基于平南鐵路10kV電力貫通線的無功補償研究

王征

摘 要：文章以平南鐵路10kV電力貫通線的實際情況為基礎(chǔ)，對其補償方式的選定和補償容量的計算進行了研究，實現(xiàn)了對電力貫通線無功功率的補償，提高了鐵路電能質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：平南鐵路;電力貫通線;無功功率;補償容量

中圖分類號：U223 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）03-0132-03

0 引言

電力貫通線是鐵路沿線連通兩相鄰變配電所的主要對沿線鐵路信號、通信及其他鐵路綜合用電負(fù)荷供電的10kV或35kV電力線路，其電源引于地方電網(wǎng)或地方電網(wǎng)以外的發(fā)電廠、變電站及輸配電線路。以架空方式為主的電力貫通線，因線路阻抗主要呈感性且整個線路所帶負(fù)荷主要為感性負(fù)荷（變壓器等），所以在一般情況下呈現(xiàn)感性特征。感性無功會使線路電壓損失增大，使電氣設(shè)備在低功率因數(shù)下運行得不到充分發(fā)揮，尤其是影響信號設(shè)備等正常運行。當(dāng)電力貫通線主要采用電力電纜或者全電纜時，因電纜中電容比較大，如果整個電力系統(tǒng)選用的是不接地中性點的方式進行運行，一旦出現(xiàn)單相接地故障就會導(dǎo)致產(chǎn)生的電流比較大，這就造成電弧無法及時熄滅，帶單相接地故障運行時就會造成故障逐步擴大化，以此產(chǎn)生過電壓。這種接地故障的產(chǎn)生，最終會對鐵路的行車安全產(chǎn)生極大的不利影響，最終造成非常大的經(jīng)濟損失，甚至也會導(dǎo)致社會的不安定因素的產(chǎn)生。所以對電力貫通線無功補償?shù)难芯浚瑢τ谔岣唠娔苜|(zhì)量具有極大的現(xiàn)實作用。

1 項目概況

平南鐵路經(jīng)過深圳市西北部丘陵區(qū)和西南沿海海岸灘涂區(qū)，自木古（位于平湖南編組站）起沿線分布有坂田、塘朗（在建）、西麗、深圳西、媽灣、蛇口等7座車站（含平湖南站），設(shè)計行車速度80km/h。在木古站以及深圳西站分別設(shè)置10kV配電所一座，沿線設(shè)置一條一級負(fù)荷電力貫通線，貫通線采用架空線——電纜混合線路，線路全長35.54km，其中架空部分11.52km，電纜部分24.02km，屬于大部分采用電力電纜的線路。鑒于此種情況，本著合理經(jīng)濟的原則，根據(jù)各種補償裝置的補償特點，平南鐵路電力供電系統(tǒng)無功補償方案選擇用并聯(lián)抗電器與電容器相互結(jié)合的方式。

2 系統(tǒng)模型與基本數(shù)據(jù)

圖1所示為平南鐵路10kV配電系統(tǒng)圖。線路采用架空線——電纜混合線路，其中架空部分采用LGJ-120型帶絕緣護套的鋼芯鋁絞線，電纜部分采用YJV22-8.7/10kV 120mm2交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜。

3 并聯(lián)電容器補償方案

3.1 補償方式

結(jié)合電力網(wǎng)絡(luò)以及電容的補償要求和網(wǎng)絡(luò)特點，能夠?qū)⑵浒惭b在電力系統(tǒng)的不同節(jié)點上，結(jié)合不同的安裝位置，當(dāng)前針對補償方式的選擇主要有3種方式，分別為：混合補償、集中補償、就地補償。一般來說，普通速度的鐵路的電力貫通線因為其線路相對比較長，而且系統(tǒng)中變壓器也比較多，變壓器具有分散的特點，所以比較適合選用電容器并聯(lián)的方式來加以補償，采取這樣的補償方式也比較方便進行管理，而且還能降低功耗，提高系統(tǒng)的供電質(zhì)量。

基于此，本項目對于線路感性無功的補償采取在平湖南和深圳西10kV配電所分別設(shè)置高壓電容器室采用并聯(lián)電容器集中補償?shù)姆绞竭M行補償。

3.2 連接方式

根據(jù)接線方式的不同，三相電容器主要分為星形接線和三角形接線2種連接方式。

為了能夠減小短路電流，增強供電系統(tǒng)的可靠性，鐵路電力系統(tǒng)高壓電容器宜選用星形接線。

3.3 投切方式

并聯(lián)式電容器一般有人工投切和自動投切兩種方式。

根據(jù)鐵路電力系統(tǒng)高壓負(fù)荷變化小，產(chǎn)生的沖擊性小的特點，高壓電容器的投切方式宜選用人工投切方式。這種方式比較方便對其進行維護，而且也具有非常顯著的經(jīng)濟效益。

3.4 補償容量的計算

依據(jù)《鐵路工程設(shè)計技術(shù)手冊——電力》的規(guī)定，對處于正常網(wǎng)內(nèi)的電力用戶功率因數(shù)作如下規(guī)定：高壓供電的工業(yè)用戶，功率因數(shù)為0.9以上，其他100kVA及以上的電力用戶，功率因數(shù)為0.85以上。當(dāng)用戶自然功率因數(shù)達(dá)不到這一標(biāo)準(zhǔn)時，必須裝設(shè)無功補償裝置使其達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

（1）配電所總平均功率因數(shù)（補償前）的確定。

總平均功率因數(shù)（補償前）計算公式：

（1）

式中：——功率因數(shù)角（補償前）;

P30——由配電所供電的月最大有功功率計算負(fù)荷，kW;

Q30——由配電所供電的月最大無功功率計算負(fù)荷，kVAR;

α、β——月平均負(fù)載率，一般可取0.7～0.8。

（2）配電所總平均功率因數(shù)（補償后）的確定。

總平均功率因數(shù)（補償后）計算公式：

（2）

式中：——功率因數(shù)角（補償后）;取0.9～0.92;

Qc——配電所并聯(lián)電容器組補償總?cè)萘浚琸VAR。

配電所并聯(lián)電容器組補償總?cè)萘縌c（kVAR）的確定。

（3）補償總?cè)萘坑嬎愎剑?/p>

Qc=P30·（tgj1-tgj2）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

根據(jù)（1）、（2）、（3）式，經(jīng)計算，平南鐵路10kV配電所總平均功率因數(shù)（補償前）為cosj1=0.75，總平均功率因數(shù)（補償后）取cosj2=0.9，因此，補償總?cè)萘縌c=389kVAR。

4 并聯(lián)電抗器補償方案

4.1 補償方式

大量采用電纜敷設(shè)的貫通線路，需要對其容性無功功率進行補償，經(jīng)常采取的方式是將并聯(lián)電抗器分散安裝于電力貫通線側(cè)，進行區(qū)間分散補償?shù)姆绞健Ｏ涫阶冸娬臼胶蛻敉鈼U架式為其主要安裝形式。根據(jù)操作空間的大小、運行環(huán)境的惡略程度等因素，在箱變內(nèi)安裝的箱式變電站式因受空間大小的限制并且工廠預(yù)制安裝整體運到現(xiàn)場等情況，比較適合選擇那些不漏油且質(zhì)量相對比較小的干式電抗器，而油浸鐵心式并聯(lián)電抗器因較適宜在惡劣的環(huán)境中運行常用于戶外桿架式。

基于此，本項目對于線路容性無功的補償采用星形連接的電抗器組分散并聯(lián)于貫通線上的分散補償方式，如圖2所示。

4.2 補償容量的計算

4.2.1 線路模型電容電流的計算

因為在電力系統(tǒng)中電纜存在著相間電容和對地電容，針對不接地中性系統(tǒng)，一旦出現(xiàn)線路故障，就會造成接地短路電流，具體的電流計算如下：

Ic0=ω（Cy+3Cx）Uj? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

式中：Ic0——電纜單位長度電容電流，A/km;

Cy——電纜單位長度對地電容，μF/km;

Cx——電纜相間單位長度電容，μF/km;

Uj——系統(tǒng)相電壓，kV;

ω——系統(tǒng)角頻率。

經(jīng)計算，120mm2電纜的單位長度電容電流為1.87A/km，考慮到其他設(shè)備的電容電流，乘上1.16的系數(shù)，線路模型的單相短路電容電流為52.1A。

4.2.2 補償容量的算法

第一種算法：一旦整個電力系統(tǒng)出現(xiàn)單相短路，就會出現(xiàn)線路殘流變得最小。并聯(lián)三相星形中性點接地電抗器，最佳補償度取0.75，并且要求系統(tǒng)能夠帶單相接地故障運行2小時。

第二種算法：以系統(tǒng)發(fā)生單相接地短路時電弧能可靠自熄為根本目標(biāo)，將單相接地短路電流控制在10A以下，并聯(lián)三相星形中性點接地電抗器，并且要求系統(tǒng)能夠在帶單相接地故障運行2小時內(nèi)不會導(dǎo)致因穩(wěn)定燃燒或電弧重燃而損毀電纜以致擴大為相間故障。

4.2.3 線路模型的計算

以24.02km，120mm2一級負(fù)荷貫通線為例，分別運用算法一和算法二計算補償電抗的容量。圖3為計算原理圖。

算法一：依據(jù)圖3，線路容性電流Ic0=36.4A，單相故障電容電流為3Ic=45A。按照75%的補償度，補償電感電流IL=45×75%=33.75A。正常情況下電源側(cè)線路容性殘流Ic0-IL=2.65A。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，如圖4所示，接地電流Id=3IL-3Ic=56.25A，依據(jù)Id<10A的要求，顯然電弧不能自熄，系統(tǒng)帶故障運行是不安全的。

根據(jù)電纜參數(shù)Ic0≈2Ic，在75%的補償度下，交聯(lián)電力電纜上電弧熄滅條件為：

Id=|3IL-3Ic|=|3×0.75×2Ic-3Ic|=0.5×（3Ic）<10A

即3Ic<20A，就是說要滿足電弧熄滅條件線總電容電流必須小于20A。120mm2線路的三相電容電流為1.87A/km，故線路長度必須小于10.7km。考慮到系統(tǒng)上其他設(shè)備的電容電流、高次諧波電流、接地點的阻性電流，線路長度在此基礎(chǔ)上還要減小。因此，在電力網(wǎng)絡(luò)中只有當(dāng)電容電流小于20A時，采用此算法計算電容補償容量。

算法二：圖4中，3Ic=45A，單相接地故障電流Id=|3IL-3Ic|，若以Id<10A為補償目標(biāo)，則35A<3IL<55A，取3IL=50A，IL=16.7A，故障接地電流約5.0A，補償度為=16.7/36.4=0.46。通常情況之下，可以得出電源側(cè)線路容性殘流Ic0-IL= 19.7A。顯然，此種補償方法能夠滿足系統(tǒng)帶故障運行條件。

綜上所述，發(fā)生單相短路故障時，對于電容電流稍大的網(wǎng)絡(luò)，算法一這種以線路容性殘流小為目標(biāo)的補償算法，滿足不了電弧熄滅要求。算法二這種以使電弧能可靠熄滅為根本目標(biāo)的補償算法優(yōu)于算法一。

5 結(jié)語

本文根據(jù)平南鐵路10kV電力貫通線的線路特點，從合理、可靠、節(jié)約投資的角度對其電力供電系統(tǒng)的無功補償方案進行了選定和研究。近年來，隨著設(shè)備技術(shù)的不斷進步，動態(tài)無功補償方式（SVC補償模式和SVG補償模式）被越來越多的應(yīng)用到高速鐵路電力供電系統(tǒng)中，不斷提高其補償?shù)暮侠硇浴?/p>

參考文獻

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