柴油發(fā)電機帶10 kV貫通線電纜線路運行可行性研究

孫建明，易 東

(1.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，武漢 430063;2.西南交通大學(xué)，成都 610031)

高速鐵路10 kV電力貫通線供電臂長度一般為40～60 km，個別區(qū)段長達70 km，電力貫通線主要對沿線通信、信號等重要負荷供電，一旦中斷供電，將會造成重大的政治影響和經(jīng)濟損失，然而電力故障突發(fā)性強，往往不以人們的意志為轉(zhuǎn)移，因為無論供電部門管理得再嚴(yán)格、電網(wǎng)設(shè)備再先進，斷電也在所難免。為此，在災(zāi)情特別嚴(yán)重的地區(qū)高速鐵路配電所必要時將設(shè)有應(yīng)急柴油發(fā)電機組，例如日本九洲新干線、武漢廣州高速鐵路等，當(dāng)市電停電時，通過柴油發(fā)電機帶全電力貫通線運行，保證與行車密切相關(guān)的通信信號等特別重要的一級負荷。全電纜貫通線對地電容電流遠大于架空線路，柴油發(fā)電機組能否帶長距離電纜貫通線穩(wěn)定運行需要研究，本文將對電纜貫通線設(shè)置柴油發(fā)電機是否可行進行分析研究。

1 柴油發(fā)電機帶電纜貫通線面臨的主要問題［1～4］

高速鐵路供配電系統(tǒng)主要由外部電源、變配電所、沿線兩回10 kV高壓電力貫通線路等構(gòu)成，為了保證長距離、輕負荷的區(qū)間貫通線供電質(zhì)量，鐵路變配電所設(shè)有專用10/10 kV的調(diào)壓器向10 kV貫通線供電。

單位長度的電纜線路的電容電流比架空線路電容電流大很多倍，全電纜貫通線對地電容電流很大。由于電纜線路電容遠大于架空線路，可能會使功率因數(shù)超前，使功率因數(shù)角由正變負，引起末端電壓升高。并聯(lián)電抗器可以吸收多余的容性無功功率，為將電纜線路在負載或空載時的電壓控制在允許的范圍之內(nèi)。必須在電纜線路中并聯(lián)電抗器，其作用為:

(1)削弱電容效應(yīng)引起的電壓升高，改善線路電壓分布，提高用戶電壓質(zhì)量，同時也限制了操作過電壓水平;

(2)改善輕載情況下線路中的無功潮流分布，提高線路功率因數(shù)值，減少輕載或空載時無功的不合理流動，使無功就地平衡從而降低線路的有功功率損耗，提高供電效率。

當(dāng)電纜貫通線路無功補償選擇欠補償方式時，作為應(yīng)急電源的柴油發(fā)電機會處于進相運行狀態(tài)，發(fā)電機進相運行時帶載能力下降，穩(wěn)定性下降;而選擇過補償方式時，可能使線路末端電壓低于正常值，因此，在考慮電纜貫通線的柴油發(fā)電機容量及貫通線供電長度時，應(yīng)綜合考慮以上因素［5～8］。

2 仿真計算

為研究在配電所集中設(shè)置柴油發(fā)電機作為高速鐵路沿線與行車密切相關(guān)的通信、信號等重要負荷的備用電源可行性，課題組選取了武廣高速鐵路一段長78.3 km全電纜綜合貫通線作為仿真計算模型，利用Matlab/simulink仿真軟件分別對高、低壓柴油發(fā)電機組對電纜貫通線路供電的各種工況進行了仿真計算，分析了發(fā)電機電壓、電流、功率及穩(wěn)定特性，包括:(1)不進行并聯(lián)電抗器補償時，低壓柴油發(fā)電機帶電纜貫通線路空載運行、負載運行情況仿真計算。(2)采用并聯(lián)電抗器補償，低壓發(fā)電機帶電纜貫通線路帶負載仿真計算。(3)低壓發(fā)電機越區(qū)運行的仿真計算。(4)高壓發(fā)電機越區(qū)運行仿真計算。受篇幅限制，本文僅對前2種工況進行仿真。

系統(tǒng)基本參數(shù)為:變壓器電壓百分比8%、容量1MVA、變比0.4 kV/10 kV，電纜長度78.3 km，線路上負荷變壓器總?cè)萘?392 kVA，負荷需要系數(shù)取0.65，系統(tǒng)圖如圖1所示，電纜參數(shù)如表1所示，發(fā)電機組系統(tǒng)基本參數(shù)如表2所示。

圖1 78.3 km綜合貫通線負荷分布(單位:km)

表1 YJV628.7/10 kV(95 mm2)電纜參數(shù)［5］

表2 鐵路貫通線用柴油發(fā)電機組參數(shù)(卡特彼勒)

2.1 貫通線路空載運行情況仿真計算

線路空載，0.2 s合上線路，并聯(lián)電抗器1設(shè)在變壓器出口，并聯(lián)電抗器2設(shè)在線路末端。補償度K=(并聯(lián)電抗器1的容量+并聯(lián)電抗器2的容量)/線路電容功率，表3、表4為柴油發(fā)電機容量變化時，并聯(lián)電抗器不同補償度時，線路電壓變化情況。從表3、表4中可以看出補償度K在0.9～1.1時，線路電壓在合格范圍;補償度小于0.8時，線路電壓偏高;補償度大于1.1時，線路電壓偏低。當(dāng)發(fā)電機容量增大到2 MVA時，補償度在0.8～1.2時，線路電壓在合格范圍。

而不補償電抗器時，發(fā)電機容量為1 MVA時，從表5可以看出，發(fā)電機只能帶10 km電纜線路，超過10 km時，線路電壓大于額定電壓的8%，不滿足電壓質(zhì)量要求。

表3 發(fā)電機容量為1 MVA時，在不同電抗器補償度下線路電壓 kV

表4 發(fā)電機容量為2 MVA時，在不同電抗器補償度下線路電壓 kV

表5 發(fā)電機容量為1 MVA、空載運行、不補償電抗器時的線路電壓 kV

2.2 貫通線路帶負載運行情況仿真計算

由于負荷點較多，為便于計算，將負載分成5個集中負載進行仿真計算，0.2 s合上線路，仿真結(jié)果:發(fā)電機容量1 MVA，負荷率100%，功率因數(shù)為1時，電壓在合格范圍，功率因數(shù)為0.85、0.9時，線路電壓較低，見表6;負荷率70%時，功率因數(shù)為0.85、0.9、0.95時，電壓在合格范圍，功率因數(shù)為1時，線路電壓較高，見表7。

表6 發(fā)電機容量1 MVA、負荷率100%、不同功率因數(shù)下線路電壓分布 kV

表7 發(fā)電機容量1 MVA、負荷率70%、不同功率因數(shù)下線路電壓分布 kV

表8表明發(fā)電機容量1 MVA時，不能穩(wěn)定運行(圖2)。表9表明發(fā)電機容量1.25 MVA，電壓在合格范圍，發(fā)電機處于進相運行狀態(tài)，當(dāng)負荷率100%時，發(fā)電機不能夠穩(wěn)定運行。當(dāng)負荷率70%發(fā)電機可以穩(wěn)定運行。負荷率70%時，功率因數(shù)為0.85時，發(fā)電機額定有功功率與負荷有功功率之比為1 000/538.5=1.86。負荷率70%時，功率因數(shù)為0.9時，發(fā)電機額定有功功率與負荷有功功率之比為1 000/570.15=1.75。

表10表明發(fā)電機容量1.5 MVA，電壓在合格范圍，發(fā)電機處于進相運行狀態(tài)，當(dāng)負荷率100%時，發(fā)電機不能夠穩(wěn)定運行，此時發(fā)電機額定有功功率與負荷有功功率之比為1.5/(1.25×0.905)=1.33。表11表明發(fā)電機容量2 MVA，電壓在合格范圍，發(fā)電機處于進相運行狀態(tài)，當(dāng)負荷率70%時，發(fā)電機額定有功功率與負荷有功功率之比大于1.58時，可以穩(wěn)定運行。

圖2 發(fā)電機容量1 MVA，負荷率70%時，功率因數(shù)為0.85時，0.1 s合上78.3 km電纜線路，貫通線相電壓有效值

表8 發(fā)電機容量1 MVA，電壓在合格范圍，發(fā)電機電壓、電流、功率

表9 發(fā)電機容量1.25 MVA，電壓在合格范圍，發(fā)電機電壓、電流、功率

表10 發(fā)電機容量1.5 MVA，電壓在合格范圍，發(fā)電機電壓、電流、功率

表11 發(fā)電機容量2 MVA，電壓在合格范圍，發(fā)電機電壓、電流、功率(并聯(lián)電抗器補償度0.9)

3 結(jié)論

(1)負載低于等于70%(633 kVA)時，增加電抗器補償，柴油發(fā)電機可以帶電纜通線78.3 km運行;而不補償電抗器時，發(fā)電機可以帶10 km電纜線路運行。

(2)發(fā)電機容量選擇應(yīng)有一定余量，發(fā)電機額定有功容量與負荷有功功率之比需要大于1.58。

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