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(tuán)有限公司,北京 100036)

津秦客運(yùn)專線電纜貫通線電容電流補(bǔ)償效果分析與測(cè)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(tuán)有限公司,北京 100036)

津秦客運(yùn)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(huì)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(cè)試,對(duì)津秦客運(yùn)專線的電容電流補(bǔ)償方案進(jìn)行驗(yàn)證,全電纜供配電系統(tǒng)系統(tǒng)中性點(diǎn)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(bǔ)償和變、配電所內(nèi)分組投切電抗器補(bǔ)償相結(jié)合的容性電流補(bǔ)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(dá)到設(shè)計(jì)要求,獲得良好供電指標(biāo)。

客運(yùn)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(diǎn),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(diǎn),但其分布電容較大,在系統(tǒng)正常運(yùn)行或故障時(shí),會(huì)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(diǎn)不接地系統(tǒng),如果全電纜系統(tǒng)也采用此方式會(huì)導(dǎo)致發(fā)生單相接地故障時(shí)電流過大,電弧有可能不會(huì)自行熄滅,容易造成故障擴(kuò)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(huì)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(jì)規(guī)范》(TB10008—2006)規(guī)定:正常運(yùn)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(fù)荷相對(duì)較小,造成系統(tǒng)無功過剩,變、配電所的功率因數(shù)降低,達(dá)不到電力部門要求0.9以上的規(guī)定,會(huì)使鐵路部門面臨電費(fèi)罰款。因此,對(duì)電容電流的合理有效補(bǔ)償是電纜貫通線安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。結(jié)合新建天津至秦皇島鐵路客運(yùn)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(bǔ)償問題。

2 津秦客運(yùn)專線電力供配電系統(tǒng)

2.1 供配電系統(tǒng)概況

津秦客運(yùn)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(hào)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(duì)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(tái)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(yùn)專線部分供配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 中性點(diǎn)接地方式

電纜的使用顯著增加了供配電系統(tǒng)對(duì)地的電容電流[5]。當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí),由于故障點(diǎn)的接地電容電流大,故障點(diǎn)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(kuò)大,降低了貫通線的運(yùn)行可靠性,所以中性點(diǎn)不接地方式不再符合要求(文獻(xiàn)[6]～[8]對(duì)中性點(diǎn)接地方式進(jìn)行了詳細(xì)討論,得出10 kV貫通線全電纜線路中性點(diǎn)宜采用低電阻接地)。津秦客運(yùn)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(diǎn),經(jīng)10Ω電阻接地。

2.3 末端電壓計(jì)算

電纜電壓按分布參數(shù)計(jì)算,計(jì)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(cè)》[9]的計(jì)算方法得出津秦客運(yùn)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(jì)。設(shè)電源電壓為10 kV,如不采取電容電流補(bǔ)償措施,計(jì)算的電纜末端電壓為10.695 kV,不滿足《鐵路電力設(shè)計(jì)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(shí)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(jí)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(shí)時(shí)情況實(shí)現(xiàn)動(dòng)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(chǎng)合,諸如由長線路供電、負(fù)荷變動(dòng)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(duì)濱海北至唐山供電區(qū)段的電纜進(jìn)行PSCAD仿真,結(jié)果見表1。貫通線由唐山向?yàn)I海北方向供電,母線電壓為10 kV保持不變。調(diào)壓器型號(hào)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(hào)、5號(hào)、4號(hào)中繼站、濱海北所處的電纜電壓。

表1 電纜空載時(shí)通過調(diào)壓器調(diào)節(jié)的電壓分布及進(jìn)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(dá)到不超出±5%的限值,但是無功功率并沒有得到補(bǔ)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(bǔ)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(jìn)行無功補(bǔ)償

首先在系統(tǒng)沒有采取任何補(bǔ)償措施的情況下,利用PSCAD/EMTDC進(jìn)行了不同負(fù)載率下的仿真,仿真結(jié)果見表2。負(fù)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(bǔ)償措施時(shí)電壓分布及進(jìn)線功率因數(shù)

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

對(duì)于由電纜分布電容造成的容性無功來說,就地補(bǔ)償方式很難實(shí)現(xiàn)。集中補(bǔ)償方式和分散補(bǔ)償方式各有優(yōu)缺點(diǎn),津秦客運(yùn)專線采用集中補(bǔ)償方式和分散補(bǔ)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(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)控制;(2)在沿線適當(dāng)位置配置固定電抗器,實(shí)現(xiàn)電纜容性無功的分段補(bǔ)償,以適應(yīng)靈活供電需要。在負(fù)載率為30%時(shí)只在4號(hào)中繼站處安放375 kVar電抗器和分別在4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)中繼站處安放125 kVar電抗器的補(bǔ)償效果對(duì)比如圖3所示。

圖3 電抗器在不同位置時(shí)補(bǔ)償效果對(duì)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(shí),電抗器分散在多處補(bǔ)償可靈活適應(yīng)運(yùn)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(yùn)行,分散補(bǔ)償可以使在退出某段電纜時(shí)整體的補(bǔ)償效果不受太大影響。

4 效果驗(yàn)證

對(duì)津秦客運(yùn)專線唐山變電所至濱海北配電所供電系統(tǒng)補(bǔ)償效果進(jìn)行了不同負(fù)載率下的PSCAD仿真,并在條件允許情況下進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。貫通線由唐山向?yàn)I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(shí)測(cè)時(shí)系統(tǒng)負(fù)載率為26%,并且測(cè)試了不同調(diào)節(jié)方式下的效果。仿真和實(shí)測(cè)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(yùn)專線測(cè)試數(shù)據(jù)

根據(jù)表3,在不同負(fù)載率下,經(jīng)過調(diào)壓器和補(bǔ)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(jì)規(guī)范的要求。由表4可見,在負(fù)荷率為26%時(shí),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(shí)功率因數(shù)最高。上述方法在實(shí)際運(yùn)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(duì)供配電系統(tǒng)的電壓水平和功率因數(shù)影響較大,必須進(jìn)行補(bǔ)償。

(2)系統(tǒng)中性點(diǎn)不接地方式不再適用,宜采用小電阻接地方式。

(3)單獨(dú)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(jì)規(guī)范要求,但功率因數(shù)達(dá)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(bǔ)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(jì)規(guī)范要求,而且可以使系統(tǒng)功率因數(shù)達(dá)到0.9以上。

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

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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(fèi)專項(xiàng)資金資助(2012gbz006)

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