轨道交通运行初期电力功率因数不达标问题及应对措施

张 健

(兰州市轨道交通有限公司，甘肃 兰州 730070)

轨道交通的主要能耗是电能，电力能耗费用是轨道交通运营成本的重要组成部分，约占运营成本25%。电力能耗费用中功率因数考核也叫力调电费，是供电部门对用电单位供电系统功率因数的要求。高于考核标准时奖励，低于考核标准时则增收考核费用。考核费用与功率因数并非成线性比例关系，而是功率因数越低，费用考核越严重。如：功率因数在0.8，增收力调电费约占总电费5%；功率因数0.7，增收力调电费约占总电费10%；功率因数在0.6时，增收力调电费约占总电费25%。0.6以下时，每降低0.01，增收电费2%。可以看到当功率因数在0.6时，仅考核电费就占实际电费四分之一，因此无论从提高电网质量考虑还是从轨道交通运营单位运营成本考虑解决轨道交通功率因数不达标问题，并制定相应措施都是十分必要的。

1 功率因数考核

在电网中，由电源供给负载的电功率有两种:一种是有功功率，另一种是无功功率。有功功率是保持用电设备正常运行所需的电功率，也就是将电能转换为其他形式能量(机械能、光能、热能)的电功率。无功功率并非无用功率，它是用于建立电路内电场与磁场，并用来在电气设备中维持电场和磁场的电功率，它参与了与电源的能量交换。交流电路中，电压与电流之间的相位差(Φ)的余弦为功率因数，用符号cosΦ表示，在数值上，功率因数是有功功率和实际功率的比值，即cosΦ=P/S。功率因数是衡量电气设备效率高低的一个系数。功率因数低，说明电路用于交变磁场转换的无功功率大，增加了线路供电损失，因此供电部门对用电单位的功率因数有一定的标准要求。一般情况国内根据所在省市地区电价政策对于高压一般工商业性质用户功率因数要求不低于0.85，对于高压大工业性质用户功率因数要求不低于0.9。

轨道交通供电采用集中方式供电，一般一条线路配置两座主变电所，每个主所有两回专用电源线路供电。主变电所从外部供电电源引入AC110kV电压变换成AC35kV后，通过AC35kV环网电缆分别向各个车站牵引降压混合变电所或降压变电所供电。车站供电分为牵引供电和动力照明供电。牵引供电是将AC35kV转换为DC1500V，主要向电力机车提供用能。动力照明供电将AC35kV转换位AC380V，向车站照明、车站通风空调、电扶梯、给排水设备、信号等轨道交通专业设备供电。目前轨道交通牵引系统整流机组普遍采用24脉波整流方式，牵引负荷功率因数一般能够保持在0.95以上，动力照明系统在应用新技术如采用LED照明，空调、通风及电扶梯采用变频装置后负载功率因数也能达0.9以上。轨道交通无功功率主要为变压器无功功率、外电源电缆无功功率、及自身系统环网电缆无功功率。

2 轨道交通运行初期功率因数不达标原因分析

1）外输电线路采用地埋电缆敷设时无功损耗大。供电部门对用电单位功率因数考核计量点一般是在供电设备产权分界点处，如输电线路产权归属为用户，则无功考核点在供电侧电源处；如输电线路产权归属供电部门，则无功考核点在用户侧进线处。轨道交通主变供电外电源线路一般都是轨道交通运营单位自主建设，受制于城市区域发展及安全需要，外电源线路多采用地埋电缆敷设。而地埋电缆线路较架空线路相比充电功率大，在线路负荷率较轻情况下，会产生较大无功损耗。即当外电源线路采用地埋电缆线路越长时，线路无功损耗越大。

2)SVG自动补偿模式下无法补偿线路侧无功。一般情况下轨道交通自动无功补偿装置（SVG）是并列安装在用户侧主变压器二次母排上的。采用自动补偿模式下的SVG在110kV进线处采集电压电流值，通过系统判定无功功率大小及方向，自动调节设备补偿模块工作方式及大小，使供电系统功率因数始终保持在预设调目标参数。但SVG自动补偿模式下的仅能补偿调节轨道交通主变电站及其以下供电系统无功，无法实现对外输电线路的无功损耗的自动补偿。

3）轨道交通运行初期线路轻载。功率因数

根据计算，当有功功率是无功功率的2倍或以上时（即：当 P≥2Q 时，cosΦ≥0.9），功率因数可达标。轨道交通运营初期主要分为两个阶段，一是线路调试阶段，一般情况轨道交通带电联调联试工作会持续一年左右，此阶段列车开行密度小，车站用电设备在调试阶段投入开启度不高，线路有功电量极低，而轨道交通建成调试阶段，供电系统配置已相对基本稳定，变压器运行及电缆充电情况下系统无功功率变化量可视为恒定值。在有功功率少而无功功率不变情况下，供电系统功率因数极易出现不达标情况，供电线路会产生较重功率因数考核费用。二是线路正式试运行阶段，白天运营时刻，由于线路上电客车及车站照明、通风等轨道交通用电设备均处于运行工作状态。线路基本能满足电力部门对高压用户功率因数不小于0.9的要求。但夜间停运后，电客车及车站负载有功功率会大幅降低，受电缆充电产生无功的影响，线路会存在大量的容性无功功率，造成夜间功率因数低。供电部门考核是用户一月内的平均功率因数。因此夜间轨道交通线路轻载，有功少情况下系统补偿需求量就会增高。随着轨道交通线网的发展，运输能力的提高，运营单位会逐步增加列车发送密度并延长运营服务时间，后期功率因数补偿缺额上会有所改善。但运行初期若在系统设置的无功补偿设备补偿能力不足情况下，容易造成功率因数不达标情况。

3 轨道交通运行初期功率因数不达标解决措施

1）调整SVG运行方式。如轨道交通运行初期变电所内SVG已将功率因数补偿至达标点，但在供电部门电力计量点处仍出现功率因数考核情况下，此时判断主要是由于外电线路侧电缆充电功率高，产生容性无功损耗造成的。运营单位可根据日实际电量测算线路侧电缆充电功率及需投入无功补偿量，调整SVG运行方式，加大SVG功率因数预设目标参数。需要说明的是由于安全要求轨道交通往往具有多种安全保障设备，这些设备在正常情况多采用热备状态，或部分运转模式。如车站大排烟风机、车站通风空调系统等。因此轨道交通设计负荷量往往远远大于实际负荷情况。如采用设计负荷量核算系统无功补偿量往往不准确。运营单位可采用实际电量测算线路无功补偿缺额，逐步调节SVG已达到考核点功率因数达标目标。同时应根据不同季节性，列车运行图、和车站服务时间灵活调整。

若补偿缺额数值差距较小，可适当将SVG自动无功补偿预设参数调高。若调至最高仍不满足，应及时联络供电部门，掌握计量点处功率因数读数。此时所内功率因数读数已无参考价值。可根据计量点处功率因数情况结合轨道交通110kV及以下供电系统无功补偿量，核算外电源线路补偿缺额。运营单位可将SVG由自动补偿模式调整为恒无功固定电感补偿方式，采用固定输出模式下，SVG可补偿外电源线路侧无功。但此模式缺陷较为明显，SVG模块将长期处于恒定工作状态，失去自动调节功率因数功效，变成纯电抗输出方式运行，设备发热量将增高，设备维护量加大，且易造成设备故障及损伤。如有条件可引入对侧计量功率因数远程读取，随时掌握功率因数变化，随着运营量的增加适当调节输出量或恢复自动补偿方式。

2）外电源电缆线路充电功率就地电抗补偿。轨道交通在选择主变电所时应充分考虑所在城市外电源分布，选择最佳接入路径。如条件允许情况下，电源接入路径越短越好，能采用架空敷设尽量选择架空敷设；如条件不允许情况下轨道交通主变外线路电缆敷设长度较长时，当单回地埋线缆长度超过2km及以上时，应考虑单独设置就地外电源线路无功补偿，具体为在35kV母线两侧各并联一组电抗器。此方式下应在变电所设计时综合考虑，提前预留电抗器安装点及其接入开关柜、保护装置等基础及条件。并联电抗器结构相对简单，设备投资少，后期易于维护是解决轨道交通外线路充电功率高导致功率因数考核不达标问题的最为有效方式。一是可以有效补偿外电源线路充电功率，提高功率因数。二是与已投用SVG独立运行，可使SVG继续保持自动补偿模式。由于轨道交通日间夜间功率因数需补偿量不一致，SVG保持独立调节110kV进线侧以下供电系统无功补偿，优化系统内电网电能质量，减少SVG异常运行模式时间，降低供电设备不良工况，延长设备寿命。三是与已投用SVG互为备用，避免出现补偿设备故障后，故障期间供电系统无功无法补偿，给运营单位造成高额功率因数考核费用。

3）利用再生能源回馈装置分布式补偿无功。轨道交通再生制动能量逆变回馈装置采用逆变回馈中压或低压电网方案，将电动客车再生制动能量回馈到低压400v或者轨道交通中压35kV电网上。根据系统传感器检测信号，综合判断直流电网上是否有列车处于再生制动状态，一旦确认列车处于再生制动状态且直流母线电压大于设定值时，启动能量吸收过程，并且把机车制动时产生的能量回馈到电网，当直流母线电压小于设定值时，自动关闭能量吸收过程。现在的轨道交通再生能源回馈装置具有无功补偿功能已逐渐成为一种标配，但区别于SVG自动判定无功功率的大小及方向，目前能馈装置仅能通过软件开启或关闭输出固定数值下的无功补偿量。为了最大限度发掘设备潜力，结合轨道交通运营特性，可设置能馈系统在白天轨道交通线路运营期间向系统回馈有功电量，夜间轨道交通无电客车运行时段时，调节再生能馈装置补偿固定感性无功功率平衡电缆产生容性无功功率。

4）运营单位要加强对功率因数关注。轨道交通事业是新兴事业，在运营初期运营单位往往更加关注用电可靠性和安全性，而忽视对功率因数问题关注，调试阶段最为突出。一是调试阶段运营单位应在保证各联调项目按计划实施前提下，针对供电方式上灵活安排。供电部门的计量表计为每一回路独立一个。轨道交通主变电所一般都有两回独立电源，当主变电站两回供电线路采用一用一停方式时，单个回路承担系统所有有功负载用电，相应计费点功率因数会提高。二是多关注无功补偿设备运行情况及环境。在运行初期线路轻载，无功补偿需量大。因此无功设备初期运行负荷较大，这种情况应加强无功设备的维护，关注设备运行散热情况，确保无功补偿设备工况良好。

4 总结

轨道交通运行初期功率因数低导致高额力调电费是困扰多数轨道交通运营企业的难题，一部分原因是线网发展需要的过程，随着运输能力的提升，后期可有效改善。另一部分原因是在规划设计建设阶段预想做的不够，考虑欠全面导致。因此在规划设计阶段应该要提前谋划，一是要结合外线路电网电源的选址，电缆安装敷设条件准确测算外电源电缆补偿量。二是要结合初期客流及轨道交通运营安排，精准预测初期有功电量，选择恰当补偿方式及足够容量设备，确保初期功率因数达标。最后是对运营单位建议：一是要提前与当地供电部门对接，熟悉当地电价政策，合理灵活办理用电业务。二是要多关注供电补偿设备的检修及维护，只有在补偿设备安全运行基础上，才能从技术上确保系统电能质量，从经济上避免力调电费考核。