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地铁供电系统无功补偿设计及实践论述许凯

发表时间：2020/10/16 来源：《基层建设》2020年第19期作者：许凯

[导读] 摘要：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。

        中铁十二局集团电气化工程有限公司天津 300308
        摘要：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。本文主要研究地铁供电系统无功补偿设计以及线路设计。
        关键词：地铁供电；无功补偿；功率因数
        引言
        电气自动化中应用无功补偿技术可以降低无功功率，增大有功功率，提高能源的利用效率和供电质量，而且对供电系统的稳定性具有积极作用。因此其被广泛应用于电气自动化中，但是目前在应用过程中还存在一些问题需要进一步探讨。
        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电气自动化中无功补偿技术应用的优点
        随着经济社会的高速发展，用电设备的数量和规模在日益增长，用电量自然在逐步提高。在电能输送和储存的过程中，有一部分电能存在无功消耗，这部分电能没有发挥应有的作用，对经济社会发展没有产生有益作用。也就是说，无功功率的存在造成了能源的浪费和资源的无效利用。
        2.1可以提升设备发供电能力
        1）在电气自动化中运用无功补偿技术，能有效地降低无功功率，从另一个侧面也就提升了有功功率。在对有功功率数值需求不变的情况下，可以通过减少无功功率、供电设备配电电容的数量和规模，提升设备的发供电能力，挖掘设备发供电潜能。2）在电气自动化中运用无功补偿技术，可以有效地提高有功功率。通过控制变量法提高有功功率，在对发供电设备容量有一定要求的前提下，如果设备容量保持恒定，无功补偿技术的应用可以使功率因数得到提高，减少无功功率的损耗，这样也就提升了有功功率的潜能。3）在电气自动化中应用无功补偿技术，能充分地使发供电设备达到铭牌出力（即额定出力）的效果。铭牌出力是指发电机等设备在恒定的电压和恒定电流的情况下，达到铭牌上规定的发电效率。在发电设备上安装无功补偿设备，可以使发电机减少无功功率而提高有功功率，从而提升发电能力，达到铭牌出力。
        2.2可以有效提高电能的质量
        电压质量受使用过程中电压损失数量影响，一般情况下，电压在使用过程中损失越多，电压质量也低；损失得越少，电压质量越高。电压质量在一定程度上又会影响影响电器设备的稳定运行，电设备中合理配置无功补偿设备，利用无功补偿技术，可以有效提高电能的质量。电力系统的运行是十分复杂的，利用无功补偿设备可以改善供电环境，对电力系统的稳定性具有一定保障，从而提高电能质量。无功补偿设备通过控制供电线路电压，将电压损失控制在合理范围内，从而有效地减少供电线路中各种类型的问题和故障，达到提升电网供电质量的效果。
        2.3可以有效减少电费的支出
        一方面，如果功率因数低于规定数值，用户就要受到处罚，而用户利用无功补偿技术可以有效地将功率因数降低。用户通过无功补偿技术降低功率因数，可以避免受到相应的处罚，有效地降低了电费的支出。另一方面，利用无功补偿设备进行无功补偿，可以有效地减少对有功功率的损耗，可以节约电器设备资金，从另一个侧面来看可以提升有功功率的利用效率，从而减少了用电费用。通过对比发现，在同样的消耗中，使用无功补偿技术的企业要比未采用无功补偿技术的企业生产效率更高，电费等相关支出费用更少，电力运行效率更为稳定，企业生产成本大幅度降低。

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        2.4可以有效降低电能的损耗量
        在电气自动化中运用无功补偿技术，可以将电能的损耗量做到有效降低。供电线路中存在很多的感性设备，例如电容器等设备，它们在运行过程中会消耗无功功率，而利用无功补偿技术能有效地减少感性设备中无功功率的流动，从而降低电能的损耗量。
        3无功补偿技术应用注意事项
        3.1无功补偿装置的选择
        针对不同的地铁线路运行情况，需要对无功补偿装置进行选择。当前较为先进的无功补偿装置是静止同步无功发生器，实际利用的过程当中响应时间更快，并且能够有效去除谐波谐振等问题，具有低损耗、体积小等运动优势。静止同步无功发生器在实际应用的时候，一方面可以有效提供感性无功，感性无功可以减少电抗器的应用，提升电路运行稳定性，另一方面能够有效提升对重负荷容性补偿的应对性。静止同步无功发生器简称SVG，在2009年广州地铁五号线首次投入静止同步无功发生器，此后其他城市的逐渐应用这项技术，静止同步无功发生器在实际应用的过程当中具有一定的技术可靠性，并且具有一定的成熟应用经验。在计算工程量与实际运行情况的过程当中，受多方面因素影响可能存在一定的数据偏差，并且由于主变电所的不同供电范围和运行情况，使运行计算模式存在一定的不确定性。所以地铁在运行的时候很容易出现系统运量增大和负荷增加的问题，从而对容性无功的补偿需求也有所提升。
        3.2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。
        3.3制定无功补偿技术方案
        在电气自动化中运用无功补偿技术需要提前制定好无功补偿技术方案，确保在正确认识无功补偿技术应用方法和方向的基础上，对整个电气自动化系统进行合理引导与规划。无功补偿技术方案需要从电力运行的宏观角度出发，结合电气运输设备和传输电压的实际情况，坚持最低损耗和最优传输效果的原则，制定无功补偿技术方案，最大程度提高电气自动化系统的无功补偿效果。针对当前我国电力运输设备条件，需要引进国际上先进的补偿技术和设备，科学、合理地组合运用，如将配电变压器放置在合适位置，采用无功补偿技术对其引线进行处理，确保电力稳定运行，继而提升电力网整体运行效率，达到补偿的效果，解决电网运行中的无功补偿问题。
        3.4加强无功补偿技术相关培训，需要针对电气自动化
        工作人员定期开展培训工作，确保他们顺应时代发展潮流积极提升自身专业技能和职业素质，针对电气自动化的无功补偿技术更需要加大宣传力度，对相关工作人员开展专业培训，引导工作人员学习新技术。另外，如果条件允许可以邀请相关方面专家专门对电气自动化工作人员进行培训，同他们分享无功补偿技术应急措施，增强他们处理突发事故的能力。
        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。
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