李 國,吳命利,苑玉超

(1.北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,北京 100044;2.中鐵電氣化局集團有限公司,北京 100036)

津秦客運專線電纜貫通線電容電流補償效果分析與測試

李 國1,吳命利1,苑玉超2

(1.北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,北京 100044;2.中鐵電氣化局集團有限公司,北京 100036)

津秦客運專線10 kV供配電系統(tǒng)采用全電纜電力貫通線路,電纜線路中的電容電流會使貫通線末端電壓升高并產(chǎn)生過量容性無功,通過分析、仿真和測試,對津秦客運專線的電容電流補償方案進行驗證,全電纜供配電系統(tǒng)系統(tǒng)中性點采用經(jīng)過小電阻接地方式,采用沿線設(shè)置固定電抗器補償和變、配電所內(nèi)分組投切電抗器補償相結(jié)合的容性電流補償方法,再加上有載調(diào)壓器的配合,可使供電電壓水平和功率因數(shù)達到設(shè)計要求,獲得良好供電指標(biāo)。

客運專線;貫通線;電容電流;調(diào)壓器;電抗器

1 全電纜貫通線電容電流問題

電力貫通線可以采用架空線路,也可采用電纜線路。由于電纜具有受環(huán)境影響小、不占地面空間、不暴露目標(biāo)、安全性好、可靠性高等一系列的優(yōu)點,在鐵路電力貫通線中的比例不斷上升[1]。我國近年新建的高速鐵路普遍采用了全電纜電力貫通線。

雖然電纜線路與架空線路相比有很多優(yōu)點,但其分布電容較大,在系統(tǒng)正常運行或故障時,會有較大的電容電流流過。這又給全電纜貫通線路帶來了一系列必須解決的問題。(1)架空線路貫通線一般采用中性點不接地系統(tǒng),如果全電纜系統(tǒng)也采用此方式會導(dǎo)致發(fā)生單相接地故障時電流過大,電弧有可能不會自行熄滅,容易造成故障擴大化[2]。(2)由于容升效應(yīng),長距離的空載或輕載電纜線路會導(dǎo)致末端電壓升高[3],甚至超出允許范圍:《鐵路電力設(shè)計規(guī)范》(TB10008—2006)規(guī)定:正常運行條件下,10 kV線路自供變壓器二次側(cè)出口至線路末端變壓器一次側(cè)入口的允許電壓偏差值不得大于線路額定電壓的±5%[4]。(3)由于電容電流過大,沿線負荷相對較小,造成系統(tǒng)無功過剩,變、配電所的功率因數(shù)降低,達不到電力部門要求0.9以上的規(guī)定,會使鐵路部門面臨電費罰款。因此,對電容電流的合理有效補償是電纜貫通線安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。結(jié)合新建天津至秦皇島鐵路客運專線,討論采用全電纜貫通線的鐵路供配電系統(tǒng)電容電流補償問題。

2 津秦客運專線電力供配電系統(tǒng)

2.1 供配電系統(tǒng)概況

津秦客運專線起自天津站終到秦皇島,全長261.3 km,全線新建2條10 kV電力貫通線路,10 kV電力貫通線采用單芯電纜(電纜型號為YJY62-8.7/10 kV、1×70 mm2)。沿途設(shè)天津、濱海、濱海北、唐山、灤河、北戴河、秦皇島等7座變、配電所。選取濱海北至唐山供電區(qū)段為研究對象。濱海北配電所與唐山變電所相距53.735 km,沿線共設(shè)置22臺箱變,并在距濱海北13.670 km、27.570 km、41.211 km處設(shè)置3座中繼站,在中繼站安置并聯(lián)電抗器,如圖1所示。

圖1 津秦客運專線部分供配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 中性點接地方式

電纜的使用顯著增加了供配電系統(tǒng)對地的電容電流[5]。當(dāng)發(fā)生單相接地故障時,由于故障點的接地電容電流大,故障點的接地電弧不能自行熄滅,而且間歇電弧接地產(chǎn)生的過電壓往往又使事故擴大,降低了貫通線的運行可靠性,所以中性點不接地方式不再符合要求(文獻[6]～[8]對中性點接地方式進行了詳細討論,得出10 kV貫通線全電纜線路中性點宜采用低電阻接地)。津秦客運專線采用經(jīng)小電阻接地方式, 10/10 kV調(diào)壓器采用Dyn接線方式,在調(diào)壓器副邊引出中性點,經(jīng)10Ω電阻接地。

2.3 末端電壓計算

電纜電壓按分布參數(shù)計算,計算模型如圖2所示,滿足在正弦交流工作下均勻傳輸線的傳輸參數(shù)方程

式中 R0——單位長度電阻,Ω/km;

L0——單位長度電感,H/km;

C0——單位長度電容,F/km;

G0——單位長度電導(dǎo),S/km。

圖2 電纜的分布參數(shù)模型

根據(jù)《電線電纜手冊》[9]的計算方法得出津秦客運專線電纜參數(shù)R0=0.268 Ω/km,L0=0.576 5 mH/ km,C0=0.218 4 μF/km,電纜的電導(dǎo)參數(shù)可忽略不計。設(shè)電源電壓為10 kV,如不采取電容電流補償措施,計算的電纜末端電壓為10.695 kV,不滿足《鐵路電力設(shè)計規(guī)范》的要求。

3 解決方案探討

3.1 設(shè)置調(diào)壓器調(diào)節(jié)電壓

通過調(diào)壓器調(diào)壓實際上就是根據(jù)調(diào)壓需要,適當(dāng)選擇調(diào)壓器的分接頭,從而升高或降低變壓器次級繞組的電壓。無載調(diào)壓變壓器只能在停電情況下人為改變分接頭,不能根據(jù)線路實時情況實現(xiàn)動態(tài)調(diào)壓。有載調(diào)壓器不僅可以在不中斷供電情況下改變分接頭,而且調(diào)壓范圍也較大。一般如果系統(tǒng)中無功不缺乏,凡采用無載變壓器不能滿足調(diào)壓要求的場合,諸如由長線路供電、負荷變動很大、系統(tǒng)間聯(lián)絡(luò)線兩端的變壓器以及某些發(fā)電廠的變壓器用有載調(diào)壓器后,都可滿足調(diào)壓要求。為了使全電纜電力貫通線符合供電區(qū)間的電壓要求,10 kV鐵路變、配電所內(nèi)設(shè)有專用的10/10 kV有載調(diào)壓器,經(jīng)過調(diào)壓器調(diào)壓后向貫通線供電[10,11]。

對濱海北至唐山供電區(qū)段的電纜進行PSCAD仿真,結(jié)果見表1。貫通線由唐山向濱海北方向供電,母線電壓為10 kV保持不變。調(diào)壓器型號為SCZ10-800/10,短路電壓為6.03%。U1、U2、U3、U4和U5依次為唐山所、6號、5號、4號中繼站、濱海北所處的電纜電壓。

表1 電纜空載時通過調(diào)壓器調(diào)節(jié)的電壓分布及進線功率因數(shù)

由表1可見,通過調(diào)壓器的調(diào)整,雖然電壓偏差可以達到不超出±5%的限值,但是無功功率并沒有得到補償,功率因數(shù)不隨調(diào)壓器變比的變化有所升高。所以還要通過其他方法來補償容性無功功率,使功率因數(shù)符合要求。

3.2 通過電抗器進行無功補償

首先在系統(tǒng)沒有采取任何補償措施的情況下,利用PSCAD/EMTDC進行了不同負載率下的仿真,仿真結(jié)果見表2。負載以箱變?nèi)萘繛榛鶞?zhǔn),功率因數(shù)為0.85,母線電壓為10 kV保持不變。

表2 無補償措施時電壓分布及進線功率因數(shù)

由表2可知,在沒有任何無功補償措施的情況下,整個系統(tǒng)在不同的負載率下都呈現(xiàn)容性特征,而且在負載率70%以下時功率因數(shù)均達不到0.9的要求。這說明沿線電力負荷相對較小,電纜線路容性無功過剩,需要采取一定措施對容性無功進行補償。并聯(lián)電抗器運行方便、維護簡單、投資少的特點使其成為補償電纜電力貫通線的最理想補償設(shè)備。對高速鐵路10 kV供電系統(tǒng)的貫通線的無功補償主要有集中補償方式、分散補償方式和就地補償方式[12]。集中補償方式就是將無功補償裝置集中安放在變、配電所內(nèi)的一種補償;分散補償是將無功補償裝置根據(jù)實際情況分成一組或幾組安置在電力貫通線沿線的一種補償;就地補償就是把無功補償裝置安放在需要無功的用電設(shè)備附近的一種補償。

對于由電纜分布電容造成的容性無功來說,就地補償方式很難實現(xiàn)。集中補償方式和分散補償方式各有優(yōu)缺點,津秦客運專線采用集中補償方式和分散補償方式相結(jié)合的方式:(1)在首端集中配置分組投切電抗器實現(xiàn)動態(tài)控制;(2)在沿線適當(dāng)位置配置固定電抗器,實現(xiàn)電纜容性無功的分段補償,以適應(yīng)靈活供電需要。在負載率為30%時只在4號中繼站處安放375 kVar電抗器和分別在4號、5號、6號中繼站處安放125 kVar電抗器的補償效果對比如圖3所示。

圖3 電抗器在不同位置時補償效果對比

通過圖3可知,使用并聯(lián)電抗器有效地抑制了電纜末端電壓的升高,使電纜沿線電壓分布更為合理。同時,電抗器分散在多處補償可靈活適應(yīng)運行方式的變化,貫通線的雙端供電方式可以切斷故障電纜而不影響非故障處的運行,分散補償可以使在退出某段電纜時整體的補償效果不受太大影響。

4 效果驗證

對津秦客運專線唐山變電所至濱海北配電所供電系統(tǒng)補償效果進行了不同負載率下的PSCAD仿真,并在條件允許情況下進行了現(xiàn)場實測。貫通線由唐山向濱海北方向供電,在中繼站處設(shè)置容量為125 kVar的電抗器,在唐山所內(nèi)設(shè)置分組投切電抗器組,容量為36～252 kVar,分7組,每組36 kVar。實測時系統(tǒng)負載率為26%,并且測試了不同調(diào)節(jié)方式下的效果。仿真和實測結(jié)果分別見表3、表4。

表3 電纜電力貫通線調(diào)壓方案仿真結(jié)果

表4 津秦客運專線測試數(shù)據(jù)

根據(jù)表3,在不同負載率下,經(jīng)過調(diào)壓器和補償電抗器的配合均可以使供配電系統(tǒng)的電壓和功率因數(shù)滿足鐵路電力設(shè)計規(guī)范的要求。由表4可見,在負荷率為26%時,要投入375～447 kVar的電抗器才能使功率因數(shù)符合要求,其中投入375 kVar時功率因數(shù)最高。上述方法在實際運行中的應(yīng)用效果與理論和仿真的結(jié)果一致。

5 結(jié)語

(1)在鐵路10 kV全電纜供配電系統(tǒng)中,電纜的電容電流對供配電系統(tǒng)的電壓水平和功率因數(shù)影響較大,必須進行補償。

(2)系統(tǒng)中性點不接地方式不再適用,宜采用小電阻接地方式。

(3)單獨通過有載調(diào)壓器的調(diào)節(jié)可以使電壓水平符合設(shè)計規(guī)范要求,但功率因數(shù)達不到0.9以上的要求。

(4)采用在鐵路沿線不同位置安置并聯(lián)電抗器和在變、配電所內(nèi)設(shè)置分組投切電抗器相結(jié)合的補償方法,再加上調(diào)壓器的配合,不僅可以使供配電系統(tǒng)的電壓水平滿足設(shè)計規(guī)范要求,而且可以使系統(tǒng)功率因數(shù)達到0.9以上。

(5)通過對津秦客運專線濱海北至唐山區(qū)段鐵路供配電系統(tǒng)的仿真和測試,證明了工程設(shè)計方案合理,滿足供電要求。

[1] 王學(xué)明.并聯(lián)電抗器在長電纜電力貫通線電容電流補償中的應(yīng)用[J].上海鐵道科技,2010(1):122-123.

[2] 顏秋容,劉欣,王學(xué)鋒,段獻.鐵路10 kV電纜貫通線電容電流補償度研究[J].鐵道學(xué)報,2006,28(2):85-88.

[3] 劉敬.10 kV電力貫通線的電容效應(yīng)問題[J].福建電力與電工, 1995,15(2):16-17.

[4] TB10008—2006,鐵路電力設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社,2007.

[5] 陳世民,牛大鵬,馬峰超,梁孔渝.客運專線10 kV貫通線路接地方式及補償方案的研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2011(8):122-125. [6] 廖芳芳.鄭西客運專線全電纜貫通線路的研究與設(shè)計[J].鐵道工程學(xué)報,2010(4):71-75.

[7] 楊照輝.高速鐵路電力系統(tǒng)中性點接地方式探討[J].電氣化鐵道,2007(1):10-13.

[8] 孫建明.貫通線全電纜線路中性點接地方式的選擇[J].鐵道工程學(xué)報,2010(6):87-90.

[9] 王春江.電線電纜手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2002.

[10]廖宇.高速鐵路電力供電系統(tǒng)的研究[J].西南民族大學(xué)學(xué)報, 2008,34(3):560-564.

[11]項琨.淺析提高鐵路貫通線電壓質(zhì)量的措施[J].城市建設(shè)理論研究,2012(17).

[12]閆海濤.客運專線10 kV電力系統(tǒng)無功補償方式應(yīng)用探討[J].城市建設(shè)理論研究,2012(10).

Analysis and Testing on Compensation Effect of Capacitive Current of Cable Run-through Line for Tianjin-Qinhuangdao Railway Passenger-dedicated Line

LI Guo1,WU Ming-li1,YUAN Yu-chao2
(1.School of Electrical Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China; 2.China Railway Electrification Bureau Group Co.,Ltd.,Beijing 100036,China)

Electric run-through line with full cable was employed in the 10 kV power supply and distribution system of Tianjin-Qinhuangdao railway passenger-dedicated line.However,the capacitive current in the cable line may cause voltage rising at the end of the run-through line and may cause overmuch capacitive reactive power.For that reason,this paper verified the compensation scheme of capacitive current for Tianjin-Qinhuangdao railway passenger-dedicated line by means of analysis, simulation and testing.Meanwhile,the neutral point of the power supply and distribution system with full cable was earthed via the low resistance;the fixed electric reactor compensation along the railway was combined with the electric reactor compensation in the form of group switching within the substations and distribution substations,so as to do compensation of capacitive current;and all the measures were cooperated by on-load voltage regulators.It is concluded in this paper that by the use of solution measures above-mentioned,the power supply voltage level and power factors can meet design requirement,and a good power supply effect can be achieved.

railway passenger-dedicated line;power run-through line;capacitive current;voltage regulator;electric reactor

U238;U223.6

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.08.035

1004-2954(2014)08-0144-04

20131210;

20131227

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助(2012gbz006)

李 國(1988—),男,碩士研究生,E-mail:liguo1203@ 126.com。