地铁供电系统无功补偿设计及实践论述

地铁供电系统无功补偿设计及实践论述

张尧

贵阳市城市轨道交通集团有限公司运营分公司， 贵州 贵阳 550081

摘要：现阶段，随着城市地铁线路建设的逐渐推进，城市地铁供电系统的运营用电量激增，为了避免出现容性无功倒送和电量超标等情况，需要对地铁供电线路的无功补偿进行分析和研究。

关键词：地铁供电系统；无功补偿设计；实践论述

引言

城市轨道交通牵引供电系统是城市轨道交通系统的重要组成部分，它为电力机车提供主要动力来源，是电力机车稳定运行的重要保障。按供电制式，主要可分为交流和直流。高铁普遍采用交流牵引供电系统，而地铁作为城市轨道交通的主要形式，都采用了直流供电制式。以地铁为代表的城市轨道交通，之所以采用直流供电，是因为地铁列车一般受限于列车编组、载客量、车型等因素，其负荷功率并不是很大；地铁线路一般为几十公里，所以沿线变电所的供电半径也不大，无需很高的电压就能达到供电要求；另外，采用直流供电相比于交流制供电，电压损失更小。

1 无功补偿的必要性

一般来说国内的地铁在建设的过程中都会铺设大量的电缆来保障供电系统的稳定运行，电缆的充电无功功率非常大。另外地铁无功波动较大，且在地铁停运之后，牵引负荷大幅度降低，无功功率相对增加，导致夜间功率因数降低。随着城市化建设的不断推进，当前国内对于地铁线路功率用电消耗等方面有着系统的规定，在国家统一标准中功率因数调整电费增减查对表中对地铁线路的用电有着较为明确的规定。如果地铁运输的过程中在地铁的非高峰运输时段出现容性无功倒送情况，属于违规情况并会受到一定的罚款。对于城市地铁线路而言，在日常运行的过程中对电量具有非常高的需求，电费也是日常运行中的成本的重要组成部分。因此如果能够有效保障地铁运行过程中将功率因数控制在0.95～1.0的优质区间之内，就能有效避免多余的罚款和电费，保障城市地铁的运营效益。因此需要对无功补偿进行研究，在线路的主变电所位置建设无功补偿装置，从有效提高功率因数，提升企业经济效益。

2 城市地铁供电介绍

2.1 城市地铁电力系统组成

广义上，按照电力来源进行划分，地铁供电系统可以分为两个部分，一是城市电网供电，主要供电方案有35kV(33kV)的集中供电和10kV的分散供电，牵引供电制式有DC1500接触轨、DC750V接触轨等制式;二是地铁内部供电，这也就是狭义的供电系统。地铁的内部供电系统主要由牵引供电系统、供电配电系统、杂散电流防护系统、电力监控系统、接地防护系统和主变电所几个部分组成。如上文所提到的，地铁内部供电系统主要维持两部分系统的运转，即动力牵引系统和照明通风、自控车门、安检消防等辅助系统。

2.2 城市地铁主要供电方式

地铁的动力供电系统中主要有接触轨和架空接触网两种供电形式。根据接触轨和受流器的接触面，可以分为三种不同的接触轨，即上部授流接触轨、下部授流接触轨和侧部授流接触轨，这也就形成了三种不同的接触轨供电方式。在采用接触轨供电时，往往采用质量较轻、导电性能比较好的钢铝复合材料作为接触轨。而架空接触网主要有两种供电方式，即根据接触悬挂结构，划分为刚性悬挂供电和柔性悬挂供电。以上两种供电方式各有优缺点，接触轨的使用寿命较长，运行稳定，故障率低，但缺点是一旦出现故障就必须全线停运，成本高。而架空接触网的优点在于安装位置较高，安装检修人员安全性高，但缺点在于寿命短，故障率高，易受外界因素干扰。综合考虑，实际操作中往往采用的是接触轨供电方式。

3 地铁供电系统无功补偿设计及实践论述

3.1 采取无功补偿的效果和系统方案

基于过往实际的运营经历分析发现，将静止同步无功发生器投入主变电站线路使用中能够有效提高功率因数，提升主变电所无功补偿质量和效率。一般在主变电所将静止同步无功发生器作为补偿设备接入时有两种较为常见的设计和做法，一种是将静止同步无功发生器直接接在35kV的母线上，也称之为直挂式。而另一种是将线路通过变压器进行降压，将35kV降低到10kV然后连接静止同步无功发生器，这种方式也称之为降压式。这两种连接方式各有利弊，首先直挂式的系统连接方案能够有效避免应用变压器存在的损耗和检修工作，相对而言功率电力电子期间的工作电流也比较小，从有效降低了运行过程当中产生的损耗问题。但是直挂式的缺点也较为明显，由于工作电压没有发生改变，因此电压突然增高会对功率电力电子器件的数量提出更高的要求，从而增加了系统设置成本，并且由于器件数量增加也增大了设备的体积。降压式系统连接方式的优点在于能够有效控制设备的体积，并且极大地降低了运行成本，而缺点就是由于利用了变压器因此存在针对变压器的检测和维护工作。

3.2 地铁直流供电系统迷流腐蚀

世界上绝大多数牵引供电系统都是以走行轨构成供电回路，地铁直流牵引供电也是如此，由于走行轨和大地无法绝对绝缘，所以必然会有一部分电流泄露到大地中，泄露进入大地的电流会因土壤的性质，地下金属物等，使得这部分电流分布很广，形成杂散电流，也称为迷流。迷流会对走行轨和地下金属物造成腐蚀。这部分电流在牵引变电所附近经走行轨流回负极柜。在牵引变电所的回流点处，杂散电流经大地流回变电所。当走行轨沿线下有金属导电物体时，大地中的杂散电流会沿着导体传播，到回流点附近再流经走行轨回到变电所，在回流点处的金属导体会形成阳极区，对大地电位为正，从而对阳极区附近的管道、水管、电缆、钢轨等造成严重的腐蚀。因此，迷流腐蚀防护对城市轨道交通系统稳定运行有着长远的意义。一般可以采取以下方法来防护。（1）增加走行轨和大地之间的绝缘，降低走行轨的电阻，确保回流系统畅通。（2）利用钢轨道床内的钢筋连接成收集网，统一回流至变电所。（3）缩短与相邻的变电所间距，减小回流路径。（4）加装排流设备，以消除影响。（5）技术创新，使用四轨供电方式，可以从源头上消除杂散电流。

3.3 优化供电系统环境

地铁供电系统的运行环境对设备的工作效率和使用寿命有着重要影响，过往的许多事故教训告诉我们，供电系统的多数故障都与恶劣的运行环境有关。因此，供电系统维护人员要重视日常的供电设备维护和保养，要着重做好环境的清理工作。以最常采用的接触轨供电为例，其与受流面的相接处易出现故障，要保证接触面无异物，受损严重时要及时更换。其次，保持周边具有良好通风、干燥环境，定期清理灰尘。

3.4 地铁牵引供电系统的构成以及可靠性评估

1）对某一段线路中的牵引供电可靠性进行评估。主要分析对象是2个牵引变电之间的线路，之后对地铁上该线路上的列车运行情况进行分析。2）需要对尾部电源、接触网系统和牵引变电进行可靠性评估，主要包括：（1）电源可靠性评估，其主要对象为我国城市的电网。而进行判断的主要依据，则是牵引变电从外部电源接受供电的情况分析，然后需要完成可靠性建模，对其可用度进行评估探究。（2）对于牵引变电可靠性评估，一般是以一个变电所为分析对象，进行判断分析的根据，是牵引变电对上行接触网是否进行正常的供电，再对地铁牵引变电所的主接线的方式进行分析，从而完成可靠性建模。之后对变电所的特征进行综合性的分析并做好定量评估。（3）在对接触网系统进行可靠性评估时，其分析对象应为某一锚段的接触网系统。可以根据上行网或下行网进行判别，即对地铁接触网进行建模，再依据地铁接触网的实际特征完成定量评估。

4 结语

本文主要针对地铁供电系统的无功补偿方案进行分析和研究，随着通过应用静止无功补偿器能够有效提升地铁电网系统运行的稳定性，避免出现安全事故，提升供电补偿质量和效率，提升城市地铁建设的经济效益和社会效益。

参考文献:

[1]罗浩元.电气化铁路电能质量综合补偿系统控制策略研究[D].湘潭大学，2016.