城市轨道交通交流供电集中式补偿方案研究

李玉光，李群湛，解绍锋，岳新华



城市轨道交通交流供电集中式补偿方案研究

李玉光，李群湛，解绍锋，岳新华

针对杂散电流问题研究一种适合城轨交通供电的工频单相交流供电方案，并针对该供电方案提出负序、无功补偿措施，以根除直流杂散电流及其不良影响。

城市轨道交通；工频单相交流供电；负序；无功；补偿

0 引言

目前，国内干线铁路一般采用工频单相交流制供电方式，城市轨道交通牵引供电系统通常采用低电压的直流供电方式。但直流供电产生的地中杂散电流会严重腐蚀地下金属管道，加之现行防护措施成本大，效果不明显，可能造成严重后果。对于杂散电流从原理上讲消除泄漏电流即可，但是在实际工程中很难实现。而工频单相交流供电制式不会产生类似直流供电制式下杂散电流的电化学反应，接触网额定电压高，供电能力强，牵引变电所间距大、数量少，故研究在城市轨道交通中采用工频单相交流制供电是必要的。

1 集中式牵引供电结构

文献[2]提出了一种适用于城市轨道交通的工频单相交流牵引供电系统，该供电系统包括主变电所（MSS）和电缆牵引网（CTN）。主变电所包括三相电力变压器、无功补偿装置、单相主牵引变压器（MTT）和负序补偿装置（NCD）（即采用单相组合式同相供电装置补偿负荷造成的负序）。电缆牵引网包括电缆、牵引变压器（TT）、接触网（OCS）、钢轨（R）等，如图1所示。

图1中，牵引供电部分电缆可采用双芯电缆（DCC），也可以采用布置紧凑的2根单芯电缆，亦可采用同轴电缆（CC）。牵引变电所采用单相牵引变压器，单相牵引变压器一次侧绕组与双芯电缆的供电芯线和回流芯线并联接线；牵引变压器二次侧绕组与接触网和钢轨并联接线。牵引变电所的间距可按现有城轨车站的间距设置；通过相邻的牵引变压器将双芯电缆的供电芯线与接触网并联，将回流芯线与钢轨并联；列车通过接触网取电。

主牵引变压器一次侧可选用公用电网110 kV或220 kV三相进线，二次侧的牵引供电选用35（2×17.5）kV双芯电缆，动力照明供电选用35 kV三相电缆。本文的集中式供电方式中，单相牵引供电和三相动力照明供电相互独立，分别为2套独立的电源系统，既可以减少牵引供电产生的负序对动力照明系统的影响，还可减小2套系统之间运行与维护的相互干扰。

2 主变电所负序补偿方案[3]

同相供电即相同相位的单相供电，同相供电范围内的牵引变电所产生的负序电流（功率）将叠加在同一相上，因此同相供电的关键是解决负序问题。但考虑负序的同时还需考虑无功问题，故同相补偿装置需要实现无功、负序的综合补偿。由于本文涉及的机车为交直交机车，其功率因数为0.98～1，满足国标要求，所以牵引部分主要进行负序补偿。

主变电所牵引供电部分接线如图2所示。主变电所牵引供电部分采用单相主牵引变压器（MTT）和负序补偿装置（NCD）组合供电，即单相组合式同相供电装置供电，对机车造成的负序进行集中治理。负序补偿装置由高压匹配变压器（HMT）、交直交变流器（ADA）、牵引匹配变压器（TMT）等组成，其中负序补偿主要靠传递有功功率实现。

图1 集中式牵引供电结构

图2 主变电所牵引供电部分接线

2.1 负序补偿的技术指标

在同相供电的对称补偿系统中，电能质量需满足国标要求。原边（110或220 kV）母线电压不平衡度不超过有关标准，国标《电能质量三相电压不平衡》（GB/T 15543-2008）规定电网正常运行时，电力系统公共连接点电压不平衡度限值为：负序电压不平衡度不超过2%，短时不得超过4%。

2.2 主牵引变压器和同相补偿装置容量计算

在单相组合式同相供电系统中，同相补偿装置的补偿容量越大，投资越大，因此需要先确定满足国标要求的同相补偿装置的容量，进而确定牵引变压器的容量。在单相组合式同相供电方案容量计算中，最经济的容量配置原则是在满足国标要求和技术指标的前提下，尽可能小地选择补偿装置的容量[1]。

设牵引负荷功率为（MV·A），通过牵引变压器的功率为T（MV·A），通过同相补偿装置的功率为C（MV·A），则整个系统供电能力至少应满足负荷功率需求，即

=T+C（1）

在满足国标要求的前提下，单相组合式同相供电系统允许存在一定量的负序，由于高压匹配变压器和单相牵引变压器构成了平衡接线，牵引端口和补偿端口的负序功率可直接“做减法”，即剩余负序功率-的表达式为

-=T-C（2）

三相电压不平衡度e可用负序功率-与连接处的电力系统短路容量d的比值描述，即

e=-/d×100% （3）

故系统短路容量d（MV·A）、三相电压不平衡度e和系统负序功率允许值e（MV·A）之间的关系为

e=e·d（4）

式中，电压不平衡度e的取值应与牵引负荷功率的取值相对应，e取正常限值2%时，取牵引负荷的平均有效值；e取短时限制值4%时，取牵引负荷的95%概率值。以边界条件作为补偿装置容量计算条件，即

e=-=T-C（5）

联立式（1）和式（5），得

解出T、C，得

根据式（6）即可进行单相组合式同相供电方案容量计算，其中负荷功率可以取95%概率大值，也可以取最大值，但均需满足国标要求。

3 主变电所无功补偿方案

3.1 功率因数考核标准

根据《功率因数调整电费办法》，国内城市轨道交通功率因数考核标准如下：

功率因数标准0.90，适用于160 kV·A以上的高压供电工业用户（包括工业用户）、装有带负荷调整电压装置的高压供电电力用户和3 200 kV·A及以上的高压供电电力排灌站。

在轨道交通主变电所高压侧即进线侧进行功率因数考核。

3.2 轨道交通供电系统无功功率分析

城市轨道交通供电系统既包括列车牵引和动力照明等用电设备，还包括电缆、变压器等输变电设备。

列车牵引：由于机车为交直交机车，其功率因数可达0.98～1。

动力照明：主要产生感性无功。车站照明普遍使用电子镇流器节能灯或LED照明，照明系统功率因数可达0.9以上；出于节能需要，车站通风空调设备、自动扶梯使用了大量变频设备，动力负荷功率因数已经由传统的0.7左右提高到0.9左右。

输变电设备：主要包括各种电压等级变压器和电缆。变压器无功损耗为感性，约为额定容量的千分之几。电缆产生容性无功，其容性无功的大小与电压等级的平方、电缆的长度成正比。轨道交通供电系统110 kV、35 kV电缆为影响主变电所功率因数的最主要因素。

轨道交通在运营时段投入大量牵引负荷和动力照明负荷，系统中会产生一定的感性无功功率，对电缆产生的容性无功功率进行中和，使系统功率因数达到0.9以上。但是在夜间停运期间，只有少量的应急照明负荷、部分小系统空调负荷和维修用电负荷，系统产生的感性无功功率很小，电缆产生的容性无功功率基本不变，系统处于容性无功倒送状态，功率因数一般在0.5以下，导致主变电所系统平均功率因数很低，影响供电系统供电效率。因此，在进行系统设计时，需要对系统中的无功功率进行定量分析，合理选择无功补偿装置容量[4]。

3.3 无功补偿方案

由于城市轨道交通负荷处于随机变化状态，白天运营，夜间停运，故合适的补偿方案应可随负荷的变化随机适时地补偿，以维持电压稳定，实现轨道交通供电系统从容性到感性的连续、平滑、动态、快速的无功功率补偿。目前，能够实现该功能的无功补偿器有静止无功补偿器（Static Var Compensator-SVC）和静止无功发生器（Static Var Generator-SVG）。考虑到经济性与技术的成熟度，本文建议采用SVC进行无功补偿。

SVC全称为静止型动态无功补偿装置，它通过一定的控制方式，可以连续调节补偿装置的无功功率。SVC的种类包括晶闸管控制的电抗器（TCR）、晶闸管投切的电容器（TSC）以及二者的混合装置（TCR+ TSC）等。其中TCR+FC型SVC补偿器由晶闸管控制电抗器（TCR）和固定电容器（FC）并联而成。TCR+FC型SVC补偿器既可向系统输送容性无功又可输送感性无功功率，从而实现对无功的控制。本文所述方案采用集中补偿方式安装TCR+FC型SVC设备，如图3所示，T1为三相电力变压器[6，7]。

图3 主变电所无功补偿装置接线图

3.4 无功补偿容量的确定

若动力照明无功功率为D，电缆产生的容性无功为R，TCR提供可调节的感性无功为TCR，FC提供固定的容性无功为FC，则它们之间满足：

D+TCR-FC-R= 0 （7）

考虑无功倒送的情况，电抗器的容量必须大于电容器的容量，因此TCR的容量一般按FC容量的2倍来选取。

若用户最大负荷月的平均有功功率为Pj，cos1为未补偿时的功率因数，cos2为补偿后的功率因数，则补偿容量可用下式计算：

式中，c为所需补偿容量，kVar；Pj为最大负荷月平均无功功率，kVar；cos1应采用最大负荷月平均功率因数，cos2的确定必须合理，可参考当地电力部门对功率因数的要求。

4 实例设计

现以某地铁线路为例进行负序、无功补偿容量设计。

4.1 单相主牵引变压器和负序补偿装置容量

根据国标规定的三相电压不平衡度限值（95%概率大值）e= 2%，系统短路容量d= 100 MV·A，可得负序功率允许值为e=d·e= 20 MV·A；对应的负荷功率为= 25.952 MV·A，则可得牵引变压器的计算容量为T= (+e) / 2 = 22.976 MV·A，同相补偿装置计算容量为C= (-e) / 2 = 2.976 MV·A；若牵引变压器过负荷倍数T= 2，则牵引变压器的安装容量为T=T/T= 11.488 MV·A，可选用12.5 MV·A标准容量的单相牵引变压器。同相补偿装置的过负荷倍数为C= 1，则同相补偿装置的安装容量C=C= 2.976 MV·A，取3 MV·A。

4.2 无功补偿容量

按照动力照明无功容量来选取补偿无功功率所需要的补偿容量（动力照明负荷40 562 kW，cos1= 0.78，cos2= 0.9）。根据式（8）可得

12 897.06 kVar

考虑一定的裕量，近似为FC= 13 MVar，TRC= 26 MVar。

5 结语

本文对城市轨道交通采用的工频单相交流制供电进行了简单分析，由于采用集中式供电，即牵引供电和动力照明供电相互独立，互不影响，故可在主变电所对机车造成的负序采用同相补偿装置进行补偿，而且交直交机车功率因数接近于1。对于动力照明造成的功率因数低的问题则可单独采用SVC进行补偿，从而使电能质量达到国标要求。因此采用工频单相交流制可避免直流制式下的杂散电流问题，对本文所述新的适用于城市轨道交通的供电方案进行深入研究是非常必要的。

[1] 李群湛.牵引变电所供电分析及综合补偿技术[M]. 北京：中国铁道出版社，2006：72-101.

[2] 李群湛. 城市轨道交通交流牵引供电系统及其关键技术[J].西南交通大学学报，2015，50（2）：199-207.

[3] 李群湛. 论新一代牵引供电系统及其关键技术[J].西南交通大学学报，2014，49（4）：559-568.

[4] 周伟志.城市轨道交通供电系统无功补偿容量分析[J].机车电传动，2015（4）：68-70.

[5] GB/T15543-2008.电能质量三相电压不平衡[S].

[6] 闻立平，阎沐健.浅谈城市轨道交通供电系统的无功补偿[J].天津电力技术，2009（1）：29-32.

[7] 耿亮，虞苍璧，刘宝诚. 城市轨道交通供电无功补偿设备安装及容量确定[J].电气技术，2012（5）：64-67.

With respect to stray current issues, researches are made for a type of scheme for industrial frequency single phase AC power supply applicable to the urban rail transit, and measures for compensation of negative sequence and reactive power for the power supply scheme so as to eliminate the DC stray current and its adverse effects.

Urban rail transit; industrial frequency single phase AC power supply; negative sequence; reactive power; compensation

U231.8

A

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.01.014

1007-936X(2018)01-0057-04

2017-03-07

李玉光、岳新华.西南交通大学电气工程学院，硕士研究生；

李群湛、解绍锋.西南交通大学电气工程学院，教授。

国家自然科学基金（51307143）；广州地铁科技项目。