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摘要：为提高供电的可靠性，方便管线的敷设，城市轨道交通供电系统大量
选用电缆配电。由于电缆自身结构的特点，其供电线路充电容性无功功率比较可
观。一般情况下，城市轨道交通客流量逐年增大，行车运营组织也按此特点，依
运营年度计划逐步提高行车对数。本文就城市轨道交通供电系统功率进行了探
讨。
关键词：城市轨道；供电系统；功率
中图分类号：U223文献标识码：A
引言：
对供电系统而言，供电负荷随运营年度的延伸而逐步增加；另一方面，城市
轨道交通运输存在白天运营、夜晚检修的特点，每天停运期间，主要是部分低压
配电负荷需要供电。从不同运营年度、每天不同时段这两方面来看，供电系统有
功功率存在较大的差别；在特定的时间范围内，电缆线路所产生的无功功率无法
由系统平衡，功率因数不理想。而供电部门对功率因数所应达到的标准有相应的
规定，凡功率因数达不到规定的用户，供电部门在标准电费的基础上，按功率因
数调整电费的收取。这样，势必增加了轨道交通运营成本，因此，对城市轨道交
通供电系统功率因数的特点及规律进行研究，并制定相应的对策，是非常有必要
的。
一．电能消耗现状
我国30%电能的消耗在城市轨道交通部门,而城市轨道交通生产中的电气设
备和电力线路的电能损耗占城市轨道交通总消耗的20～30%。因此,节能降耗对城
市轨道交通企业是至关重要的,提高功率因数是一种非常有效的实现节能的途
径。功率因数(cosφ)是一个反映电源功率利用率的物理量,以用电设备产生的有
功功率与视在功率的比值来表示。在供电系统中,功率因数降低会引起输电线路
中的传输电流变大,增加了输电线路上的有功功率损耗和电能损耗。系统中输送
的总电流的增加,使供电系统中的电气元件,如电器设备、导线等容量增大,导致
工厂内部的起动控制设备、测量仪表规格尺寸增大,最终致使投资费用的增大。
线路的电压损耗增大,致使负荷端的电压下降,当低于允许偏移值时,严重影响异
步电动机及其它用电设备的正常运行。使系统内的电气设备容量不能得以充分利
用。所以,必须设法提高电网中各相关部分的功率因数,以充分利用变、用电设备
的容量,增加其输电能力,减少功率损耗和电能损耗,以达到节约电能和提高供电
质量的目的。
二．功率因数
1.大量的感性设备对功率因数的影响
异步电动机和电力变压器是产生无功功率损耗的主要感性设备。异步电动机
定子和转子之间的气隙是决定电动机需要较多无功功率的主要因素,据统计,在
工厂所消耗的全部无功功率中,异步电动机的消耗占60～70%。变压器的变压过
程是由电磁感应来完成的,是由无功功率建立和维持磁场进行能量转换的,变压
器消耗的无功功率一般约为其额定容量的10～15%。
2.供电电压对功率因数的影响
当供电电压高于额定值时,由于磁路饱和,无功功率增长很快；当低于额定值
时,会影响电气设备的正常工作。
3.变频器对功率因数的影响
变频器工作时会产生大量的高次谐波,不仅对用电设备的耐压构成威胁,同
时还消耗大量的无功功率,造成功率因数的降低,严重的造成周围的设备无法正
常工作。
4.供电线路对功率因数的影响
供电线路产生的无功功率损耗,它是电流通过线路电抗所产生的。
三．功率因数的提高
对于提高自然功率因数首先，合理选用异步感应电动机的型号和容量,使其接
近满载运行；合理更换轻负荷感应电动机或者轻负荷电动机的接线,防止“大马
拉小车”；条件允许时,用同等容量的同步电动机代替异步电动机。其次，避免
变压器空载运行或长期处于低负载运行状态。而且合理安排和调整工艺流程,改
善电气设备的运行情况,限制电焊机、机床电动机等设备的空载运转。
对于无功补偿有两种方法：第一种，用同步补偿器作无功补偿同步补偿器是
无功功率发电机,它的最大优点是可以均匀地调节电网电压,但其投资和运行费
用较静电电容器昂贵得多，因此,除大的电网中枢外,一般城市轨道交通企业应用
极少。第二种：用静电电容器作无功补偿静电电容器(移相电容器或电力电容器)
其产生超前电压容性电流特性与电动机、变压器产生滞后电压感性电流相抵消起
到补偿作用。在用户线路上分别适当并联静电电容器可使前端电网上的无功电流
大大降低,无功消耗即得到补偿。由于静电电容器本身具有功率损耗极小,使用寿
命较长,且容易安装的特点。现在地铁中,采用有源滤波形式的SVG,进行集中功
率补偿。
四．无功补偿分析
1．改善电能质量合理安装无功补偿设备可以减少电压损失,降低电压波动,
有效改善电网质量。负荷(P+JQ)；电压损失△U,ΔU=(PR+QX)/U。其中:U—为线
路额定电压,kV；P—为输送的有功功率,kW；Q—为输送的无功功率,kVar；R—为
线路电阻,Ω；X—为线路电抗,Ω。安装无功补偿设备容量Qc后,线路电压降为Δ
U1,ΔU1=[PR+(Q-Qc)]X/U,很明显,ΔU1<ΔU,即安装补偿电容后电压损失减小
了。由此得出接入无功补偿容量Qc后电压升高:ΔU1-ΔU=QcX/U,由于越靠近线路
末端,线路的电抗X越大,因此,越靠近线路末端装设无功补偿装置效果越好。
2.降低线路电能损耗、变压器损耗。采用无功补偿主要是为了降损节能,如
输送的有功功率为定值,加装无功补偿设备后功率因数由cosφ1提高到cosφ,因
为,负荷电流I与cosφ成反比,又由于P=I2R,线路的有功损失与电流的平方成正
比。当cosφ升高,负荷电流降低,线路有功损耗必然降低。另外由于合成电流减
小,可以用较小的导线截面输送相同的有功功率节约有色金属。
3.提高设备利用率。提高功率因数,会提高设备利用率,充分发挥设备潜能,
减少投资。无功补偿提高了功率因数后,电动机的负载率会得到提高,电动机需要
电网提高的供用电能力也将减小；还会使变压器的供电能力得到加强。例如,对
于额定容量为1000kVA的变压器,当功率因数ccosφ为0.7时,变压器的供电能力
只有Pe=SNcosφ=100×0.7=700kVA,当采取无功补偿措施使cosφ为0.9时,其供
电能力可提高到Pe=1000×0.9=900kVA。換言之,当用电功率一定时,功率因数提
高可使选用变压器的额定容量减小,因为变压器的单价随其额定容量增大而增大,
故补偿后可减少投资。
4.节约电费供电部门对城市轨道交通用户功率因数规定0.9为不奖不惩的界
限,高于或低于0.9时相应减收或增收电费直至停止供电,当用户进行无功补偿将
功率因数提高到0.9以后,每提高一个0.1%,供电部门按月电量0.15%奖励用户,低
于0.9时,可根据电价手册查出应增收的功率因数调节电费。所以,工厂企业无功
补偿提高功率因数的节能分为两部分:能耗节约和功率奖励。功率奖励:用户的功
率因数在0.9的基础上,将功率因数再提高后可得到的功率奖励为：
Y=A(cosφ2-0.9)×0.15%×K，
式中:Y—为功率奖励(元)；A—为用户月电量(kW·h)；cosφ2为无功补偿后
的功率因数；K—为单位电量的价格(元/kW·h)。
结束语
综上所述，功率因数的大小对于城市轨道交通的发展进步有着巨大的影响。
功率因数是衡量供用电系统的一项重要经济指标,文中介绍了影响功率因数的主
要因素和提高功率因数的方法,讨论了如何确定无功功率的补偿容量,并结合实
际说明,采取有效的无功补偿措施后,使发供电设备得到充分利用,降低了供电系
统损耗,提高了电压质量,并节约电能,减少了企业的电费开支,降低城市轨道交
通产品的成本,提高了企业的经济效益,同时能相应的节省煤炭的消耗,减少大气
污染,利于环保。
参考文献
[1]穆志光，李汉卿．轨道交通供电系统无功补偿的研究［J］．电气化铁道，
2006．
[2]程浩忠．电力系统无功与电压稳定性［M］．北京:中国电力出版社，2004．
[3]于松伟，等．城市轨道交通供电系统设计原理与应用［M］．成都:西南交
通大学出版社，2008．
选用电缆配电。由于电缆自身结构的特点，其供电线路充电容性无功功率比较可
观。一般情况下，城市轨道交通客流量逐年增大，行车运营组织也按此特点，依
运营年度计划逐步提高行车对数。本文就城市轨道交通供电系统功率进行了探
讨。
关键词：城市轨道；供电系统；功率
中图分类号：U223文献标识码：A
引言：
对供电系统而言，供电负荷随运营年度的延伸而逐步增加；另一方面，城市
轨道交通运输存在白天运营、夜晚检修的特点，每天停运期间，主要是部分低压
配电负荷需要供电。从不同运营年度、每天不同时段这两方面来看，供电系统有
功功率存在较大的差别；在特定的时间范围内，电缆线路所产生的无功功率无法
由系统平衡，功率因数不理想。而供电部门对功率因数所应达到的标准有相应的
规定，凡功率因数达不到规定的用户，供电部门在标准电费的基础上，按功率因
数调整电费的收取。这样，势必增加了轨道交通运营成本，因此，对城市轨道交
通供电系统功率因数的特点及规律进行研究，并制定相应的对策，是非常有必要
的。
一．电能消耗现状
我国30%电能的消耗在城市轨道交通部门,而城市轨道交通生产中的电气设
备和电力线路的电能损耗占城市轨道交通总消耗的20～30%。因此,节能降耗对城
市轨道交通企业是至关重要的,提高功率因数是一种非常有效的实现节能的途
径。功率因数(cosφ)是一个反映电源功率利用率的物理量,以用电设备产生的有
功功率与视在功率的比值来表示。在供电系统中,功率因数降低会引起输电线路
中的传输电流变大,增加了输电线路上的有功功率损耗和电能损耗。系统中输送
的总电流的增加,使供电系统中的电气元件,如电器设备、导线等容量增大,导致
工厂内部的起动控制设备、测量仪表规格尺寸增大,最终致使投资费用的增大。
线路的电压损耗增大,致使负荷端的电压下降,当低于允许偏移值时,严重影响异
步电动机及其它用电设备的正常运行。使系统内的电气设备容量不能得以充分利
用。所以,必须设法提高电网中各相关部分的功率因数,以充分利用变、用电设备
的容量,增加其输电能力,减少功率损耗和电能损耗,以达到节约电能和提高供电
质量的目的。
二．功率因数
1.大量的感性设备对功率因数的影响
异步电动机和电力变压器是产生无功功率损耗的主要感性设备。异步电动机
定子和转子之间的气隙是决定电动机需要较多无功功率的主要因素,据统计,在
工厂所消耗的全部无功功率中,异步电动机的消耗占60～70%。变压器的变压过
程是由电磁感应来完成的,是由无功功率建立和维持磁场进行能量转换的,变压
器消耗的无功功率一般约为其额定容量的10～15%。
2.供电电压对功率因数的影响
当供电电压高于额定值时,由于磁路饱和,无功功率增长很快；当低于额定值
时,会影响电气设备的正常工作。
3.变频器对功率因数的影响
变频器工作时会产生大量的高次谐波,不仅对用电设备的耐压构成威胁,同
时还消耗大量的无功功率,造成功率因数的降低,严重的造成周围的设备无法正
常工作。
4.供电线路对功率因数的影响
供电线路产生的无功功率损耗,它是电流通过线路电抗所产生的。
三．功率因数的提高
对于提高自然功率因数首先，合理选用异步感应电动机的型号和容量,使其接
近满载运行；合理更换轻负荷感应电动机或者轻负荷电动机的接线,防止“大马
拉小车”；条件允许时,用同等容量的同步电动机代替异步电动机。其次，避免
变压器空载运行或长期处于低负载运行状态。而且合理安排和调整工艺流程,改
善电气设备的运行情况,限制电焊机、机床电动机等设备的空载运转。
对于无功补偿有两种方法：第一种，用同步补偿器作无功补偿同步补偿器是
无功功率发电机,它的最大优点是可以均匀地调节电网电压,但其投资和运行费
用较静电电容器昂贵得多，因此,除大的电网中枢外,一般城市轨道交通企业应用
极少。第二种：用静电电容器作无功补偿静电电容器(移相电容器或电力电容器)
其产生超前电压容性电流特性与电动机、变压器产生滞后电压感性电流相抵消起
到补偿作用。在用户线路上分别适当并联静电电容器可使前端电网上的无功电流
大大降低,无功消耗即得到补偿。由于静电电容器本身具有功率损耗极小,使用寿
命较长,且容易安装的特点。现在地铁中,采用有源滤波形式的SVG,进行集中功
率补偿。
四．无功补偿分析
1．改善电能质量合理安装无功补偿设备可以减少电压损失,降低电压波动,
有效改善电网质量。负荷(P+JQ)；电压损失△U,ΔU=(PR+QX)/U。其中:U—为线
路额定电压,kV；P—为输送的有功功率,kW；Q—为输送的无功功率,kVar；R—为
线路电阻,Ω；X—为线路电抗,Ω。安装无功补偿设备容量Qc后,线路电压降为Δ
U1,ΔU1=[PR+(Q-Qc)]X/U,很明显,ΔU1<ΔU,即安装补偿电容后电压损失减小
了。由此得出接入无功补偿容量Qc后电压升高:ΔU1-ΔU=QcX/U,由于越靠近线路
末端,线路的电抗X越大,因此,越靠近线路末端装设无功补偿装置效果越好。
2.降低线路电能损耗、变压器损耗。采用无功补偿主要是为了降损节能,如
输送的有功功率为定值,加装无功补偿设备后功率因数由cosφ1提高到cosφ,因
为,负荷电流I与cosφ成反比,又由于P=I2R,线路的有功损失与电流的平方成正
比。当cosφ升高,负荷电流降低,线路有功损耗必然降低。另外由于合成电流减
小,可以用较小的导线截面输送相同的有功功率节约有色金属。
3.提高设备利用率。提高功率因数,会提高设备利用率,充分发挥设备潜能,
减少投资。无功补偿提高了功率因数后,电动机的负载率会得到提高,电动机需要
电网提高的供用电能力也将减小；还会使变压器的供电能力得到加强。例如,对
于额定容量为1000kVA的变压器,当功率因数ccosφ为0.7时,变压器的供电能力
只有Pe=SNcosφ=100×0.7=700kVA,当采取无功补偿措施使cosφ为0.9时,其供
电能力可提高到Pe=1000×0.9=900kVA。換言之,当用电功率一定时,功率因数提
高可使选用变压器的额定容量减小,因为变压器的单价随其额定容量增大而增大,
故补偿后可减少投资。
4.节约电费供电部门对城市轨道交通用户功率因数规定0.9为不奖不惩的界
限,高于或低于0.9时相应减收或增收电费直至停止供电,当用户进行无功补偿将
功率因数提高到0.9以后,每提高一个0.1%,供电部门按月电量0.15%奖励用户,低
于0.9时,可根据电价手册查出应增收的功率因数调节电费。所以,工厂企业无功
补偿提高功率因数的节能分为两部分:能耗节约和功率奖励。功率奖励:用户的功
率因数在0.9的基础上,将功率因数再提高后可得到的功率奖励为：
Y=A(cosφ2-0.9)×0.15%×K，
式中:Y—为功率奖励(元)；A—为用户月电量(kW·h)；cosφ2为无功补偿后
的功率因数；K—为单位电量的价格(元/kW·h)。
结束语
综上所述，功率因数的大小对于城市轨道交通的发展进步有着巨大的影响。
功率因数是衡量供用电系统的一项重要经济指标,文中介绍了影响功率因数的主
要因素和提高功率因数的方法,讨论了如何确定无功功率的补偿容量,并结合实
际说明,采取有效的无功补偿措施后,使发供电设备得到充分利用,降低了供电系
统损耗,提高了电压质量,并节约电能,减少了企业的电费开支,降低城市轨道交
通产品的成本,提高了企业的经济效益,同时能相应的节省煤炭的消耗,减少大气
污染,利于环保。
参考文献
[1]穆志光，李汉卿．轨道交通供电系统无功补偿的研究［J］．电气化铁道，
2006．
[2]程浩忠．电力系统无功与电压稳定性［M］．北京:中国电力出版社，2004．
[3]于松伟，等．城市轨道交通供电系统设计原理与应用［M］．成都:西南交
通大学出版社，2008．