雅萬高鐵20 kV電力貫通線無功補償方案研究

周介圭

(中國鐵路設計集團有限公司,天津 300308)

1 工程概況

雅加達至萬隆高速鐵路連接印尼首都雅加達和西爪哇省省會萬隆，雅萬高鐵正線長度142.3 km。全線共設置車站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標準設計[1-3]。

根據印尼當地配電電壓等級以及雅萬高鐵項目的特點，本項目在Halim站、Karawang站、Walini站及Tegal Luar動車段各設置一座20 kV雙電源配電所，全線新建20 kV綜合負荷貫通線和20 kV一級負荷貫通線各1條。在區間負荷集中點設置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一級負荷貫通線[4]。

國內鐵路對10 kV貫通線路的無功補償設計及運行經驗較為豐富[5-12]，只有很少量的工程采用20 kV等級。在印尼，20 kV應用較為普遍，因此結合該項目研究20 kV全電纜電力貫通線路無功補償方案和計算，對國內未來發展趨勢以及“走出去”戰略，具有一定的普遍意義。本文將以Karawang配電所至Walini配電所間綜合負荷貫通線為例進行研究[13-21]。

2 數學模型及補償方案

2.1 雅萬高鐵20 kV全電纜電力貫通線數學模型

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

圖1 雅萬高鐵20 kV全電纜貫通線負荷模型

采用π形等值電路模型對雅萬高鐵20 kV全電纜貫通線進行建模，本區間共24處節點將線路分為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段線路串聯支路末端的功率為

(1)

串聯支路中的功率損耗為

(2)

第m段線路串聯支路始端的功率為

(3)

以第m+1節點電壓為參考相量，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)，根據某廠家電纜手冊可查該型號電纜參數如表1所示。

表1 雅萬高鐵20 kV電力貫通線電纜參數

在鐵路電力供電系統中，采用以下公式計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 無功補償方案

參照國內鐵路項目貫通線大都采用集中補償與分散補償相結合的方式，經濟性較高且運行良好。雅萬高鐵項目參照國內經驗，優先考慮采用集中補償與分散補償相結合的方式：(1)結合沿線電力設施分布，在適當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償；(2)在配電所內貫通母線段集中設置磁控電抗器，實現電源側無功功率動態調節。

根據本文選取的綜合負荷貫通線負荷分布情況，在區間3座信號中繼站內設置固定電抗器作為分散補償裝置，在線路首端設置連續可調的磁控電抗器以保證首端功率因數滿足要求。

由式(7)和式(8)可得，Karawang配電所至Walini配電所間綜合負荷貫通線電纜總充電功率為836.39 kVar。考慮到固定補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，并驗證其補償效果，具體補償模型如圖3所示。

圖3 雅萬高鐵20 kV全電纜貫通線補償模型

3 仿真分析

為驗證本文設計的雅萬高鐵20 kV全電纜電力貫通線無功補償方案的補償效果，利用Matlab軟件建立全電纜貫通線的仿真模型，并進行不同負載率下補償前后的電壓分布、功率因數和功率損耗等參數的對比分析。鐵路電力貫通線供電系統屬于典型的開式網絡，因此本文采用前推回代法對電力貫通線進行潮流計算。

3.1 建立仿真模型

根據雅萬高鐵全電纜π形等值電路及貫通線補償模型，建立潮流計算仿真模型。如圖3所示，線路首端設置可調電抗器，節點6、節點12和節點18設置200 kVar的固定容量電抗器，線路首端設置連續可調的磁控電抗器。

3.2 補償效果仿真

在各負荷率下對不補償的情況進行仿真，選取首端功率因數、末端電壓、首端無功功率以及全線網損4個關鍵參數進行分析，仿真結果如表2所示。

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

表2 不同負荷率下不補償情況仿真結果

由上述分析可知，20 kV電力貫通線采用的集中補償與分散補償相結合的方式是合理的。下面將通過在不同負荷率下調整區間固定電抗器投切狀態保證線路損耗最低，通過調節集中補償電抗器補償容量保證首端無功功率呈感性且功率因數達標。同時所有工況下需保證各節點電壓滿足要求。

首先，對區間固定電抗器的投切方案進行分析。通過仿真參數分析不同負荷率下節點6、節點12和節點18分散補償電抗器的投切狀態。不同負荷率及分散補償容量下線路損耗的仿真結果如表3所示。由表3可得，負荷率0%～30%工況下分散補償總容量為600 kVar時，線路損耗最低；負荷率40%～60%工況下分散補償總容量為400 kVar時，線路損耗最低；負荷率70%～100%工況下分散補償總容量為200 kVar時，線路損耗最低。

表3 不同負荷率及分散補償容量下線路損耗

結合仿真結果與實際運行需求，負荷率≤30%時，采用投入節點6、12、18三組固定電抗器；30%<負荷率≤60%時，采用投入節點12、18兩組固定電抗器；負荷率>60%時，采用投入節點12一組固定電抗器。

根據仿真可得在區間固定電抗器在上述運行方案下，不同負荷率下補償前后的線路損耗對比如圖4所示。由圖4可得，采用本文設計的補償方案在全負載率范圍內均可降低線路損耗。

圖4 雅萬20 kV全電纜貫通線補償前后線路損耗對比

在上述區間電抗器補償方案的基礎上，不同負荷率下補償前后的首端無功功率如表4所示。由表4仿真結果可知，在區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償電抗器的容量。在負荷率為100%時，區間電抗器補償后首端無功功率為感性，無需再投入首端電抗器進行補償。

表4 不同負荷率下補償前后首端無功功率與末端電壓

此外，由表4可得，補償后100%負載率下電壓偏差最大為3%，即本補償方案可保證全負載范圍內電壓滿足規范偏差小于±7%的要求。

綜上所述，采用本文設計的補償方案，結合遠動系統對補償設備的控制，可有效降低雅萬高鐵20 kV全電纜貫通線在全負荷率范圍內的線路損耗，改善首端功率因數，同時保證末端電壓偏差滿足規范要求。

4 結語

研究表明，在貫通線首端安裝可調電抗器，同時沿線安裝固定等容量電抗器的補償方案，當沿線電抗器可遠程投切，集中補償可調時，按負載率及時調節，在全負荷率范圍內均可降低線路損耗、改善首端功率因數、保證末端電壓質量，補償方案是有效和可行的。