陳世民,牛大鵬,馬峰超,梁孔渝

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司電化院,北京 100055;2.西南交通大學(xué),成都 610031)

客運(yùn)專線10 kV貫通線路接地方式及補(bǔ)償方案的研究

陳世民1,牛大鵬2,馬峰超1,梁孔渝1

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司電化院,北京 100055;2.西南交通大學(xué),成都 610031)

鐵路客運(yùn)專線電力供電系統(tǒng),因貫通線路電纜的容性效應(yīng)較復(fù)雜,使得貫通線路的系統(tǒng)接地方式及電容補(bǔ)償方案成為電力工程設(shè)計(jì)中的一個關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。對貫通線路電纜的電容電流進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算,并結(jié)合吉圖琿鐵路的設(shè)計(jì),就電纜貫通線路的系統(tǒng)接地方式及補(bǔ)償方案進(jìn)行了分析研究;在此基礎(chǔ)上,應(yīng)用VC++6.0編寫了電力貫通線電容電流補(bǔ)償計(jì)算軟件,為以后工程設(shè)計(jì)提供高效的計(jì)算工具。

客運(yùn)專線;貫通線;電容電流;接地方式;補(bǔ)償

1 概述

近年來,為了提高供電可靠性和安全性,減少維修工作量,節(jié)約占地,我國新建鐵路客運(yùn)專線的電力供電系統(tǒng)基本采用沿鐵路敷設(shè)2回10 kV全電纜或以電纜為主的貫通線路。由于單芯電纜制造長度比三芯電纜長,有助于降低電纜中間接頭數(shù)量,減少故障點(diǎn),所以10 kV貫通線一般采用單芯銅芯鎧裝電纜,按“品”字形敷設(shè)。然而電纜有很大的容性效應(yīng)問題,與架空線相比,電纜線路的相線對地及相間電容電流是架空線的幾十倍乃至更高。經(jīng)調(diào)壓器供電的10 kV貫通線路,需要綜合考慮各方面因素,合理選擇其系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式及電容電流補(bǔ)償方案,從而保證電力供電可靠、并減少正常運(yùn)行時線路及設(shè)備的損耗、提高系統(tǒng)的功率因數(shù),改善供電質(zhì)量[1～3]。

本文對電纜貫通線路的電容電流進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算,并結(jié)合吉圖琿鐵路的設(shè)計(jì)實(shí)踐,就電纜貫通線路的系統(tǒng)接地方式及補(bǔ)償方案進(jìn)行了分析研究,對相關(guān)的工程設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

2 貫通線路電纜電容電流計(jì)算

2.1 單芯電纜的電容

單芯電纜“品”字形布置時,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中,每芯對金屬護(hù)層的電容為Cy(F/km),芯與芯之間的電容為Cx(F/km),則每一芯對中性點(diǎn)的電容為C=Cy+3Cx(F/km)。

圖1 貫通線電纜結(jié)構(gòu)

2.2 電纜線路正常運(yùn)行時的電容電流

電纜線路正常情況(未接地)時的電容電流分布如圖2所示。

圖2 正常情況時的電容電流分布

正常運(yùn)行時電容電流按下式計(jì)算

式中 Icx——線間電容電流,A;

I′cx——由線間電容電流合成的線電容電流,A;

Ico——線路始端的線電容電流,A;

Icy——線對地的線電容電流,A;

ω——角速度,rad/s,取值為314 rad/s;

l——線路長度,km;

Uφ——相電壓,kV,取值為5.774 kV。

2.3 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地時電容電流

電纜線路發(fā)生單相金屬性接地時的電容電流分布如圖3所示。

圖3 單相接地時電容電流

單相接地時電容電流按下式計(jì)算

式中 I′cy——非接地相線對地的電容電流,A;

IC——流過接地點(diǎn)的電容電流,A;

Icd——接地相始端的電容電流,A;

Ue——額定線間電壓,kV。

3 貫通線路供電系統(tǒng)接地方式的研究

3.1 貫通線路供電系統(tǒng)模型

客運(yùn)專線10 kV貫通線路供電系統(tǒng)的構(gòu)成,以吉圖琿鐵路工程設(shè)計(jì)為例說明,吉圖琿鐵路貫通線路供電經(jīng)調(diào)壓器供電,區(qū)間設(shè)備環(huán)網(wǎng)接線形式,2回貫通電纜均采用YJV6270型單芯電纜,Cy=0.25(μF/km), 3Cx=0.02(μF/km)[4],其系統(tǒng)模型如圖4所示。

圖4 吉圖琿客運(yùn)專線電力供電系統(tǒng)模型

3.2 中性點(diǎn)接地方式

(1)經(jīng)調(diào)壓器供電的10 kV貫通線路,由于調(diào)壓器的電氣隔離作用,使調(diào)壓器后母線段上的2個供電回路形成相對獨(dú)立的供電系統(tǒng),其系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式要根據(jù)系統(tǒng)單相接地故障電流情況,并綜合考慮供電可靠性、線路形式、設(shè)備絕緣水平、繼電保護(hù)要求等因素確定。

(2)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障系統(tǒng)如圖5所示。

發(fā)生單相接地故障,系統(tǒng)內(nèi)接地相與大地等電位,對地電容電流為零。此時三相間的線電壓仍然對稱,對負(fù)荷供電沒有影響,系統(tǒng)內(nèi)其他兩項(xiàng)對地電壓升高為線電壓,等于相電壓的3倍,對系統(tǒng)的絕緣造成影響。只有非故障相的線路與設(shè)備上流有零序電流,其數(shù)值等于本身的對地電容電流,實(shí)際方向?yàn)槟妇€流向線路;在故障線路上,零序電流為全系統(tǒng)非故障線路與設(shè)備對地電容電流向量和,即調(diào)壓器后母線上所有回路三相對地不平衡電容電流入故障點(diǎn)的電流之和,方向由線路流向母線。

圖5 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障系統(tǒng)

(3)鐵路部門在正常運(yùn)營時,區(qū)間各配電所一般采用單方向供電,在相鄰所檢修或故障狀態(tài)情況下,采用2個方向供電。根據(jù)吉圖琿客運(yùn)專線電力供電系統(tǒng)圖,分析計(jì)算在不同運(yùn)行方式下,各配電所貫通線路正常運(yùn)行時電容電流,以及當(dāng)采用中性點(diǎn)不接地情況下發(fā)生單相接地故障時故障電流。

①6號變電所僅向下行供電臂(36 km)供電時,線路正常運(yùn)行時線路始端的線電容電流最小,根據(jù)公式(2)計(jì)算得

單相接地故障電容電流最小,根據(jù)公式(5)計(jì)算得

②2號變電所向上行供電臂(67 km)、下行供電臂(50 km)同時供電時,上行供電臂線路正常運(yùn)行時線路始端的線電容電流最大,根據(jù)公式(2)計(jì)算得

此時單相接地故障電容電流最小,根據(jù)公式(5)計(jì)算得

(注:上下行供電臂同時送電)

(4)接地方式的確定

由以上分析計(jì)算結(jié)果以及吉圖琿客運(yùn)專線線路形式得出如下結(jié)論。

①根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范:當(dāng)系統(tǒng)單相接地故障電容電流不大于30 A時,中性點(diǎn)可采用不接地系統(tǒng);當(dāng)系統(tǒng)單相接地故障電容電流不大于150 A時,中性點(diǎn)可采用低電阻接地方式或消弧線圈接地方式;當(dāng)系統(tǒng)單相接地故障電容電流大于150 A時,宜采用低電阻接地方式。吉圖琿鐵路全線各配電所貫通線路供電系統(tǒng)當(dāng)采用中性點(diǎn)不接方式時,在不同運(yùn)行方式下最小單相接地故障電流為49.0 A,最大單相接地故障電流為159.1 A。適宜選擇中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地方式。

②吉圖琿客運(yùn)專線貫通線路采用全電纜線路,當(dāng)采用低電阻接地方式,單相接地時形成單相短路,保護(hù)及時動作,避免了可能引起的系統(tǒng)過電壓危害,可以保護(hù)貫通電纜線路及供電設(shè)備的安全;因區(qū)間一級負(fù)荷設(shè)備均為雙電源采用的環(huán)網(wǎng)接線形式,同時也可以保證供電的可靠性。

4 貫通線供電系統(tǒng)補(bǔ)償方案的研究

(1)貫通電纜線路的容性電流,正常運(yùn)行時增加了線路及設(shè)備的損耗,占用調(diào)壓器的容量。需要加中性點(diǎn)不接地的并聯(lián)電抗器補(bǔ)償,改善供電質(zhì)量,減少調(diào)壓器無功占用容量。補(bǔ)償?shù)姆绞街饕?種,分別為集中補(bǔ)償和分散補(bǔ)償。

(2)在配電所集中補(bǔ)償方式,當(dāng)補(bǔ)償裝置故障或檢修退出運(yùn)行時,貫通線路電纜的容性電流會引起調(diào)壓器過載,或調(diào)壓器退出不能保證正常供電。因此分散補(bǔ)償優(yōu)于集中補(bǔ)償。吉圖琿鐵路工程設(shè)計(jì)選分散補(bǔ)償方案。

(3)分散補(bǔ)償,為了避免環(huán)網(wǎng)供電在分區(qū)段檢修、分區(qū)段供電的各種運(yùn)行方式下產(chǎn)生并聯(lián)諧振。選擇分段欠補(bǔ)償方案。根據(jù)貫通線路區(qū)間設(shè)備分布情況及避開鐵路隧道的要求,綜合考慮本工程補(bǔ)償度α選擇為75%[5,6]。

(4)補(bǔ)償電抗器的確定

設(shè)配電所A的里程為S1,配電所B的里程為S2,兩所間每隔10～15 km設(shè)1處電抗器,算法按照間隔12.5 km設(shè)置,中間設(shè)n個電抗器,n個電抗器的線路里程分別為l1,l2,…,ln,電抗器的實(shí)際間距為l′,電抗器的總?cè)萘繛镸。

由以上分析計(jì)算可得

5 計(jì)算軟件設(shè)計(jì)

(1)算法程序流程圖

結(jié)合以上算法,可得出軟件的流程圖,如圖6所示。具體內(nèi)容包括:初始值設(shè)置、數(shù)據(jù)計(jì)算、圖形輸出、保存數(shù)據(jù)。

(2)軟件界面設(shè)計(jì)

圖6 算法流程

本部分程序依據(jù)軟件工程設(shè)計(jì)思想,應(yīng)用Visual C++6.0語言,基于MFC對話框,實(shí)現(xiàn)了程序結(jié)構(gòu)化、功能模塊化。軟件界面如圖7所示。

圖7 客運(yùn)專線10 kV電力貫通線電容電流補(bǔ)償計(jì)算軟件界面

經(jīng)該軟件計(jì)算可得吉圖琿客運(yùn)專線4號配電所至5號配電所區(qū)段貫通線電容電流補(bǔ)償方案為:M1= 144,M2=108,M3=72,M4=144,(M1,M2,M3,M4為各區(qū)間電抗器的計(jì)算容量)對應(yīng)里程為:l1=167.279, l2=179.572,l3=191.865,l4=204.158。

6 優(yōu)化設(shè)計(jì)

實(shí)際工程中,箱變一般設(shè)置于區(qū)間負(fù)荷點(diǎn)處,所以電抗器應(yīng)結(jié)合區(qū)間箱變位置,兩者盡量合建。另外,考慮到分段檢修及停電故障等因素,電抗器宜分散設(shè)置。

依據(jù)軟件計(jì)算結(jié)果,并結(jié)合本工程實(shí)際,得出吉圖琿貫通線電容電流補(bǔ)償方案(4號配電所至5號配電所區(qū)段),如圖8所示。

圖8 補(bǔ)償方案示意(單位:km)

7 結(jié)語

通過對貫通線路電纜電容電流的分析計(jì)算,就客運(yùn)專線電纜貫通線路供電系統(tǒng)的接地方式和補(bǔ)償方案進(jìn)行了深入研究,在此基礎(chǔ)上,應(yīng)用VC++6.0進(jìn)行編程計(jì)算,并結(jié)合工程實(shí)際情況進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),得到了較為合理的電容電流補(bǔ)償方案,對相關(guān)的工程設(shè)計(jì)具有較好的指導(dǎo)意義。

[1] TB 10008—2006,鐵路電力設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社,2006.

[2] 鐵道部專業(yè)設(shè)計(jì)院.鐵路電力手冊[M].北京:中國鐵道出版社,1991.

[3] TB 10020—2009,J971—2009,高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)[S].

[4] 羅思衷.合蚌客運(yùn)專線10 kV單芯電纜設(shè)計(jì)中若干問題的探討[J].高速鐵路技術(shù),2010(4):37 -41.

[5] 王 顥,易 東.青藏鐵路電纜貫通線并聯(lián)電抗器補(bǔ)償方式研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2008(8):67 -74.

[6] 顏秋容,劉 欣,王學(xué)鋒,段獻(xiàn)忠.鐵路10 kV電纜貫通線電容電流補(bǔ)償度研究[J].鐵道學(xué)報(bào),2006(2):85 -88.

Research on the Earthing Approach and Com pensation Option for Passenger-dedicated Railway 10kv Power Cable Through Lines

Chen Shimin1,Niu Dapeng2,Ma Fengchao1,Liang Kongyu1
(1.Electrification Institute,China Railway Engineering Design and Consultant Group Co.,Ltd.,Beijing 100055; 2.Southwest Jiaotong University,Chengdu 610030)

In the power supply system of passenger-dedicated railways,earthing approach and capacity compensation option of power cables become the key technical problem since the capacity effect of the cables of through lines are complicated.The paper carried out a detailed calculation of the capacity current in the cables of through lines,incorporating the design of Jilin-Tumenjiang-Fenchun railway,studied the earthing approach and compensation option of through lines.On this basis,a software has been compiled by using VC++6.0 to calculate the capacity current compensation for current through lines,to provide a powerful tool for future project design.

Passenger-dedicated railway; Power cable through lines; Capacity current; Earthing approach;Compensation

U223.5+1

A

1004 -2954(2011)08 -0122 -04

2011-04-12;

2011-05 -23

陳世民(1973—),男,工程師,2008年畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè),工學(xué)學(xué)士。