鐵路電力貫通線電壓補(bǔ)償方案研究

任海蛟

（中鐵十二局集團(tuán)電氣化工程有限公司，天津 300308）

0 引 言

早期我國鐵路貫通線采用架空線形式，存在對自然災(zāi)害的抵御能力較弱和供電不穩(wěn)定等問題。電力電纜具有出色的安全性、高可靠性以及對環(huán)境影響小等優(yōu)勢[1,2]，因此現(xiàn)階段我國鐵路普遍采用全電纜電力貫通線作為供電線路。然而，在技術(shù)實踐中逐漸發(fā)現(xiàn)，電力電纜存在大容量分布容量、容性無功過剩以及末端電壓過高等問題，威脅鐵路系統(tǒng)的安全運(yùn)行。因此，如何處理全電纜電力貫通線電容效應(yīng)十分關(guān)鍵。本文探討通過并聯(lián)電抗器補(bǔ)償方式進(jìn)行電壓補(bǔ)償?shù)姆桨福⒗梅抡骝炞C了補(bǔ)償方案的有效性。

1 并聯(lián)電抗器補(bǔ)償原理及特點(diǎn)

1.1 基本原理

貫通線空載時，端子電壓將升高。并聯(lián)電抗器的作用是消化不必要的電容無功功率，從而保證線路電壓處于安全范圍[3]。并聯(lián)整流器需要具備的功能包括兩個方面。一方面，并聯(lián)整流器解決空載條件下沿線路分布電容導(dǎo)致的電壓升高問題，提高電壓質(zhì)量，控制操作過電壓水平。另一方面，并聯(lián)整流器能夠優(yōu)化貫通線無功潮流分布，獲得更高的線路功率系數(shù)，使無功就地平衡，減少線路的實際功率損耗。

1.2 優(yōu)缺點(diǎn)分析

電抗器電壓補(bǔ)償具有獨(dú)特的優(yōu)勢。第一，貫通線不需要考慮網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，采用電抗器進(jìn)行電壓補(bǔ)償?shù)姆桨讣夹g(shù)難度低，無需大量投資。第二，中性點(diǎn)不接地，安全性高。第三，同時具有無功調(diào)節(jié)和電容電流補(bǔ)償作用。但是，電抗器電壓補(bǔ)償也存在缺點(diǎn)。第一，電抗器作為負(fù)載長時間運(yùn)行會導(dǎo)致電網(wǎng)損耗。第二，可能與對地電容形成穩(wěn)態(tài)諧振過電壓、過電流。第三，使用電抗器作為線路負(fù)載，增加了線路的電磁儲能能力，增加了打開和關(guān)閉線路時的瞬時充放電功率，可能產(chǎn)生暫態(tài)電磁振蕩導(dǎo)致操作過電壓超出安全范圍。第四，校正最小線路剩余電流的方法不能滿足電容電流稍大于電網(wǎng)的電弧熄滅條件。

2 接入方式

并聯(lián)電抗器電壓補(bǔ)償?shù)慕尤敕绞桨ㄐ切芜B接（帶中線和不帶中線）、三角形連接以及雙星形連接等[4]。當(dāng)使用星形（不帶中線）接入方式時，不需要對電抗器進(jìn)行絕緣強(qiáng)化處理，同時不會發(fā)生中性點(diǎn)漂移現(xiàn)象。然而，事實證明，使用不對稱的三相負(fù)載不能做到相位補(bǔ)償。當(dāng)使用星形（帶中線）接入方式時，三相不平衡的情況下，可用相位補(bǔ)償方式補(bǔ)償正序、負(fù)序以及零序電流的無功功率。使用雙星形接入方式時，可設(shè)置零序電流平衡保護(hù)。如果某一相的電抗器運(yùn)行不正常，零序電流將流過中性線。此時，通過及時檢測零序電流可以做到有效保護(hù)。雙星形接入方式通常用于大容量電壓補(bǔ)償場景，不用于鐵路供電系統(tǒng)。因此，根據(jù)實際需求可選擇星形接入或三角形接入方式。

3 鐵路電力貫通線電壓補(bǔ)償方案

在現(xiàn)有的鐵路貫通線路上，通常有集中式補(bǔ)償方案、分布式補(bǔ)償方案以及前端集中式+沿線分布式補(bǔ)償方案3種類型的電壓補(bǔ)償策略。

3.1 集中式電壓補(bǔ)償方案

該方案的首端集中補(bǔ)償裝置通常為動態(tài)電壓補(bǔ)償裝器，能夠基于貫通線路狀態(tài)調(diào)整補(bǔ)償電容對線路首端的功率因數(shù)，從而減少容性無功[5]。補(bǔ)償器設(shè)置如圖1所示。由于動態(tài)電壓補(bǔ)償器的成本高于固定容量補(bǔ)償器的成本，前期需要較大投入。補(bǔ)償器均設(shè)置在線路首端和末端的配電站，大大減少了設(shè)備的數(shù)量和維護(hù)成本。而關(guān)于線路電壓控制，末端電壓補(bǔ)償無法控制整條線路的電壓，調(diào)節(jié)靈活性不強(qiáng)。

圖1 首端與末端集中式電壓補(bǔ)償方案

3.2 分布式電壓補(bǔ)償

分布式電壓補(bǔ)償方案，如圖2所示。分布式電壓補(bǔ)償方案是指沿貫通線分布設(shè)置帶有固定電容器的可投切電抗器，以減少貫通線路中因電纜電容效應(yīng)形成的容性電流，大大降低了負(fù)載調(diào)節(jié)下線路電壓和線路首端回送的容性無功功率。由于分布式電壓補(bǔ)償方案的補(bǔ)償裝置是容量固定的可投切電抗器，初始投資相對較低，但電抗器沿線設(shè)置使得操作和維護(hù)相對麻煩。為了控制前端的功率系數(shù)，該補(bǔ)償方案可以減小線路首端回送的容性無功功率。雖然該方案可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的工作條件實時校正前端的功率因數(shù)，但是不能基于線路實際負(fù)荷實時補(bǔ)償線路首端的功率因數(shù)。該方案能夠利用可投切電抗器控制線路電壓，控制方式更靈活。

圖2 分布式電壓補(bǔ)償方案

3.3 前端集中式+沿線分布式補(bǔ)償方案

該方案是指貫通線前端采用集中補(bǔ)償器，沿線采用分布補(bǔ)償器。前端的集中補(bǔ)償器設(shè)置在配電站，而沿線分布的補(bǔ)償器通常為可投切電抗器，可以同時做到前端和末端的實時電壓補(bǔ)償，且能在線路空載和有載情況下有效控制線路電壓的升高。前端集中式+沿線分布式補(bǔ)償方案如圖3所示[6]。與上述兩種補(bǔ)償方案相比，該補(bǔ)償方案前期需要較大的投入，維護(hù)更加復(fù)雜，但效果最好。

圖3 前端集中式+沿線分布式補(bǔ)償方案

4 仿真分析

基于短線路（40 km以內(nèi)）、中線路（40～70 km）以及長線路（超過70 km）3種鐵路線路情況創(chuàng)建鐵路貫通線仿真模型，計算補(bǔ)償電容，仿真多種補(bǔ)償方案，以比較不同補(bǔ)償方案的效果。同一生產(chǎn)線模型的不同補(bǔ)償策略的總補(bǔ)償能力是相同的。3種線路條件下，集中式補(bǔ)償方案的補(bǔ)償容量為總補(bǔ)償容量的1/2。分布式補(bǔ)償方案中，各個分布點(diǎn)的補(bǔ)償容量相等。前端集中式+沿線分布式補(bǔ)償方案中，分布式補(bǔ)償容量占總補(bǔ)償容量的3/4，各個分布點(diǎn)的補(bǔ)償容量均等。最后，在不補(bǔ)償?shù)那疤嵯聦?種線路條件下的電容效應(yīng)進(jìn)行仿真分析，評估貫通線電容效應(yīng)的影響。仿真均在空載狀態(tài)下進(jìn)行。

4.1 全電纜貫通線仿真模型

將正常運(yùn)行貫通線路的電力系統(tǒng)簡化為簡單模型。該模型必須包含線路、電源、補(bǔ)償裝置以及調(diào)壓器。相應(yīng)的Matlab仿真模型必須包含線路模型、電源模型、補(bǔ)償裝置模型（電抗器模型）以及調(diào)壓器模型。所有仿真模型的參數(shù)均來自于實際參數(shù)，以確保仿真的準(zhǔn)確性。為測試3種線路條件下補(bǔ)償前后的線路電壓分布，模型中每2 km設(shè)一個電壓檢測點(diǎn)，仿真模型如圖4所示。

圖4 鐵路電力貫通線仿真模型

4.2 空載條件下全電纜貫通線電壓補(bǔ)償方案仿真分析

空載條件下，線路電容效應(yīng)最大。在不加補(bǔ)償?shù)臈l件下仿真，通過比較仿真結(jié)果（如圖5所示），分析3種不同線路條件下的電容效應(yīng)，以獲得不同補(bǔ)償方案在同一線路條件下的補(bǔ)償效果。

圖5 空載條件下的3種線路的節(jié)點(diǎn)電壓分布

空載條件下進(jìn)行仿真可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)前端電壓是標(biāo)準(zhǔn)電壓時，短線路條件下的線路末端電壓上升，比前端電壓高出1.039倍；中等線路條件下的線路末端電壓比前端電壓高出1.048倍；長線路條件下的線路末端電壓比前端電壓高出1.147倍。3種線路條件下，調(diào)壓器前后節(jié)點(diǎn)之間的電壓升高非常明顯，后續(xù)節(jié)點(diǎn)的電壓則緩慢上升。在空載且不加補(bǔ)償?shù)那闆r下，3種類型的線路均存在無功反送的現(xiàn)象。其中，長線路因為具有最高的供電電壓，所以無功反送最嚴(yán)重，遠(yuǎn)高于9 Mvar。與長線路相比，短線路無功反送容量為325 kvar，與計算容量最接近，可得到以下結(jié)論。第一，貫通線短線路的末端電壓升高在國家安全標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，而中等線路和長線路的端電壓升高超過了國家標(biāo)準(zhǔn)，尤其是長線路末端電壓升高量達(dá)到前端電壓的15%，會嚴(yán)重影響電氣設(shè)備的絕緣性能。第二，貫通線末端電壓升高主要是由流入變壓器的容性電流引起的。第三，無功反送容量與電壓、線長正相關(guān)。由于電容效應(yīng)的累積，線路某一部分的電壓高于線路的標(biāo)稱電壓。因此，根據(jù)標(biāo)稱電壓計算的補(bǔ)償容量通常小于實際所需。第四，如果鐵路電力貫通線較長，電壓水平較高，則在同等補(bǔ)償容量要求的情況下，分布式補(bǔ)償方案可以最有效地抑制線路電壓的升高。考慮到成本和實用性，可在線路兩端使用集中式補(bǔ)償方案，而長線路應(yīng)該優(yōu)先采用分布式補(bǔ)償方案。然而，考慮到線路的負(fù)載波動，必須在線路前端設(shè)置動態(tài)電壓補(bǔ)償裝置。在中等線路條件下可優(yōu)先使用集中式+分布式補(bǔ)償方案，以便同時解決末端電壓升高和容性無功反送的問題。

5 結(jié) 論

鐵路電力貫通線運(yùn)行形式簡單固定。它采用低電阻接地運(yùn)行模式，結(jié)合并聯(lián)電抗器進(jìn)行電壓補(bǔ)償，不僅可以減少由電容效應(yīng)引起的電壓浪涌，而且可優(yōu)化電路分布，提高用戶電壓質(zhì)量，還可以限制操作過電壓水平。在空載或輕載條件下優(yōu)化線路的無功潮流分布，可以獲得更高功率因數(shù)，減少不合理的無功流動，實現(xiàn)無功功率就地平衡，從而減少線路中的有功功率損耗，提升能效。