郭紅衛(wèi)

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

鐵路電力貫通線長距離輸電補(bǔ)償方案研究

郭紅衛(wèi)

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

鐵路電力貫通線長距離輸電存在一系列問題,如在線路輕載時(shí)末端電壓升高,重載時(shí)末端電壓下降,嚴(yán)重情況下末端電壓將超出允許范圍,嚴(yán)重影響供電的可靠性和安全性,影響行車安全。對(duì)臨河至策克鐵路互做布其35kV變電所與額濟(jì)納35kV變電所間超長距離貫通線進(jìn)行分析,提出并聯(lián)電抗和串聯(lián)電容相結(jié)合的補(bǔ)償方案,建立仿真模型,分別對(duì)集中補(bǔ)償方案和分散補(bǔ)償方案的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明：提出的補(bǔ)償方案能夠很好地解決鐵路電力貫通線長距離輸電時(shí)存在的問題。

鐵路；電力貫通線；長距離輸電；補(bǔ)償裝置；仿真

1 概述

鐵路電力貫通線為鐵路沿線通信、信號(hào)及其他負(fù)荷提供電能[1-2]，其供電可靠性及電能質(zhì)量直接影響行車安全及生產(chǎn)生活[3]。在電網(wǎng)薄弱地區(qū)由于地方電源的限制，有時(shí)電力貫通線不得已采用長距離輸電，這就使其供電可靠性及電能質(zhì)量下降[4]，影響行車安全及生產(chǎn)生活。

長距離輸電在國家電網(wǎng)已有相關(guān)理論研究，文獻(xiàn)[5]提出了一種基于傳輸線理論的特高壓長距離輸電串補(bǔ)算法，文獻(xiàn)[6]提出了一種可控串補(bǔ)補(bǔ)償技術(shù)，文獻(xiàn)[7]提出了一種帶諧波補(bǔ)償繞組的變壓器式可控電抗器容性無功補(bǔ)償技術(shù)。目前長距離輸電補(bǔ)償技術(shù)在鐵路行業(yè)的理論研究較少，由于鐵路電力貫通線負(fù)荷點(diǎn)多、負(fù)荷不均勻、線路構(gòu)成復(fù)雜以及要求正反向均能送電等特點(diǎn)，其補(bǔ)償方案需要進(jìn)行有針對(duì)性的研究[8]。

呼和浩特鐵路局管轄范圍內(nèi)的臨河至策克鐵路互做布其變電所(簡(jiǎn)稱“所A”)與額濟(jì)納變電所(簡(jiǎn)稱“所B”)之間的供電臂長345 km，采用35 kV架空線路供電，屬于超長距離輸電。由于供電臂太長，目前該供電臂采用中間開口分?jǐn)噙\(yùn)行方式，無法實(shí)現(xiàn)正反向相互供電。

2 長距離輸電存在的問題

長距離輸電需解決的問題主要有兩個(gè)：一是線路輕載時(shí)，由輸電線路分布電容引起的電壓上翹，使輸電線路整體電壓水平偏高，嚴(yán)重時(shí)超過最高電壓允許值；二是線路重載時(shí)，由線路阻抗引起的末端電壓下降，使輸電線路整體電壓水平偏低，不滿足運(yùn)行要求[9]。

輕載時(shí)由于線路分布電容的影響[10-11]，輸電線路的電壓被抬升。分布電容引起的電壓升可由下式計(jì)算

式中，Δu%為負(fù)荷引起的電壓升；B為線路每千米電納，S；Un為標(biāo)稱線電壓，kV；Z為線路每千米阻抗值，Ω；L為線路長度，km。

其中單回路線路每千米電納B可由下式計(jì)算

式中，Dcp為導(dǎo)線間的幾何均距；r為導(dǎo)線的外半徑，cm。

分布電容引起的線路始端充電功率為

式中，UH為線路的額定線電壓，V。

重載時(shí)由于線路阻抗的影響，輸電線路的電壓被拉低。負(fù)荷引起的電壓降可由下式計(jì)算

式中,Δu%為負(fù)荷引起的電壓降；Un為標(biāo)稱線電壓，kV；R0為線路每千米電阻值，Ω；XL為線路每千米電抗值，Ω；Pi為有功負(fù)荷，kW；Li為線路長度，km。

3 仿真模型的建立

利用Matlab中的Simulink模塊搭建仿真模型。電源模塊選用3-Phase-Source模塊，Yg接法，參數(shù)設(shè)置如下：電壓等級(jí)35 kV，頻率50 Hz，短路容量100MVA。負(fù)荷模塊選用3-Phase-Parallel-RLC-Load，負(fù)荷分散且無規(guī)律，應(yīng)分別對(duì)有功和無功進(jìn)行設(shè)置[12]。配電線路模塊選用Distributed-Parameters-Line模塊，架空線路桿頂組裝為上字形，無地線，平均線間距為3.018 m，故取幾何均距為3 m。線路電阻可由式(5)計(jì)算，R=0.33 Ω/km，電抗可由式(7)計(jì)算，Xl=0.397 Ω/km，線路電納可由式(2)計(jì)算，B=2.87 S/km×10-6。計(jì)算得該段線路總電阻為113.85 Ω，總電感為0.436 H，總電容為3.153 μF。

式中，Rθ為導(dǎo)體實(shí)際工作溫度時(shí)的交流電阻值；Kjf為集膚效應(yīng)系數(shù)；Klj為臨近效應(yīng)系數(shù)；ρθ為導(dǎo)體溫度為θ時(shí)的電阻率，10-6Ω·cm；cj為絞入系數(shù)；L為線路長度，m；S為導(dǎo)線截面，mm2；ρ20為導(dǎo)線溫度為20 ℃時(shí)的電阻率；a為電阻溫度系數(shù)。

單個(gè)負(fù)荷點(diǎn)仿真基本拓?fù)淠Ｐ腿鐖D1所示。

圖1 單負(fù)荷點(diǎn)仿真模型

由于負(fù)載功率變化范圍較大，采用恒功率模型，對(duì)不同功率情況下的運(yùn)行情況分別進(jìn)行仿真，比采用恒阻抗模型更接近實(shí)際情況。逐一設(shè)定各負(fù)荷點(diǎn)，分別對(duì)每個(gè)負(fù)荷點(diǎn)的功率進(jìn)行設(shè)置，組成供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，如圖2所示。正向供電時(shí)由Es1供電，Es2不接入；反向供電時(shí)由Es2供電，Es1不接入。圖中Z為線路參數(shù)，P為負(fù)載功率。

圖2 供電網(wǎng)絡(luò)理論拓?fù)鋱D

實(shí)際上由于負(fù)荷點(diǎn)沿線路分布很多，而且沒有規(guī)律，為了便于模型的建立，對(duì)沿線負(fù)荷進(jìn)行合理的歸并。歸并后負(fù)荷分布如表1所示。

表1 沿線負(fù)荷分布

由表1可繪制出沿線供電負(fù)荷曲線，如圖3所示。

圖3 供電負(fù)荷曲線

4 不帶補(bǔ)償時(shí)的情況

4.1 不帶補(bǔ)償時(shí)實(shí)際采集數(shù)據(jù)

在中間分?jǐn)嚅_關(guān)不閉合的情況下，測(cè)得的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)見表2，可以看出，在不閉合中間分段開關(guān)的情況下供電電壓基本滿足要求；但是在這種情況下無法實(shí)現(xiàn)互供，另外，因?yàn)槿菪詿o功的影響使得系統(tǒng)的功率因數(shù)很低。另外，首端、末端是相對(duì)的，由哪端的電源供電，該端即為首端。

表2 所A至所B不帶補(bǔ)償時(shí)不閉合中間分?jǐn)嚅_關(guān)實(shí)際采集數(shù)據(jù)

運(yùn)營單位將該段線路中間分?jǐn)嚅_關(guān)閉合后，在不帶補(bǔ)償?shù)那闆r下進(jìn)行過測(cè)試，測(cè)得線路整體上運(yùn)行于高電壓狀態(tài)，超過允許值，為防止發(fā)生事故隨即斷開分段開關(guān)，恢復(fù)分?jǐn)噙\(yùn)行模式。測(cè)得的數(shù)據(jù)見表3。

表3 所A至所B不帶補(bǔ)償時(shí)閉合中間分?jǐn)嚅_關(guān)實(shí)際采集數(shù)據(jù)

4.2 不帶補(bǔ)償時(shí)仿真計(jì)算

中間分?jǐn)嚅_關(guān)閉合后，對(duì)電壓上升最為嚴(yán)重的空載情況進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不帶補(bǔ)償時(shí)沿線電壓分布情況

從圖4(a)可以看出，由于分布電容的影響，貫通后空載時(shí)電壓整體運(yùn)行在較高水平，正向供電時(shí)首端電壓被抬升到39.21 kV，最高電壓出現(xiàn)在末端，為42.09 kV；反向供電時(shí)首端電壓被抬升到36.58 kV，最高電壓也出現(xiàn)在末端，為39.11 kV。正反向供電時(shí)電壓分布的差別主要由電源線路的長度，變壓器的短路阻抗等因素造成。

對(duì)電壓下降最為嚴(yán)重的滿載情況進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖4(b)所示。從圖可以看出，由于線路阻抗的影響，貫通后滿載時(shí)電壓整體運(yùn)行在較低水平，正向供電時(shí)首端電壓被拉低到33.95 kV，最低電壓出現(xiàn)在末端，為32.06 kV；反向供電時(shí)首端電壓被拉低到34.85 kV，最低電壓也出現(xiàn)在末端，為31.88 kV。

對(duì)不同負(fù)載率的情況分別進(jìn)行仿真計(jì)算，得出了不同負(fù)載率下首端、末端、最高以及最低電壓。圖5(a)為正向供電時(shí)的情況，圖5(b)為反向供電時(shí)的情況。

圖5 不帶補(bǔ)償不同負(fù)載率情況下電壓分布情況

由圖5可以看出，輕載時(shí)最高電壓與末端電壓相同，隨著負(fù)載的增加，最高電壓逐步接近首端電壓；末端電壓變化幅度較大，在42.09～31.88 kV之間波動(dòng)；由于負(fù)荷分布的不均勻性，供電方向的變化會(huì)影響線路的電壓水平。

主要有以下幾個(gè)影響因素：(1)線路越長，對(duì)整個(gè)線路的電壓水平影響越大；(2)變壓器短路阻抗越大，對(duì)線路電壓水平影響越大；(3)負(fù)荷大小及其安裝地點(diǎn)對(duì)電壓水平影響較大；(4)實(shí)際負(fù)載率約為17%，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致。

由以上數(shù)據(jù)可以看出，電壓波動(dòng)嚴(yán)重超出了允許范圍，會(huì)給用電設(shè)備帶來極大的危害，因此需要采取補(bǔ)償措施將電壓波動(dòng)限制在允許范圍內(nèi)。

5 補(bǔ)償方案

5.1 補(bǔ)償方案的選擇

為滿足相鄰兩所正反向相互供電的要求，同時(shí)采用并聯(lián)電抗和串聯(lián)電容相補(bǔ)償?shù)姆桨浮２捎貌⒙?lián)電抗補(bǔ)償線路分布電容的影響；采用串聯(lián)電容補(bǔ)償長距離輸電的線路電感的影響[13-14]。

并聯(lián)電抗可以限制接入點(diǎn)的電壓值，相當(dāng)于增大了等效波阻抗。其原理可以用圖6來說明。

圖6 并聯(lián)電抗電壓分布

受電端的電壓由下式?jīng)Q定

并聯(lián)電抗的容量可采用下式計(jì)算

式中,QL為需要補(bǔ)償?shù)碾娍谷萘浚琸Var；k為補(bǔ)償度；C為線路每千米電容值，F(xiàn)；U為線路電壓等級(jí)，kV；L為線路長度，單位km；B為線路每千米電納，S。

串聯(lián)補(bǔ)償?shù)闹饕饔檬怯么?lián)電容來抵消部分線路電抗，這就在一定的功率傳送水平下減小了傳輸角、增大了等效自然功率[15]。原理如圖7所示。

圖7 串聯(lián)電容等效原理

最大傳輸功率可由下式求得

串聯(lián)電容的大小可采用下式計(jì)算

式中,C為需要補(bǔ)償?shù)碾娙葜?，F(xiàn)；k為補(bǔ)償度；XL為線路每千米感抗值，Ω；L為線路長度，km。

實(shí)踐中串聯(lián)補(bǔ)償度的上限約為0.8，若取為1.0則存在一系列問題：(1)線路有效電抗將是零，因此兩端同步發(fā)電機(jī)的相對(duì)轉(zhuǎn)子角的極微小變化都會(huì)導(dǎo)致很大的電流；(2)電路在工頻時(shí)可能發(fā)生串聯(lián)諧振；(3)當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生干擾時(shí)，很難控制暫態(tài)電壓和電流。

5.2 集中補(bǔ)償有效性驗(yàn)證

在線路中間位置增加補(bǔ)償裝置，供電示意見圖8。

圖8 集中補(bǔ)償方案示意

補(bǔ)償度取0.8，并聯(lián)電抗容量為1 000 kVar，串聯(lián)電容補(bǔ)償容量為29.065 μF。

增加集中補(bǔ)償裝置后，對(duì)線路空載情況進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果如圖9(a)所示。從圖中可以看出，由于并聯(lián)電抗的影響，在補(bǔ)償裝置接入點(diǎn)有感性無功注入到系統(tǒng)中，抵消掉了部分容性無功，使得接入點(diǎn)的電壓明顯被拉低，空載時(shí)電壓上翹的問題得到了一定的限制。

滿載時(shí)的仿真結(jié)果如圖9(b)所示。從圖中可以看出，滿載時(shí)由于線路負(fù)荷較大，長距離輸電的主要問題是電壓下降得很厲害，在補(bǔ)償裝置接入點(diǎn)，由于串聯(lián)電容的作用，相當(dāng)于在線路中增加了一個(gè)負(fù)阻抗，使得接入點(diǎn)之后的電壓得到了明顯的提升，滿載時(shí)電壓下降的問題得到了一定的限制。

增加補(bǔ)償裝置后，得出不同負(fù)載率下首端、末端、最高以及最低電壓。圖10(a)為正向供電時(shí)的情況，圖10(b)為反向供電時(shí)的情況。

圖9 集中補(bǔ)償沿線電壓分布情況

圖10 集中補(bǔ)償不同負(fù)載率情況下電壓情況

由結(jié)果可以看出，增加集中補(bǔ)償裝置后最高電壓變化范圍為37.9～33.1 kV，最低電壓變化范圍為37～33 kV，輕載時(shí)的電壓上升和重載時(shí)的電壓下降都被限制在一定范圍內(nèi)，電壓穩(wěn)定性得以極大改善。但是空載時(shí)的最高電壓和滿載時(shí)的最低電壓仍然超出了±5%的允許范圍。

5.3 分散補(bǔ)償有效性驗(yàn)證

集中補(bǔ)償方案雖然起到了一定的作用，但是仍然不能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，為此提出分散補(bǔ)償方案。

考慮到補(bǔ)償效果以及實(shí)際運(yùn)營維護(hù)的需要，分別在線路兩端及中間位置增加補(bǔ)償裝置，供電示意見圖11。

圖11 分散補(bǔ)償方案示意

增加分散補(bǔ)償裝置后，線路空載情況仿真結(jié)果如圖12(a)所示，線路滿載情況計(jì)算結(jié)果如圖12(b)所示。

圖12 分散補(bǔ)償沿線電壓分布情況

增加分散補(bǔ)償裝置后，得出不同負(fù)載率下首端、末端、最高以及最低電壓。圖13(a)為正向供電時(shí)的情況，圖13(b)為反向供電時(shí)的情況。

圖13 分散補(bǔ)償不同負(fù)載率下電壓情況

由計(jì)算結(jié)果可以看出，由于分散補(bǔ)償裝置的影響，最高、最低電壓并不完全和首末端電壓重合。增加分散補(bǔ)償裝置后最高電壓變化范圍為35～36.7 kV，最低電壓變化范圍為37～33 kV。

增加集中補(bǔ)償裝置后最高電壓變化范圍為37.9～33.1 kV，最低電壓變化范圍為33.2～34.9 kV。

5.4 補(bǔ)償效果分析

無補(bǔ)償、集中補(bǔ)償、分散補(bǔ)償最終補(bǔ)償效果見表4。由結(jié)果可以看出，分散補(bǔ)償方案能將電壓限制在允許范圍內(nèi)，較集中補(bǔ)償方案效果好。

表4 補(bǔ)償效果分析

6 結(jié)論

本文分析了鐵路電力貫通線長距離輸電存在的問題，提出了串聯(lián)電容和并聯(lián)電抗相結(jié)合的補(bǔ)償方案，并結(jié)合臨河至策克鐵路實(shí)際運(yùn)行情況建立了仿真模型，通過對(duì)無補(bǔ)償時(shí)仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)量數(shù)值的對(duì)比，驗(yàn)證了仿真模型的正確性與合理性。在此基礎(chǔ)上分別對(duì)該段線路增加集中補(bǔ)償裝置和分散補(bǔ)償裝置進(jìn)行了計(jì)算驗(yàn)證，得出了不同負(fù)載率情況下線路最高、最低電壓值及首末端電壓值。結(jié)果表明，本文所采取的補(bǔ)償措施能夠滿足對(duì)電能質(zhì)量的要求。

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Research on Long-distance Transmission Compensation Scheme for High-voltage Power Line along the Railway

GUO Hong-wei

(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd., Xi’an 710043, China)

There are a series of problems in the long-distance transmission of power transmission lines. For example, the terminal voltage increases when the load is low, while the terminal voltage drops when the load is high. This seriously affects the reliability and security of the power supply and traffic safety. This paper analyzes the super long-distance high-voltage power line along the railway of Linhe-Ceke between Huzuobuqi 35kV transformer substation and Ejina 35kV transformer substation and proposes a compensation scheme combining the parallel reactance and the series capacitor. A simulation model is established to verify respectively the effectiveness of the centralized compensation scheme and the decentralized compensation scheme. The results show that the compensation scheme proposed in this paper can better solve the problem of long-distance transmission.

Railway; High-voltage power line along the railway; Long-distance transmission; Compensating device; Simulation

1004-2954(2018)01-0133-05

2017-03-24；

2017-04-19

郭紅衛(wèi)(1986—)，男，工程師，2011年畢業(yè)于北京交通大學(xué)，工學(xué)碩士，從事鐵路電力供配電系統(tǒng)研究，E-mail：ghw1232005@foxmail.com。

U223.6

A

10.13238/j.issn.1004-2954.201703240002