李玉光，李群湛，解紹鋒，岳新華

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城市軌道交通交流供電集中式補(bǔ)償方案研究

李玉光，李群湛，解紹鋒，岳新華

針對(duì)雜散電流問(wèn)題研究一種適合城軌交通供電的工頻單相交流供電方案，并針對(duì)該供電方案提出負(fù)序、無(wú)功補(bǔ)償措施，以根除直流雜散電流及其不良影響。

城市軌道交通；工頻單相交流供電；負(fù)序；無(wú)功；補(bǔ)償

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)干線鐵路一般采用工頻單相交流制供電方式，城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)通常采用低電壓的直流供電方式。但直流供電產(chǎn)生的地中雜散電流會(huì)嚴(yán)重腐蝕地下金屬管道，加之現(xiàn)行防護(hù)措施成本大，效果不明顯，可能造成嚴(yán)重后果。對(duì)于雜散電流從原理上講消除泄漏電流即可，但是在實(shí)際工程中很難實(shí)現(xiàn)。而工頻單相交流供電制式不會(huì)產(chǎn)生類似直流供電制式下雜散電流的電化學(xué)反應(yīng)，接觸網(wǎng)額定電壓高，供電能力強(qiáng)，牽引變電所間距大、數(shù)量少，故研究在城市軌道交通中采用工頻單相交流制供電是必要的。

1 集中式牽引供電結(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)[2]提出了一種適用于城市軌道交通的工頻單相交流牽引供電系統(tǒng)，該供電系統(tǒng)包括主變電所（MSS）和電纜牽引網(wǎng)（CTN）。主變電所包括三相電力變壓器、無(wú)功補(bǔ)償裝置、單相主牽引變壓器（MTT）和負(fù)序補(bǔ)償裝置（NCD）（即采用單相組合式同相供電裝置補(bǔ)償負(fù)荷造成的負(fù)序）。電纜牽引網(wǎng)包括電纜、牽引變壓器（TT）、接觸網(wǎng)（OCS）、鋼軌（R）等，如圖1所示。

圖1中，牽引供電部分電纜可采用雙芯電纜（DCC），也可以采用布置緊湊的2根單芯電纜，亦可采用同軸電纜（CC）。牽引變電所采用單相牽引變壓器，單相牽引變壓器一次側(cè)繞組與雙芯電纜的供電芯線和回流芯線并聯(lián)接線；牽引變壓器二次側(cè)繞組與接觸網(wǎng)和鋼軌并聯(lián)接線。牽引變電所的間距可按現(xiàn)有城軌車站的間距設(shè)置；通過(guò)相鄰的牽引變壓器將雙芯電纜的供電芯線與接觸網(wǎng)并聯(lián)，將回流芯線與鋼軌并聯(lián)；列車通過(guò)接觸網(wǎng)取電。

主牽引變壓器一次側(cè)可選用公用電網(wǎng)110 kV或220 kV三相進(jìn)線，二次側(cè)的牽引供電選用35（2×17.5）kV雙芯電纜，動(dòng)力照明供電選用35 kV三相電纜。本文的集中式供電方式中，單相牽引供電和三相動(dòng)力照明供電相互獨(dú)立，分別為2套獨(dú)立的電源系統(tǒng)，既可以減少牽引供電產(chǎn)生的負(fù)序?qū)?dòng)力照明系統(tǒng)的影響，還可減小2套系統(tǒng)之間運(yùn)行與維護(hù)的相互干擾。

2 主變電所負(fù)序補(bǔ)償方案[3]

同相供電即相同相位的單相供電，同相供電范圍內(nèi)的牽引變電所產(chǎn)生的負(fù)序電流（功率）將疊加在同一相上，因此同相供電的關(guān)鍵是解決負(fù)序問(wèn)題。但考慮負(fù)序的同時(shí)還需考慮無(wú)功問(wèn)題，故同相補(bǔ)償裝置需要實(shí)現(xiàn)無(wú)功、負(fù)序的綜合補(bǔ)償。由于本文涉及的機(jī)車為交直交機(jī)車，其功率因數(shù)為0.98～1，滿足國(guó)標(biāo)要求，所以牽引部分主要進(jìn)行負(fù)序補(bǔ)償。

主變電所牽引供電部分接線如圖2所示。主變電所牽引供電部分采用單相主牽引變壓器（MTT）和負(fù)序補(bǔ)償裝置（NCD）組合供電，即單相組合式同相供電裝置供電，對(duì)機(jī)車造成的負(fù)序進(jìn)行集中治理。負(fù)序補(bǔ)償裝置由高壓匹配變壓器（HMT）、交直交變流器（ADA）、牽引匹配變壓器（TMT）等組成，其中負(fù)序補(bǔ)償主要靠傳遞有功功率實(shí)現(xiàn)。

圖1 集中式牽引供電結(jié)構(gòu)

圖2 主變電所牽引供電部分接線

2.1 負(fù)序補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)指標(biāo)

在同相供電的對(duì)稱補(bǔ)償系統(tǒng)中，電能質(zhì)量需滿足國(guó)標(biāo)要求。原邊（110或220 kV）母線電壓不平衡度不超過(guò)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)標(biāo)《電能質(zhì)量三相電壓不平衡》（GB/T 15543-2008）規(guī)定電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)電壓不平衡度限值為：負(fù)序電壓不平衡度不超過(guò)2%，短時(shí)不得超過(guò)4%。

2.2 主牽引變壓器和同相補(bǔ)償裝置容量計(jì)算

在單相組合式同相供電系統(tǒng)中，同相補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償容量越大，投資越大，因此需要先確定滿足國(guó)標(biāo)要求的同相補(bǔ)償裝置的容量，進(jìn)而確定牽引變壓器的容量。在單相組合式同相供電方案容量計(jì)算中，最經(jīng)濟(jì)的容量配置原則是在滿足國(guó)標(biāo)要求和技術(shù)指標(biāo)的前提下，盡可能小地選擇補(bǔ)償裝置的容量[1]。

設(shè)牽引負(fù)荷功率為（MV·A），通過(guò)牽引變壓器的功率為T（MV·A），通過(guò)同相補(bǔ)償裝置的功率為C（MV·A），則整個(gè)系統(tǒng)供電能力至少應(yīng)滿足負(fù)荷功率需求，即

=T+C（1）

在滿足國(guó)標(biāo)要求的前提下，單相組合式同相供電系統(tǒng)允許存在一定量的負(fù)序，由于高壓匹配變壓器和單相牽引變壓器構(gòu)成了平衡接線，牽引端口和補(bǔ)償端口的負(fù)序功率可直接“做減法”，即剩余負(fù)序功率-的表達(dá)式為

-=T-C（2）

三相電壓不平衡度e可用負(fù)序功率-與連接處的電力系統(tǒng)短路容量d的比值描述，即

e=-/d×100% （3）

故系統(tǒng)短路容量d（MV·A）、三相電壓不平衡度e和系統(tǒng)負(fù)序功率允許值e（MV·A）之間的關(guān)系為

e=e·d（4）

式中，電壓不平衡度e的取值應(yīng)與牽引負(fù)荷功率的取值相對(duì)應(yīng)，e取正常限值2%時(shí)，取牽引負(fù)荷的平均有效值；e取短時(shí)限制值4%時(shí)，取牽引負(fù)荷的95%概率值。以邊界條件作為補(bǔ)償裝置容量計(jì)算條件，即

e=-=T-C（5）

聯(lián)立式（1）和式（5），得

解出T、C，得

根據(jù)式（6）即可進(jìn)行單相組合式同相供電方案容量計(jì)算，其中負(fù)荷功率可以取95%概率大值，也可以取最大值，但均需滿足國(guó)標(biāo)要求。

3 主變電所無(wú)功補(bǔ)償方案

3.1 功率因數(shù)考核標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)辦法》，國(guó)內(nèi)城市軌道交通功率因數(shù)考核標(biāo)準(zhǔn)如下：

功率因數(shù)標(biāo)準(zhǔn)0.90，適用于160 kV·A以上的高壓供電工業(yè)用戶（包括工業(yè)用戶）、裝有帶負(fù)荷調(diào)整電壓裝置的高壓供電電力用戶和3 200 kV·A及以上的高壓供電電力排灌站。

在軌道交通主變電所高壓側(cè)即進(jìn)線側(cè)進(jìn)行功率因數(shù)考核。

3.2 軌道交通供電系統(tǒng)無(wú)功功率分析

城市軌道交通供電系統(tǒng)既包括列車牽引和動(dòng)力照明等用電設(shè)備，還包括電纜、變壓器等輸變電設(shè)備。

列車牽引：由于機(jī)車為交直交機(jī)車，其功率因數(shù)可達(dá)0.98～1。

動(dòng)力照明：主要產(chǎn)生感性無(wú)功。車站照明普遍使用電子鎮(zhèn)流器節(jié)能燈或LED照明，照明系統(tǒng)功率因數(shù)可達(dá)0.9以上；出于節(jié)能需要，車站通風(fēng)空調(diào)設(shè)備、自動(dòng)扶梯使用了大量變頻設(shè)備，動(dòng)力負(fù)荷功率因數(shù)已經(jīng)由傳統(tǒng)的0.7左右提高到0.9左右。

輸變電設(shè)備：主要包括各種電壓等級(jí)變壓器和電纜。變壓器無(wú)功損耗為感性，約為額定容量的千分之幾。電纜產(chǎn)生容性無(wú)功，其容性無(wú)功的大小與電壓等級(jí)的平方、電纜的長(zhǎng)度成正比。軌道交通供電系統(tǒng)110 kV、35 kV電纜為影響主變電所功率因數(shù)的最主要因素。

軌道交通在運(yùn)營(yíng)時(shí)段投入大量牽引負(fù)荷和動(dòng)力照明負(fù)荷，系統(tǒng)中會(huì)產(chǎn)生一定的感性無(wú)功功率，對(duì)電纜產(chǎn)生的容性無(wú)功功率進(jìn)行中和，使系統(tǒng)功率因數(shù)達(dá)到0.9以上。但是在夜間停運(yùn)期間，只有少量的應(yīng)急照明負(fù)荷、部分小系統(tǒng)空調(diào)負(fù)荷和維修用電負(fù)荷，系統(tǒng)產(chǎn)生的感性無(wú)功功率很小，電纜產(chǎn)生的容性無(wú)功功率基本不變，系統(tǒng)處于容性無(wú)功倒送狀態(tài)，功率因數(shù)一般在0.5以下，導(dǎo)致主變電所系統(tǒng)平均功率因數(shù)很低，影響供電系統(tǒng)供電效率。因此，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)系統(tǒng)中的無(wú)功功率進(jìn)行定量分析，合理選擇無(wú)功補(bǔ)償裝置容量[4]。

3.3 無(wú)功補(bǔ)償方案

由于城市軌道交通負(fù)荷處于隨機(jī)變化狀態(tài)，白天運(yùn)營(yíng)，夜間停運(yùn)，故合適的補(bǔ)償方案應(yīng)可隨負(fù)荷的變化隨機(jī)適時(shí)地補(bǔ)償，以維持電壓穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)軌道交通供電系統(tǒng)從容性到感性的連續(xù)、平滑、動(dòng)態(tài)、快速的無(wú)功功率補(bǔ)償。目前，能夠?qū)崿F(xiàn)該功能的無(wú)功補(bǔ)償器有靜止無(wú)功補(bǔ)償器（Static Var Compensator-SVC）和靜止無(wú)功發(fā)生器（Static Var Generator-SVG）。考慮到經(jīng)濟(jì)性與技術(shù)的成熟度，本文建議采用SVC進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。

SVC全稱為靜止型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，它通過(guò)一定的控制方式，可以連續(xù)調(diào)節(jié)補(bǔ)償裝置的無(wú)功功率。SVC的種類包括晶閘管控制的電抗器（TCR）、晶閘管投切的電容器（TSC）以及二者的混合裝置（TCR+ TSC）等。其中TCR+FC型SVC補(bǔ)償器由晶閘管控制電抗器（TCR）和固定電容器（FC）并聯(lián)而成。TCR+FC型SVC補(bǔ)償器既可向系統(tǒng)輸送容性無(wú)功又可輸送感性無(wú)功功率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)功的控制。本文所述方案采用集中補(bǔ)償方式安裝TCR+FC型SVC設(shè)備，如圖3所示，T1為三相電力變壓器[6，7]。

圖3 主變電所無(wú)功補(bǔ)償裝置接線圖

3.4 無(wú)功補(bǔ)償容量的確定

若動(dòng)力照明無(wú)功功率為D，電纜產(chǎn)生的容性無(wú)功為R，TCR提供可調(diào)節(jié)的感性無(wú)功為TCR，F(xiàn)C提供固定的容性無(wú)功為FC，則它們之間滿足：

D+TCR-FC-R= 0 （7）

考慮無(wú)功倒送的情況，電抗器的容量必須大于電容器的容量，因此TCR的容量一般按FC容量的2倍來(lái)選取。

若用戶最大負(fù)荷月的平均有功功率為Pj，cos1為未補(bǔ)償時(shí)的功率因數(shù)，cos2為補(bǔ)償后的功率因數(shù)，則補(bǔ)償容量可用下式計(jì)算：

式中，c為所需補(bǔ)償容量，kVar；Pj為最大負(fù)荷月平均無(wú)功功率，kVar；cos1應(yīng)采用最大負(fù)荷月平均功率因數(shù)，cos2的確定必須合理，可參考當(dāng)?shù)仉娏Σ块T對(duì)功率因數(shù)的要求。

4 實(shí)例設(shè)計(jì)

現(xiàn)以某地鐵線路為例進(jìn)行負(fù)序、無(wú)功補(bǔ)償容量設(shè)計(jì)。

4.1 單相主牽引變壓器和負(fù)序補(bǔ)償裝置容量

根據(jù)國(guó)標(biāo)規(guī)定的三相電壓不平衡度限值（95%概率大值）e= 2%，系統(tǒng)短路容量d= 100 MV·A，可得負(fù)序功率允許值為e=d·e= 20 MV·A；對(duì)應(yīng)的負(fù)荷功率為= 25.952 MV·A，則可得牽引變壓器的計(jì)算容量為T= (+e) / 2 = 22.976 MV·A，同相補(bǔ)償裝置計(jì)算容量為C= (-e) / 2 = 2.976 MV·A；若牽引變壓器過(guò)負(fù)荷倍數(shù)T= 2，則牽引變壓器的安裝容量為T=T/T= 11.488 MV·A，可選用12.5 MV·A標(biāo)準(zhǔn)容量的單相牽引變壓器。同相補(bǔ)償裝置的過(guò)負(fù)荷倍數(shù)為C= 1，則同相補(bǔ)償裝置的安裝容量C=C= 2.976 MV·A，取3 MV·A。

4.2 無(wú)功補(bǔ)償容量

按照動(dòng)力照明無(wú)功容量來(lái)選取補(bǔ)償無(wú)功功率所需要的補(bǔ)償容量（動(dòng)力照明負(fù)荷40 562 kW，cos1= 0.78，cos2= 0.9）。根據(jù)式（8）可得

12 897.06 kVar

考慮一定的裕量，近似為FC= 13 MVar，TRC= 26 MVar。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)城市軌道交通采用的工頻單相交流制供電進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析，由于采用集中式供電，即牽引供電和動(dòng)力照明供電相互獨(dú)立，互不影響，故可在主變電所對(duì)機(jī)車造成的負(fù)序采用同相補(bǔ)償裝置進(jìn)行補(bǔ)償，而且交直交機(jī)車功率因數(shù)接近于1。對(duì)于動(dòng)力照明造成的功率因數(shù)低的問(wèn)題則可單獨(dú)采用SVC進(jìn)行補(bǔ)償，從而使電能質(zhì)量達(dá)到國(guó)標(biāo)要求。因此采用工頻單相交流制可避免直流制式下的雜散電流問(wèn)題，對(duì)本文所述新的適用于城市軌道交通的供電方案進(jìn)行深入研究是非常必要的。

[1] 李群湛.牽引變電所供電分析及綜合補(bǔ)償技術(shù)[M]. 北京：中國(guó)鐵道出版社，2006：72-101.

[2] 李群湛. 城市軌道交通交流牽引供電系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，50（2）：199-207.

[3] 李群湛. 論新一代牽引供電系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，49（4）：559-568.

[4] 周偉志.城市軌道交通供電系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償容量分析[J].機(jī)車電傳動(dòng)，2015（4）：68-70.

[5] GB/T15543-2008.電能質(zhì)量三相電壓不平衡[S].

[6] 聞立平，閻沐健.淺談城市軌道交通供電系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償[J].天津電力技術(shù)，2009（1）：29-32.

[7] 耿亮，虞蒼璧，劉寶誠(chéng). 城市軌道交通供電無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備安裝及容量確定[J].電氣技術(shù)，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、岳新華.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，碩士研究生；

李群湛、解紹鋒.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，教授。

國(guó)家自然科學(xué)基金（51307143）；廣州地鐵科技項(xiàng)目。