周介圭

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,天津 300308)

1 工程概況

雅加達(dá)至萬隆高速鐵路連接印尼首都雅加達(dá)和西爪哇省省會萬隆，雅萬高鐵正線長度142.3 km。全線共設(shè)置車站4座，分別為哈利姆(Halim)、加拉璜(Karawang)、瓦里尼(Walini)、德卡魯爾(Tegal Luar)站。按照中國高速鐵路350 km/h標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)[1-3]。

根據(jù)印尼當(dāng)?shù)嘏潆婋妷旱燃壱约把湃f高鐵項(xiàng)目的特點(diǎn)，本項(xiàng)目在Halim站、Karawang站、Walini站及Tegal Luar動車段各設(shè)置一座20 kV雙電源配電所，全線新建20 kV綜合負(fù)荷貫通線和20 kV一級負(fù)荷貫通線各1條。在區(qū)間負(fù)荷集中點(diǎn)設(shè)置20/0.4 kV變電所，兩路電源接引自20 kV綜合電力貫通線及20 kV一級負(fù)荷貫通線[4]。

國內(nèi)鐵路對10 kV貫通線路的無功補(bǔ)償設(shè)計(jì)及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)較為豐富[5-12]，只有很少量的工程采用20 kV等級。在印尼，20 kV應(yīng)用較為普遍，因此結(jié)合該項(xiàng)目研究20 kV全電纜電力貫通線路無功補(bǔ)償方案和計(jì)算，對國內(nèi)未來發(fā)展趨勢以及“走出去”戰(zhàn)略，具有一定的普遍意義。本文將以Karawang配電所至Walini配電所間綜合負(fù)荷貫通線為例進(jìn)行研究[13-21]。

2 數(shù)學(xué)模型及補(bǔ)償方案

2.1 雅萬高鐵20 kV全電纜電力貫通線數(shù)學(xué)模型

雅萬高鐵Karawang配電所至Walini配電所間貫通線路長度為55.5 km，為區(qū)間23處負(fù)荷點(diǎn)提供20 kV電源。20 kV電力貫通線均采用YJV62-18/30 kV 3×(1×35 mm2)電纜。以區(qū)間變壓器容量為基準(zhǔn)，建立數(shù)學(xué)模型，功率因數(shù)均設(shè)為0.8。該段全電纜綜合負(fù)荷貫通線負(fù)荷模型如圖1所示。

圖1 雅萬高鐵20 kV全電纜貫通線負(fù)荷模型

采用π形等值電路模型對雅萬高鐵20 kV全電纜貫通線進(jìn)行建模，本區(qū)間共24處節(jié)點(diǎn)將線路分為23段，貫通線π形等值電路如圖2所示。

圖2 雅萬高鐵全電纜π形等值電路

第m段線路串聯(lián)支路末端的功率為

(1)

串聯(lián)支路中的功率損耗為

(2)

第m段線路串聯(lián)支路始端的功率為

(3)

以第m+1節(jié)點(diǎn)電壓為參考相量，可得第m段線路始端電壓為

(4)

第m段線路始端并聯(lián)支路功率為

(5)

第m段線路始端功率為

(6)

2.2 20 kV全電纜電力貫通線充電功率計(jì)算

雅萬高鐵20 kV電力貫通線電纜均采用YJV62-18/30 kV 3×(1×35 mm2)，根據(jù)某廠家電纜手冊可查該型號電纜參數(shù)如表1所示。

表1 雅萬高鐵20 kV電力貫通線電纜參數(shù)

在鐵路電力供電系統(tǒng)中，采用以下公式計(jì)算電力電纜的充電功率

(7)

(8)

式中，Qc為線路總充電功率；Ic為線路每千米充電電流；UN為線路額定線電壓；C為單芯電纜線路的工作電容；l為電纜線路長度。

由式(7)和式(8)計(jì)算可得，雅萬高鐵20 kV電力貫通線電纜每千米充電電流為0.435 A，每千米充電功率為15.07 kVar。

2.3 無功補(bǔ)償方案

參照國內(nèi)鐵路項(xiàng)目貫通線大都采用集中補(bǔ)償與分散補(bǔ)償相結(jié)合的方式，經(jīng)濟(jì)性較高且運(yùn)行良好。雅萬高鐵項(xiàng)目參照國內(nèi)經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)先考慮采用集中補(bǔ)償與分散補(bǔ)償相結(jié)合的方式：(1)結(jié)合沿線電力設(shè)施分布，在適當(dāng)位置分散配置相同容量的固定電抗器，為電纜線路容性無功分段提供基本補(bǔ)償；(2)在配電所內(nèi)貫通母線段集中設(shè)置磁控電抗器，實(shí)現(xiàn)電源側(cè)無功功率動態(tài)調(diào)節(jié)。

根據(jù)本文選取的綜合負(fù)荷貫通線負(fù)荷分布情況，在區(qū)間3座信號中繼站內(nèi)設(shè)置固定電抗器作為分散補(bǔ)償裝置，在線路首端設(shè)置連續(xù)可調(diào)的磁控電抗器以保證首端功率因數(shù)滿足要求。

由式(7)和式(8)可得，Karawang配電所至Walini配電所間綜合負(fù)荷貫通線電纜總充電功率為836.39 kVar?？紤]到固定補(bǔ)償容量宜為電纜總充電功率的75%，且3處固定電抗器容量相同，因此本文將每處固定電抗器容量選取為200 kVar，并驗(yàn)證其補(bǔ)償效果，具體補(bǔ)償模型如圖3所示。

圖3 雅萬高鐵20 kV全電纜貫通線補(bǔ)償模型

3 仿真分析

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的雅萬高鐵20 kV全電纜電力貫通線無功補(bǔ)償方案的補(bǔ)償效果，利用Matlab軟件建立全電纜貫通線的仿真模型，并進(jìn)行不同負(fù)載率下補(bǔ)償前后的電壓分布、功率因數(shù)和功率損耗等參數(shù)的對比分析。鐵路電力貫通線供電系統(tǒng)屬于典型的開式網(wǎng)絡(luò)，因此本文采用前推回代法對電力貫通線進(jìn)行潮流計(jì)算。

3.1 建立仿真模型

根據(jù)雅萬高鐵全電纜π形等值電路及貫通線補(bǔ)償模型，建立潮流計(jì)算仿真模型。如圖3所示，線路首端設(shè)置可調(diào)電抗器，節(jié)點(diǎn)6、節(jié)點(diǎn)12和節(jié)點(diǎn)18設(shè)置200 kVar的固定容量電抗器，線路首端設(shè)置連續(xù)可調(diào)的磁控電抗器。

3.2 補(bǔ)償效果仿真

在各負(fù)荷率下對不補(bǔ)償?shù)那闆r進(jìn)行仿真，選取首端功率因數(shù)、末端電壓、首端無功功率以及全線網(wǎng)損4個關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析，仿真結(jié)果如表2所示。

由表2可以得到以下結(jié)論：(1)在全負(fù)載率下，電力貫通線呈容性，需要通過加裝電抗器進(jìn)行無功功率補(bǔ)償；(2)末端電壓在全負(fù)荷率下均能滿足規(guī)范要求的±7%的電壓偏差；(3)在空載及輕載時(shí)，首端容性無功功率較大，且全線網(wǎng)損較大，若僅在首端進(jìn)行集中補(bǔ)償，所需電抗器容量較大，受保護(hù)配合限制，將會增大調(diào)壓器容量，且無法降低貫通線路網(wǎng)損。

表2 不同負(fù)荷率下不補(bǔ)償情況仿真結(jié)果

由上述分析可知，20 kV電力貫通線采用的集中補(bǔ)償與分散補(bǔ)償相結(jié)合的方式是合理的。下面將通過在不同負(fù)荷率下調(diào)整區(qū)間固定電抗器投切狀態(tài)保證線路損耗最低，通過調(diào)節(jié)集中補(bǔ)償電抗器補(bǔ)償容量保證首端無功功率呈感性且功率因數(shù)達(dá)標(biāo)。同時(shí)所有工況下需保證各節(jié)點(diǎn)電壓滿足要求。

首先，對區(qū)間固定電抗器的投切方案進(jìn)行分析。通過仿真參數(shù)分析不同負(fù)荷率下節(jié)點(diǎn)6、節(jié)點(diǎn)12和節(jié)點(diǎn)18分散補(bǔ)償電抗器的投切狀態(tài)。不同負(fù)荷率及分散補(bǔ)償容量下線路損耗的仿真結(jié)果如表3所示。由表3可得，負(fù)荷率0%～30%工況下分散補(bǔ)償總?cè)萘繛?00 kVar時(shí)，線路損耗最低；負(fù)荷率40%～60%工況下分散補(bǔ)償總?cè)萘繛?00 kVar時(shí)，線路損耗最低；負(fù)荷率70%～100%工況下分散補(bǔ)償總?cè)萘繛?00 kVar時(shí)，線路損耗最低。

表3 不同負(fù)荷率及分散補(bǔ)償容量下線路損耗

結(jié)合仿真結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行需求，負(fù)荷率≤30%時(shí)，采用投入節(jié)點(diǎn)6、12、18三組固定電抗器；30%<負(fù)荷率≤60%時(shí)，采用投入節(jié)點(diǎn)12、18兩組固定電抗器；負(fù)荷率>60%時(shí)，采用投入節(jié)點(diǎn)12一組固定電抗器。

根據(jù)仿真可得在區(qū)間固定電抗器在上述運(yùn)行方案下，不同負(fù)荷率下補(bǔ)償前后的線路損耗對比如圖4所示。由圖4可得，采用本文設(shè)計(jì)的補(bǔ)償方案在全負(fù)載率范圍內(nèi)均可降低線路損耗。

圖4 雅萬20 kV全電纜貫通線補(bǔ)償前后線路損耗對比

在上述區(qū)間電抗器補(bǔ)償方案的基礎(chǔ)上，不同負(fù)荷率下補(bǔ)償前后的首端無功功率如表4所示。由表4仿真結(jié)果可知，在區(qū)間電抗器的投入有效減小了首端容性無功功率，即可減小首端集中補(bǔ)償電抗器的容量。在負(fù)荷率為100%時(shí)，區(qū)間電抗器補(bǔ)償后首端無功功率為感性，無需再投入首端電抗器進(jìn)行補(bǔ)償。

表4 不同負(fù)荷率下補(bǔ)償前后首端無功功率與末端電壓

此外，由表4可得，補(bǔ)償后100%負(fù)載率下電壓偏差最大為3%，即本補(bǔ)償方案可保證全負(fù)載范圍內(nèi)電壓滿足規(guī)范偏差小于±7%的要求。

綜上所述，采用本文設(shè)計(jì)的補(bǔ)償方案，結(jié)合遠(yuǎn)動系統(tǒng)對補(bǔ)償設(shè)備的控制，可有效降低雅萬高鐵20 kV全電纜貫通線在全負(fù)荷率范圍內(nèi)的線路損耗，改善首端功率因數(shù)，同時(shí)保證末端電壓偏差滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語

研究表明，在貫通線首端安裝可調(diào)電抗器，同時(shí)沿線安裝固定等容量電抗器的補(bǔ)償方案，當(dāng)沿線電抗器可遠(yuǎn)程投切，集中補(bǔ)償可調(diào)時(shí)，按負(fù)載率及時(shí)調(diào)節(jié)，在全負(fù)荷率范圍內(nèi)均可降低線路損耗、改善首端功率因數(shù)、保證末端電壓質(zhì)量，補(bǔ)償方案是有效和可行的。