城市轨道交通静止无功发生器设置

2012-06-19王明飞

都市快轨交通 2012年4期

王明飞

(中铁二院工程集团有限责任公司成都 610031)

目前，城市轨道交通供电系统大量地采用电力电缆。由于电缆线路相间及相对地存在分布电容，所以电缆线路越长，电压等级越高，产生的容性无功越大，功率因数越低。下面结合深圳地铁龙岗线首期工程，提出采用静止无功发生器(以下简称SVG)进行无功补偿的技术方案，以提高供电系统的功率因数。

1 设置SVG装置的必要性

设置SVG装置的必要性主要从供电系统的稳定性、节能性和经济性3个方面进行论述。

1.1 稳定性

根据电力系统无功补偿技术原则，为保障电网的稳定运行，提高电网运行的经济效益，各级电网应避免通过电力线路远距离输送无功，避免系统之间进行大量的无功交换，确保在任何时候35 kV系统不会向电网反送无功。对电力电网而言，大量的无功倒送将直接影响电网的稳定，严重时直接威胁到发电厂的供电质量和运行安全。

1.2 节能性

在地铁线路运营初期，由于电缆的充电无功效应，产生了大量的容性无功，倒送到供电局电网，造成功率因数过低。过低的功率因数，直接影响电机的转速、力矩和发热，致使电气设备寿命缩短、线损加大。

从深圳地铁龙岗线首期工程试运营3个月来看，银海主变电所的功率因数一直徘徊在0.4～0.6之间。通过合理补偿电缆充电无功，提高功率因数，有利于环保节能。

1.3 经济性

为了提高地方电网的功率因数，中国南方电网公司从2008年开始实施计收力调电费政策，即用户计费侧的功率因数达不到0.90时，需多缴纳0.005～1.41倍的基本电费作为力调电费。根据深圳地铁龙岗线运营公司的初步测算，从试运营到运营一年，一座主变电所累计需多缴的功率因数力调电费可以收回本所SVG装置的建设投资成本。

2 SVG装置的基本原理

SVG装置的基本原理是将自换相桥式电路通过电抗器并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位或者直接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或发出满足要求的无功电流，达到动态无功补偿的目的。

SVG装置以三相大功率电压逆变器为核心，其输出电压通过连接电抗器而接入系统，与系统侧电压保持同频、同相;通过调节其输出电压幅值与系统电压幅值的关系来确定输出功率的性质与容量，当其幅值大于系统侧电压幅值时输出容性无功，小于系统侧电压幅值时输出感性无功。

3 SVG装置的接入方式

目前，地铁供电系统110/35 kV主变电所通常采用线路变压器组接线，SVG装置分别挂接在35 kV的Ⅰ、Ⅱ段母线上，SVG装置接入系统见图1。

图1 SVG装置接入系统

4 SVG装置的容量计算

在地铁运营初、近期，由于用电负荷较小，功率因数较低;到远期时，随着用电负荷的增大，功率因数基本上都能满足要求。下面将结合深圳地铁龙岗线首期工程的实际情况，对银海主变电所的初、近期无功进行分析，并对SVG容量进行计算。

4.1 工程概况

深圳地铁龙岗线首期工程起于自红岭站，止于双龙站，正线全长32.858 km，以高架线路为主。供电系统采用110/35 kV集中供电方式，设置草埔和银海两座主变电所。

4.2 计算公式

4.2.1 电缆容性无功

●单相电缆的容抗 Xc=1/(ωC0L)

●三相电缆的容性无功功率 Qc=3U2x/Xc

式中，Ux为相电压。

由于单相电缆的感抗相对较小，可忽略不计，所以以下计算均不再考虑。

4.2.2 变压器感性无功

●变压器无功损耗(空载)Q0=0.01I0Sr

●变压器无功漏磁电抗损耗 Qk=0.01UkSr

●变压器总无功损耗 Q=Q0+β2Qk

式中:β为变压器负荷率;I0为空载电流百分比;Uk为阻抗电压百分比;Sr为变压器容量，kV·A。

4.3 初期SVG容量计算

供电局对地铁功率因数的考核点通常设置在220 kV变电站110 kV馈线柜处(称为对侧)，对110 kV电缆产生的容性充电电流补偿由地铁项目工程考虑。银海主变电所进线110 kV侧也设置了计量点(称为本侧)。银海主变电所一般有3种运行方式，以下将按照3种运行方式对SVG容量进行计算。

4.3.1 运行方式1

银海主变电所正常供电，这时无功功率和功率因数的计算结果见表1。

表1 正常供电时的无功功率和功率因数的计算结果

通过计算，SVG装置的计算补偿容量为每段母线2 100 kvar。

4.3.2 运行方式2

银海主变电所的一台主变故障退出运行，合银海主变电所35 kV母线断路器，由另一台主变为本主变电所供电范围的负荷供电。由于初期主变容量的余量较大，暂按不甩三级负荷考虑进行计算。银海主变电所一台主变供电时的无功功率和功率因数计算结果见表2。

表2 一台主变供电时的无功功率和功率因数的计算结果

通过计算，SVG装置的计算补偿容量为每段母线1 600 kvar。

4.3.3 运行方式3

草埔主变电所退出运行，由银海主变电所支援供电。银海主变电所支援供电时的无功功率和功率因数计算结果见表3。

表3 支援供电时的无功功率和功率因数计算结果

通过计算，SVG装置计算补偿容量为每段母线4 600 kvar。

综上所述，在银海主变电所的3种运行方式下，运营初期SVG无功补偿容量统计见表4。

表4 初期SVG补偿容量统计 kvar

4.4 近期SVG容量计算

近期银海主变电所SVG装置补偿前后的功率因数和补偿容量，见表5。

表5 近期无功补偿前后的功率因数和补偿容量

4.5 SVG 装置容量

在主变电所的3种运行方式中，1台主变故障和主变电所支援供电方式为非正常供电方式，特别是支援供电方式下设置的SVG装置容量需要相当大。考虑到非正常供电的暂时性和无功补偿的经济性，建议SVG装置容量按照初期正常供电情况考虑，并考虑一定的裕度设置，建议银海主变电所SVG装置的设置容量为2 ×2 500 kvar。

同时，由于110 kV电缆充电无功相当大，为了让Ⅰ、Ⅱ段母线配置的SVG装置容量一致，主变电所110 kV进线电源来自上一级同一变电站的不同母线或两路110 kV进线电源线路长度最好相差不大。