无功补偿系统的策略调试提出了思考，必须保证无功补偿容量合理且可以根据供电系统的变化进行动态调整。

2 洛阳地铁1 号线无功补偿的调试研究

为了研究洛阳市城市轨道交通供电系统的性质及变化规律，合理选择无功补偿策略，洛阳市城市轨道交通分阶段对供电局侧的运行数据进行分析研究，逐步提出各种补偿方式。本文主要根据洛阳市城市轨道交通的系统运行数据进行了3 个阶段的研究分析，对系统的无功补偿策略调试有了更深入的认识。

2.1 定补偿方式

根据供电局提供的每月电费清单，对广场、丽景门主所所辖4 条线路的每月无功功率进行分析计算，计算出考核点处的月平均无功功率，具体如表1 所示。

表1 月平均无功功率表

为了实现考核点处功率因数满足《高压供用电合同》的要求，在无其他数据的情况下，取最高和最低的平均值进行恒功率补偿。

经过一周的补偿，查看供电局侧每天的数据，功率因数有所改善，考核点处的功率因数从原来的0.4提高到0.7，但仍不满足《高压供用电合同》的要求。

2.2 分时段补偿方式

根据供电局提供的每天分时段的运营数据，按照分时段进行数据分析，发现每个时段的无功功率存在很大区别，谷时段无功补偿缺口更大，以广场主所芳广线供电间隔为例，数据分析如表2 所示。

表2 芳广线分时段数据分析

根据芳广线分时段的无功数据可以看出，在尖、峰时段功率因数达标；在平时段功率因数为0.82，低于标准；在谷时段功率因数为0.57，不满足要求。为了实现更好的补偿，按照地铁运营的性质，参考国家电网分时段的划分标准，采用分时段补偿的方案，为了方便分时段投入不同容量的设备，由厂家对无功补偿系统软件进行了修改，自动实现分时段补偿模式。其他3 条线路也采用此种方案进行解决。通过一段时间的运营，整体基本功率因数基本维持在0.80～0.87 之间。

2.3 系统恒无功补偿（恒功率因数+预补偿）方式

通过对无功补偿系统厂家系统功能的了解，同时参考JBT 10181.11—2014《电缆载流量计算第11 部分：载流量公式（100%负荷因数）和损耗计算一般规定》，在110 kV 电缆型号固定的情况下，110 kV 电缆的容性无功功率与电压的平方成正比[4]，即电缆的容性无功功率为：

根据式（5），结合洛阳地铁1 号线110 kV 电缆型号参数，110 kV 电缆充电功率约为0.58 MVar/km。基于电缆容性无功的性质，在无法获取上级数据的情况下，可以根据电缆的参数进行理论分析，计算110 kV电缆的容性无功功率。

为了保证线路容性无功功率的准确性，洛阳市城市轨道交通在各方的沟通协调下，对供电局侧的数据和用户侧的数据进行了大量搜集和实时对比分析，发现110 kV 电缆的容性无功功率基本在一定的范围内进行浮动，以1 号线各外电源线路为例，如图2—图4所示。

图2 2021 年11 月至12 月芳广线线路两端无功功率差值

图3 2021 年11 月至12 月临广线线路两端无功功率差值

图4 2021 年11 月至12 月瀍景线线路两端无功功率差值

通过对图2—图4 的数据进行分析汇总，对芳广线、临广线、瀍景线采用系统侧恒无功补偿的策略，经过再次数据对比分析，考核点处的功率因数基本维持在0.96～1.00 之间，远远高于《高压供用电合同》规定的考核标准，以此类推，对洛阳地铁最终均采用上述调试方法，实现了线路高功率因数运行。

3 无功补偿容量设置意见

如何设置无功补偿设备的选型及容量问题[5-6]，根据洛阳市城市轨道交通1 号线广场和丽景门主所的设计方案，广场主所采用“电抗器+SVG”的补偿方式，丽景门主所采用纯SVG 的补偿方式，经过以上3 个阶段的调试运行，通过对数据的分析，发现存在如下问题：①广场主所电抗器存在容量偏大，需要SVG 继续补偿容性无功的情况。笔者认为，在进行电抗器容量考虑的时候，需要对整体系统进行充分的分析，确保电抗器不存在过补偿的情况。根据对地铁运行数据的分析，可以考虑对电抗器进行充分计算，合理设置2个或3 个可调节挡位，这样避免白天运营时段过补偿，夜间也不至于缺口过大，缺少的部分由SVG 补偿。②丽景门主所采用纯SVG 模式，首先增大了SVG 的容量配置，其次SVG 故障率高，增加运维成本，单设备设置在故障期间系统补偿效果欠佳；在SVG 设备基本成熟且考虑SVG 故障的情况下，笔者认为，应该采用“电抗器+SVG”的设置策略，可增加系统抗风险能力，减少设备投资成本。

4 结束语

结合城市轨道交通供电系统的特殊性质，参考国家电网相关规定要求，城市轨道交通在采用集中供电模式下，选取“电抗器+SVG”结合的补偿方式，根据供电系统性质选择第2 或第3 种无功补偿策略调试，可以达到既节约运维和建设成本，同时提高单设备故障下系统的无功补偿功能；在容量选择方面，考虑采用2～3 个挡位的电抗器，适应线路初期、中期的需求，达到一次投入长期使用的目的，同时也增加了补偿的稳定性。