孫建明，易 東

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063;2.西南交通大學(xué)，成都 610031)

高速鐵路10 kV電力貫通線供電臂長(zhǎng)度一般為40～60 km，個(gè)別區(qū)段長(zhǎng)達(dá)70 km，電力貫通線主要對(duì)沿線通信、信號(hào)等重要負(fù)荷供電，一旦中斷供電，將會(huì)造成重大的政治影響和經(jīng)濟(jì)損失，然而電力故障突發(fā)性強(qiáng)，往往不以人們的意志為轉(zhuǎn)移，因?yàn)闊o論供電部門管理得再嚴(yán)格、電網(wǎng)設(shè)備再先進(jìn)，斷電也在所難免。為此，在災(zāi)情特別嚴(yán)重的地區(qū)高速鐵路配電所必要時(shí)將設(shè)有應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組，例如日本九洲新干線、武漢廣州高速鐵路等，當(dāng)市電停電時(shí)，通過柴油發(fā)電機(jī)帶全電力貫通線運(yùn)行，保證與行車密切相關(guān)的通信信號(hào)等特別重要的一級(jí)負(fù)荷。全電纜貫通線對(duì)地電容電流遠(yuǎn)大于架空線路，柴油發(fā)電機(jī)組能否帶長(zhǎng)距離電纜貫通線穩(wěn)定運(yùn)行需要研究，本文將對(duì)電纜貫通線設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)是否可行進(jìn)行分析研究。

1 柴油發(fā)電機(jī)帶電纜貫通線面臨的主要問題［1～4］

高速鐵路供配電系統(tǒng)主要由外部電源、變配電所、沿線兩回10 kV高壓電力貫通線路等構(gòu)成，為了保證長(zhǎng)距離、輕負(fù)荷的區(qū)間貫通線供電質(zhì)量，鐵路變配電所設(shè)有專用10/10 kV的調(diào)壓器向10 kV貫通線供電。

單位長(zhǎng)度的電纜線路的電容電流比架空線路電容電流大很多倍，全電纜貫通線對(duì)地電容電流很大。由于電纜線路電容遠(yuǎn)大于架空線路，可能會(huì)使功率因數(shù)超前，使功率因數(shù)角由正變負(fù)，引起末端電壓升高。并聯(lián)電抗器可以吸收多余的容性無功功率，為將電纜線路在負(fù)載或空載時(shí)的電壓控制在允許的范圍之內(nèi)。必須在電纜線路中并聯(lián)電抗器，其作用為:

(1)削弱電容效應(yīng)引起的電壓升高，改善線路電壓分布，提高用戶電壓質(zhì)量，同時(shí)也限制了操作過電壓水平;

(2)改善輕載情況下線路中的無功潮流分布，提高線路功率因數(shù)值，減少輕載或空載時(shí)無功的不合理流動(dòng)，使無功就地平衡從而降低線路的有功功率損耗，提高供電效率。

當(dāng)電纜貫通線路無功補(bǔ)償選擇欠補(bǔ)償方式時(shí)，作為應(yīng)急電源的柴油發(fā)電機(jī)會(huì)處于進(jìn)相運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)帶載能力下降，穩(wěn)定性下降;而選擇過補(bǔ)償方式時(shí)，可能使線路末端電壓低于正常值，因此，在考慮電纜貫通線的柴油發(fā)電機(jī)容量及貫通線供電長(zhǎng)度時(shí)，應(yīng)綜合考慮以上因素［5～8］。

2 仿真計(jì)算

為研究在配電所集中設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)作為高速鐵路沿線與行車密切相關(guān)的通信、信號(hào)等重要負(fù)荷的備用電源可行性，課題組選取了武廣高速鐵路一段長(zhǎng)78.3 km全電纜綜合貫通線作為仿真計(jì)算模型，利用Matlab/simulink仿真軟件分別對(duì)高、低壓柴油發(fā)電機(jī)組對(duì)電纜貫通線路供電的各種工況進(jìn)行了仿真計(jì)算，分析了發(fā)電機(jī)電壓、電流、功率及穩(wěn)定特性，包括:(1)不進(jìn)行并聯(lián)電抗器補(bǔ)償時(shí)，低壓柴油發(fā)電機(jī)帶電纜貫通線路空載運(yùn)行、負(fù)載運(yùn)行情況仿真計(jì)算。(2)采用并聯(lián)電抗器補(bǔ)償，低壓發(fā)電機(jī)帶電纜貫通線路帶負(fù)載仿真計(jì)算。(3)低壓發(fā)電機(jī)越區(qū)運(yùn)行的仿真計(jì)算。(4)高壓發(fā)電機(jī)越區(qū)運(yùn)行仿真計(jì)算。受篇幅限制，本文僅對(duì)前2種工況進(jìn)行仿真。

系統(tǒng)基本參數(shù)為:變壓器電壓百分比8%、容量1MVA、變比0.4 kV/10 kV，電纜長(zhǎng)度78.3 km，線路上負(fù)荷變壓器總?cè)萘?392 kVA，負(fù)荷需要系數(shù)取0.65，系統(tǒng)圖如圖1所示，電纜參數(shù)如表1所示，發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)基本參數(shù)如表2所示。

圖1 78.3 km綜合貫通線負(fù)荷分布(單位:km)

表1 YJV628.7/10 kV(95 mm2)電纜參數(shù)［5］

表2 鐵路貫通線用柴油發(fā)電機(jī)組參數(shù)(卡特彼勒)

2.1 貫通線路空載運(yùn)行情況仿真計(jì)算

線路空載，0.2 s合上線路，并聯(lián)電抗器1設(shè)在變壓器出口，并聯(lián)電抗器2設(shè)在線路末端。補(bǔ)償度K=(并聯(lián)電抗器1的容量+并聯(lián)電抗器2的容量)/線路電容功率，表3、表4為柴油發(fā)電機(jī)容量變化時(shí)，并聯(lián)電抗器不同補(bǔ)償度時(shí)，線路電壓變化情況。從表3、表4中可以看出補(bǔ)償度K在0.9～1.1時(shí)，線路電壓在合格范圍;補(bǔ)償度小于0.8時(shí)，線路電壓偏高;補(bǔ)償度大于1.1時(shí)，線路電壓偏低。當(dāng)發(fā)電機(jī)容量增大到2 MVA時(shí)，補(bǔ)償度在0.8～1.2時(shí)，線路電壓在合格范圍。

而不補(bǔ)償電抗器時(shí)，發(fā)電機(jī)容量為1 MVA時(shí)，從表5可以看出，發(fā)電機(jī)只能帶10 km電纜線路，超過10 km時(shí)，線路電壓大于額定電壓的8%，不滿足電壓質(zhì)量要求。

表3 發(fā)電機(jī)容量為1 MVA時(shí)，在不同電抗器補(bǔ)償度下線路電壓 kV

表4 發(fā)電機(jī)容量為2 MVA時(shí)，在不同電抗器補(bǔ)償度下線路電壓 kV

表5 發(fā)電機(jī)容量為1 MVA、空載運(yùn)行、不補(bǔ)償電抗器時(shí)的線路電壓 kV

2.2 貫通線路帶負(fù)載運(yùn)行情況仿真計(jì)算

由于負(fù)荷點(diǎn)較多，為便于計(jì)算，將負(fù)載分成5個(gè)集中負(fù)載進(jìn)行仿真計(jì)算，0.2 s合上線路，仿真結(jié)果:發(fā)電機(jī)容量1 MVA，負(fù)荷率100%，功率因數(shù)為1時(shí)，電壓在合格范圍，功率因數(shù)為0.85、0.9時(shí)，線路電壓較低，見表6;負(fù)荷率70%時(shí)，功率因數(shù)為0.85、0.9、0.95時(shí)，電壓在合格范圍，功率因數(shù)為1時(shí)，線路電壓較高，見表7。

表6 發(fā)電機(jī)容量1 MVA、負(fù)荷率100%、不同功率因數(shù)下線路電壓分布 kV

表7 發(fā)電機(jī)容量1 MVA、負(fù)荷率70%、不同功率因數(shù)下線路電壓分布 kV

表8表明發(fā)電機(jī)容量1 MVA時(shí)，不能穩(wěn)定運(yùn)行(圖2)。表9表明發(fā)電機(jī)容量1.25 MVA，電壓在合格范圍，發(fā)電機(jī)處于進(jìn)相運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)負(fù)荷率100%時(shí)，發(fā)電機(jī)不能夠穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)負(fù)荷率70%發(fā)電機(jī)可以穩(wěn)定運(yùn)行。負(fù)荷率70%時(shí)，功率因數(shù)為0.85時(shí)，發(fā)電機(jī)額定有功功率與負(fù)荷有功功率之比為1 000/538.5=1.86。負(fù)荷率70%時(shí)，功率因數(shù)為0.9時(shí)，發(fā)電機(jī)額定有功功率與負(fù)荷有功功率之比為1 000/570.15=1.75。

表10表明發(fā)電機(jī)容量1.5 MVA，電壓在合格范圍，發(fā)電機(jī)處于進(jìn)相運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)負(fù)荷率100%時(shí)，發(fā)電機(jī)不能夠穩(wěn)定運(yùn)行，此時(shí)發(fā)電機(jī)額定有功功率與負(fù)荷有功功率之比為1.5/(1.25×0.905)=1.33。表11表明發(fā)電機(jī)容量2 MVA，電壓在合格范圍，發(fā)電機(jī)處于進(jìn)相運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)負(fù)荷率70%時(shí)，發(fā)電機(jī)額定有功功率與負(fù)荷有功功率之比大于1.58時(shí)，可以穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 發(fā)電機(jī)容量1 MVA，負(fù)荷率70%時(shí)，功率因數(shù)為0.85時(shí)，0.1 s合上78.3 km電纜線路，貫通線相電壓有效值

表8 發(fā)電機(jī)容量1 MVA，電壓在合格范圍，發(fā)電機(jī)電壓、電流、功率

表9 發(fā)電機(jī)容量1.25 MVA，電壓在合格范圍，發(fā)電機(jī)電壓、電流、功率

表10 發(fā)電機(jī)容量1.5 MVA，電壓在合格范圍，發(fā)電機(jī)電壓、電流、功率

表11 發(fā)電機(jī)容量2 MVA，電壓在合格范圍，發(fā)電機(jī)電壓、電流、功率(并聯(lián)電抗器補(bǔ)償度0.9)

3 結(jié)論

(1)負(fù)載低于等于70%(633 kVA)時(shí)，增加電抗器補(bǔ)償，柴油發(fā)電機(jī)可以帶電纜通線78.3 km運(yùn)行;而不補(bǔ)償電抗器時(shí)，發(fā)電機(jī)可以帶10 km電纜線路運(yùn)行。

(2)發(fā)電機(jī)容量選擇應(yīng)有一定余量，發(fā)電機(jī)額定有功容量與負(fù)荷有功功率之比需要大于1.58。

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