高速鐵路全電纜電力貫通線補償方案研究

張光躍，高 博

0 引言

近年來，我國高速鐵路建設得到了快速發展，運營里程快速增長的同時也對鐵路電力供電系統的供電可靠性提出了更加嚴格的要求[1]。保障鐵路電力供電系統的供電可靠性仍然是鐵路安全、穩定運行的重中之重。

作為鐵路電力供電系統的重要組成部分，全電纜電力貫通線路與傳統的架空線路相比，供電可靠性更強，安全性也更高，因此我國新建高速鐵路電力貫通線普遍采用全電纜模式。雖然全電纜貫通線路有效提高了供電可靠性，但由于電纜線路的對地電容較大，也給鐵路電力供電系統帶來了線路末端電壓抬升、首端功率因數低等問題[2]。如何合理有效地改善全電纜貫通線路的電能質量，已成為鐵路電力設計人員必須考慮和研究的重點。

1 高速鐵路10 kV電力供電系統

高速鐵路 10 kV電力供電系統擔負著為除鐵路牽引供電系統以外的鐵路沿線其他負荷供電的重要任務，主要由10 kV配電所和10 kV電力貫通線組成[3]。10 kV配電所通過地方電網獲取電源，經過所內專用的10/10 kV有載調壓器向貫通母線供電。有載調壓器不僅可以改善電源質量，還可以防止故障時對上一級變配電設備造成影響，起到隔離防護作用。電力貫通線經鐵路沿線的 10/0.4 kV箱式變電站向沿線區間各負荷點供電。為了提高供電穩定性，相鄰的兩配電所之間饋出兩路電力貫通線，稱為一級負荷貫通線和綜合負荷貫通線；其中一級負荷貫通線路是沿線通信、信號裝置和遠動開關等重要一級負荷設備的主供電源，綜合負荷貫通線路則為沿線其他二、三級負荷供電，同時兼作一級負荷的備用電源[4]。高速鐵路10 kV電力供電系統結構如圖1所示。

圖1 高速鐵路10 kV電力供電系統結構

2 電纜貫通線的電容效應

電纜的電容效應是引起貫通線路末端電壓抬升的根本原因。本文采用電力系統仿真建模中最常用的集中參數等效電路和分布參數等效電路[5]分別對全電纜貫通線路進行等效簡化，更直觀地對線路末端電壓抬升問題進行原理性分析。

2.1 集中參數電容效應

電纜線路的電導可以忽略不計，全電纜線路的集中參數等效電路可簡化為圖2所示電路。全電纜線路的感抗遠小于線路的容抗，因此全電纜線路正常運行時線路中流過的電流呈容性，而容性電流流過線路感抗會引起部分壓降，該部分壓降與容抗上的電壓相反，這將導致線路末端電壓的升高。

圖2 電纜線路集中參數等效電路

由圖2結合電路知識可得：

圖3 集中參數等效電路向量圖

2.2 分布參數電容效應

電纜線路的長度越長，線路的分布參數特性就越明顯，此時采用分布參數等效電路分析計算結果將更加準確。分布參數模型等效電路的核心思想是將長電纜線路看作多個無窮小的長度元 dx，定義每一個長度元的電阻為R0dx，電感為L0dx，對地電容為C0dx，對地電導為G0dx。圖4為分布參數等效電路示意圖。

圖4 分布參數等效電路示意圖

分布參數等效電路的電壓電流計算式可以通過正弦交流電作用下均勻傳輸線的傳輸參數方程得到[6]：

假設電阻與電導忽略不計，由式（2）可知，無損耗電纜線路在空載運行情況下線路電壓按照余弦規律分布，其中線路末端的電壓最高[6]。

3 無功補償方案分析

3.1 無功補償方案介紹

3.1.1 分散式補償

分散式補償方案的補償裝置為容量固定的并聯電抗器[7]，該方案安裝方式是將多個并聯電抗器安裝在沿線區間各重要負荷點處。分散式補償方案如圖5所示。

圖5 分散式補償

3.1.2 兩端集中式補償

兩端集中式補償方案的補償裝置由一組動態無功補償裝置和一個并聯電抗器構成，其中動態無功補償裝置安裝在配電所內電力貫通線路首端，而并聯電抗器則安裝在區間貫通線路的末端，圖6所示。

圖6 兩端集中式補償

3.1.3 首端集中+沿線分散式補償

首端集中+沿線分散式補償方案的補償裝置也由動態無功補償裝置和并聯電抗器構成，但與兩端集中補償方式不同的是，該補償方式除了在貫通線路首端安裝動態無功補償裝置外，還在區間沿線各重要負荷點處分散安裝多個并聯電抗器進行補償，如圖7所示。

圖7 首端集中+沿線分散式補償

目前，我國高速鐵路電力貫通線主要采用首端集中+沿線分散補償的設計方案[8]，其設計思想是按照總補償容量的 75%沿線分散設置固定容量的并聯電抗器，為沿線線路提供基本的補償容量，配電所內貫通線路首端設置可調節容量的動態補償裝置，用于功率因數的調節。該方案經濟性較高，同時補償靈活性也具有明顯優勢，本文主要對該補償方案進行分析。

3.2 仿真實驗分析

3.2.1 仿真模型建立

本文以某高鐵貫通區間長度為51.5 km的全電纜一級貫通線路作為研究對象，使用電纜集中參數等效電路，借助 Matlab/Simulink仿真平臺搭建高速鐵路全電纜貫通線潮流計算仿真模型[9]，其中電源、調壓器、電纜線路和沿線負荷點等主要模型的參數均按照現場實際參數設置。線路總補償容量依照式（3）計算：

式中：k為線路補償系數，UN為線路額定線電壓，ω為角頻率，C為電纜線路的工作電容，l為線路的總長度。

通過式（3）與現場電纜出廠參數計算可得到該貫通區間線路的總補償容量Q總= 462 kvar。結合線路實際的負荷分布情況，本文在線路仿真模型首端設置總補償容量為 108 kvar的分組投切電抗器作為動態補償裝置，在沿線3個負荷集中處設置容量均為114 kvar的并聯電抗器。

3.2.2 補償效果分析

為了直觀地對比補償方案對全電纜貫通線路的補償效果，首先對未投入補償裝置的貫通線路模型在不同負荷率情況下進行仿真分析，所加負荷量均以貫通線路沿線實際的箱式變壓器容量為基準，功率因數取0.85。選取首端功率因數和線路末端電壓作為對比評價指標，實驗結果如表1所示。

表1 未投入補償時不同負荷率仿真結果

通過表1可以看出，未投入補償裝置時貫通線路末端電壓在不同負荷率情況下較 10 kV的額定電壓均出現了不同程度的偏移，但由于線路長度較短，偏移量均在規范規定的范圍內[10]。而在不同負荷率情況下，線路首端功率因數均為負值，表示貫通線路呈容性，線路首端始終存在無功功率返送，不符合電力部門的相關要求，必須對線路進行合理的補償。

為了兼顧補償的經濟性和實用性，本文采用的補償裝置容量投入方案如表2所示，其中補償點1為動態補償裝置，補償點2～補償點4為沿線設置的并聯電抗器。

表2 補償容量投入方案 kvar

表3為按照補償投入方案補償后的貫通線路模型在不同負荷率情況下的仿真結果。由表3可以看出，經過補償后的貫通線路模型在不同負荷率下的末端電壓偏移量與未投入補償時相比均有明顯降低，且線路電壓分布更為穩定；補償后的貫通線路首端功率因數在不同負荷率下均達到了0.9以上，供電質量有了極大提升。實驗結果表明，本文所述的無功功率補償方案可以有效抑制高速鐵路全電纜貫通線線路末端電壓抬升和首端功率因數低的問題，補償后的線路主要運行指標均能滿足要求，證明該補償方案是合理且有效的。

表3 投入補償后不同負荷率仿真結果

4 結語

在高速鐵路全電纜電力貫通線工程設計與改造過程中，采用合理的無功補償方案將有助于提升鐵路電力供電系統的安全性和經濟性。本文通過對全電纜電力貫通線路進行仿真分析，論證了投入無功補償裝置對于改善全電纜貫通線路電能質量的有效性，具有一定的工程應用價值。