客運專線10 kV貫通線路接地方式及補償方案的研究

陳世民,牛大鵬,馬峰超,梁孔渝

(1.中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司電化院,北京 100055;2.西南交通大學,成都 610031)

客運專線10 kV貫通線路接地方式及補償方案的研究

陳世民1,牛大鵬2,馬峰超1,梁孔渝1

(1.中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司電化院,北京 100055;2.西南交通大學,成都 610031)

鐵路客運專線電力供電系統(tǒng),因貫通線路電纜的容性效應較復雜,使得貫通線路的系統(tǒng)接地方式及電容補償方案成為電力工程設(shè)計中的一個關(guān)鍵技術(shù)難點。對貫通線路電纜的電容電流進行了詳細計算,并結(jié)合吉圖琿鐵路的設(shè)計,就電纜貫通線路的系統(tǒng)接地方式及補償方案進行了分析研究;在此基礎(chǔ)上,應用VC++6.0編寫了電力貫通線電容電流補償計算軟件,為以后工程設(shè)計提供高效的計算工具。

客運專線;貫通線;電容電流;接地方式;補償

1 概述

近年來,為了提高供電可靠性和安全性,減少維修工作量,節(jié)約占地,我國新建鐵路客運專線的電力供電系統(tǒng)基本采用沿鐵路敷設(shè)2回10 kV全電纜或以電纜為主的貫通線路。由于單芯電纜制造長度比三芯電纜長,有助于降低電纜中間接頭數(shù)量,減少故障點,所以10 kV貫通線一般采用單芯銅芯鎧裝電纜,按“品”字形敷設(shè)。然而電纜有很大的容性效應問題,與架空線相比,電纜線路的相線對地及相間電容電流是架空線的幾十倍乃至更高。經(jīng)調(diào)壓器供電的10 kV貫通線路,需要綜合考慮各方面因素,合理選擇其系統(tǒng)中性點接地方式及電容電流補償方案,從而保證電力供電可靠、并減少正常運行時線路及設(shè)備的損耗、提高系統(tǒng)的功率因數(shù),改善供電質(zhì)量[1～3]。

本文對電纜貫通線路的電容電流進行了詳細計算,并結(jié)合吉圖琿鐵路的設(shè)計實踐,就電纜貫通線路的系統(tǒng)接地方式及補償方案進行了分析研究,對相關(guān)的工程設(shè)計具有一定的指導意義。

2 貫通線路電纜電容電流計算

2.1 單芯電纜的電容

單芯電纜“品”字形布置時,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中,每芯對金屬護層的電容為Cy(F/km),芯與芯之間的電容為Cx(F/km),則每一芯對中性點的電容為C=Cy+3Cx(F/km)。

圖1 貫通線電纜結(jié)構(gòu)

2.2 電纜線路正常運行時的電容電流

電纜線路正常情況(未接地)時的電容電流分布如圖2所示。

圖2 正常情況時的電容電流分布

正常運行時電容電流按下式計算

式中 Icx——線間電容電流,A;

I′cx——由線間電容電流合成的線電容電流,A;

Ico——線路始端的線電容電流,A;

Icy——線對地的線電容電流,A;

ω——角速度,rad/s,取值為314 rad/s;

l——線路長度,km;

Uφ——相電壓,kV,取值為5.774 kV。

2.3 中性點不接地系統(tǒng)單相接地時電容電流

電纜線路發(fā)生單相金屬性接地時的電容電流分布如圖3所示。

圖3 單相接地時電容電流

單相接地時電容電流按下式計算

式中 I′cy——非接地相線對地的電容電流,A;

IC——流過接地點的電容電流,A;

Icd——接地相始端的電容電流,A;

Ue——額定線間電壓,kV。

3 貫通線路供電系統(tǒng)接地方式的研究

3.1 貫通線路供電系統(tǒng)模型

客運專線10 kV貫通線路供電系統(tǒng)的構(gòu)成,以吉圖琿鐵路工程設(shè)計為例說明,吉圖琿鐵路貫通線路供電經(jīng)調(diào)壓器供電,區(qū)間設(shè)備環(huán)網(wǎng)接線形式,2回貫通電纜均采用YJV6270型單芯電纜,Cy=0.25(μF/km), 3Cx=0.02(μF/km)[4],其系統(tǒng)模型如圖4所示。

圖4 吉圖琿客運專線電力供電系統(tǒng)模型

3.2 中性點接地方式

(1)經(jīng)調(diào)壓器供電的10 kV貫通線路,由于調(diào)壓器的電氣隔離作用,使調(diào)壓器后母線段上的2個供電回路形成相對獨立的供電系統(tǒng),其系統(tǒng)中性點接地方式要根據(jù)系統(tǒng)單相接地故障電流情況,并綜合考慮供電可靠性、線路形式、設(shè)備絕緣水平、繼電保護要求等因素確定。

(2)中性點不接地系統(tǒng)單相接地故障系統(tǒng)如圖5所示。

發(fā)生單相接地故障,系統(tǒng)內(nèi)接地相與大地等電位,對地電容電流為零。此時三相間的線電壓仍然對稱,對負荷供電沒有影響,系統(tǒng)內(nèi)其他兩項對地電壓升高為線電壓,等于相電壓的3倍,對系統(tǒng)的絕緣造成影響。只有非故障相的線路與設(shè)備上流有零序電流,其數(shù)值等于本身的對地電容電流,實際方向為母線流向線路;在故障線路上,零序電流為全系統(tǒng)非故障線路與設(shè)備對地電容電流向量和,即調(diào)壓器后母線上所有回路三相對地不平衡電容電流入故障點的電流之和,方向由線路流向母線。

圖5 中性點不接地系統(tǒng)單相接地故障系統(tǒng)

(3)鐵路部門在正常運營時,區(qū)間各配電所一般采用單方向供電,在相鄰所檢修或故障狀態(tài)情況下,采用2個方向供電。根據(jù)吉圖琿客運專線電力供電系統(tǒng)圖,分析計算在不同運行方式下,各配電所貫通線路正常運行時電容電流,以及當采用中性點不接地情況下發(fā)生單相接地故障時故障電流。

①6號變電所僅向下行供電臂(36 km)供電時,線路正常運行時線路始端的線電容電流最小,根據(jù)公式(2)計算得

單相接地故障電容電流最小,根據(jù)公式(5)計算得

②2號變電所向上行供電臂(67 km)、下行供電臂(50 km)同時供電時,上行供電臂線路正常運行時線路始端的線電容電流最大,根據(jù)公式(2)計算得

此時單相接地故障電容電流最小,根據(jù)公式(5)計算得

(注:上下行供電臂同時送電)

(4)接地方式的確定

由以上分析計算結(jié)果以及吉圖琿客運專線線路形式得出如下結(jié)論。

①根據(jù)相關(guān)設(shè)計規(guī)范:當系統(tǒng)單相接地故障電容電流不大于30 A時,中性點可采用不接地系統(tǒng);當系統(tǒng)單相接地故障電容電流不大于150 A時,中性點可采用低電阻接地方式或消弧線圈接地方式;當系統(tǒng)單相接地故障電容電流大于150 A時,宜采用低電阻接地方式。吉圖琿鐵路全線各配電所貫通線路供電系統(tǒng)當采用中性點不接方式時,在不同運行方式下最小單相接地故障電流為49.0 A,最大單相接地故障電流為159.1 A。適宜選擇中性點經(jīng)低電阻接地方式。

②吉圖琿客運專線貫通線路采用全電纜線路,當采用低電阻接地方式,單相接地時形成單相短路,保護及時動作,避免了可能引起的系統(tǒng)過電壓危害,可以保護貫通電纜線路及供電設(shè)備的安全;因區(qū)間一級負荷設(shè)備均為雙電源采用的環(huán)網(wǎng)接線形式,同時也可以保證供電的可靠性。

4 貫通線供電系統(tǒng)補償方案的研究

(1)貫通電纜線路的容性電流,正常運行時增加了線路及設(shè)備的損耗,占用調(diào)壓器的容量。需要加中性點不接地的并聯(lián)電抗器補償,改善供電質(zhì)量,減少調(diào)壓器無功占用容量。補償?shù)姆绞街饕?種,分別為集中補償和分散補償。

(2)在配電所集中補償方式,當補償裝置故障或檢修退出運行時,貫通線路電纜的容性電流會引起調(diào)壓器過載,或調(diào)壓器退出不能保證正常供電。因此分散補償優(yōu)于集中補償。吉圖琿鐵路工程設(shè)計選分散補償方案。

(3)分散補償,為了避免環(huán)網(wǎng)供電在分區(qū)段檢修、分區(qū)段供電的各種運行方式下產(chǎn)生并聯(lián)諧振。選擇分段欠補償方案。根據(jù)貫通線路區(qū)間設(shè)備分布情況及避開鐵路隧道的要求,綜合考慮本工程補償度α選擇為75%[5,6]。

(4)補償電抗器的確定

設(shè)配電所A的里程為S1,配電所B的里程為S2,兩所間每隔10～15 km設(shè)1處電抗器,算法按照間隔12.5 km設(shè)置,中間設(shè)n個電抗器,n個電抗器的線路里程分別為l1,l2,…,ln,電抗器的實際間距為l′,電抗器的總?cè)萘繛镸。

由以上分析計算可得

5 計算軟件設(shè)計

(1)算法程序流程圖

結(jié)合以上算法,可得出軟件的流程圖,如圖6所示。具體內(nèi)容包括:初始值設(shè)置、數(shù)據(jù)計算、圖形輸出、保存數(shù)據(jù)。

(2)軟件界面設(shè)計

圖6 算法流程

本部分程序依據(jù)軟件工程設(shè)計思想,應用Visual C++6.0語言,基于MFC對話框,實現(xiàn)了程序結(jié)構(gòu)化、功能模塊化。軟件界面如圖7所示。

圖7 客運專線10 kV電力貫通線電容電流補償計算軟件界面

經(jīng)該軟件計算可得吉圖琿客運專線4號配電所至5號配電所區(qū)段貫通線電容電流補償方案為:M1= 144,M2=108,M3=72,M4=144,(M1,M2,M3,M4為各區(qū)間電抗器的計算容量)對應里程為:l1=167.279, l2=179.572,l3=191.865,l4=204.158。

6 優(yōu)化設(shè)計

實際工程中,箱變一般設(shè)置于區(qū)間負荷點處,所以電抗器應結(jié)合區(qū)間箱變位置,兩者盡量合建。另外,考慮到分段檢修及停電故障等因素,電抗器宜分散設(shè)置。

依據(jù)軟件計算結(jié)果,并結(jié)合本工程實際,得出吉圖琿貫通線電容電流補償方案(4號配電所至5號配電所區(qū)段),如圖8所示。

圖8 補償方案示意(單位:km)

7 結(jié)語

通過對貫通線路電纜電容電流的分析計算,就客運專線電纜貫通線路供電系統(tǒng)的接地方式和補償方案進行了深入研究,在此基礎(chǔ)上,應用VC++6.0進行編程計算,并結(jié)合工程實際情況進行了優(yōu)化設(shè)計,得到了較為合理的電容電流補償方案,對相關(guān)的工程設(shè)計具有較好的指導意義。

[1] TB 10008—2006,鐵路電力設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社,2006.

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[3] TB 10020—2009,J971—2009,高速鐵路設(shè)計規(guī)范(試行)[S].

[4] 羅思衷.合蚌客運專線10 kV單芯電纜設(shè)計中若干問題的探討[J].高速鐵路技術(shù),2010(4):37 -41.

[5] 王 顥,易 東.青藏鐵路電纜貫通線并聯(lián)電抗器補償方式研究[J].鐵道工程學報,2008(8):67 -74.

[6] 顏秋容,劉 欣,王學鋒,段獻忠.鐵路10 kV電纜貫通線電容電流補償度研究[J].鐵道學報,2006(2):85 -88.

Research on the Earthing Approach and Com pensation Option for Passenger-dedicated Railway 10kv Power Cable Through Lines

Chen Shimin1,Niu Dapeng2,Ma Fengchao1,Liang Kongyu1
(1.Electrification Institute,China Railway Engineering Design and Consultant Group Co.,Ltd.,Beijing 100055; 2.Southwest Jiaotong University,Chengdu 610030)

In the power supply system of passenger-dedicated railways,earthing approach and capacity compensation option of power cables become the key technical problem since the capacity effect of the cables of through lines are complicated.The paper carried out a detailed calculation of the capacity current in the cables of through lines,incorporating the design of Jilin-Tumenjiang-Fenchun railway,studied the earthing approach and compensation option of through lines.On this basis,a software has been compiled by using VC++6.0 to calculate the capacity current compensation for current through lines,to provide a powerful tool for future project design.

Passenger-dedicated railway; Power cable through lines; Capacity current; Earthing approach;Compensation

U223.5+1

A

1004 -2954(2011)08 -0122 -04

2011-04-12;

2011-05 -23

陳世民(1973—),男,工程師,2008年畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學電氣工程及其自動化專業(yè),工學學士。