基于平南鐵路10kV電力貫通線(xiàn)的無(wú)功補(bǔ)償研究

王征

摘 要：文章以平南鐵路10kV電力貫通線(xiàn)的實(shí)際情況為基礎(chǔ)，對(duì)其補(bǔ)償方式的選定和補(bǔ)償容量的計(jì)算進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電力貫通線(xiàn)無(wú)功功率的補(bǔ)償，提高了鐵路電能質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：平南鐵路;電力貫通線(xiàn);無(wú)功功率;補(bǔ)償容量

中圖分類(lèi)號(hào)：U223 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）03-0132-03

0 引言

電力貫通線(xiàn)是鐵路沿線(xiàn)連通兩相鄰變配電所的主要對(duì)沿線(xiàn)鐵路信號(hào)、通信及其他鐵路綜合用電負(fù)荷供電的10kV或35kV電力線(xiàn)路，其電源引于地方電網(wǎng)或地方電網(wǎng)以外的發(fā)電廠、變電站及輸配電線(xiàn)路。以架空方式為主的電力貫通線(xiàn)，因線(xiàn)路阻抗主要呈感性且整個(gè)線(xiàn)路所帶負(fù)荷主要為感性負(fù)荷（變壓器等），所以在一般情況下呈現(xiàn)感性特征。感性無(wú)功會(huì)使線(xiàn)路電壓損失增大，使電氣設(shè)備在低功率因數(shù)下運(yùn)行得不到充分發(fā)揮，尤其是影響信號(hào)設(shè)備等正常運(yùn)行。當(dāng)電力貫通線(xiàn)主要采用電力電纜或者全電纜時(shí)，因電纜中電容比較大，如果整個(gè)電力系統(tǒng)選用的是不接地中性點(diǎn)的方式進(jìn)行運(yùn)行，一旦出現(xiàn)單相接地故障就會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生的電流比較大，這就造成電弧無(wú)法及時(shí)熄滅，帶單相接地故障運(yùn)行時(shí)就會(huì)造成故障逐步擴(kuò)大化，以此產(chǎn)生過(guò)電壓。這種接地故障的產(chǎn)生，最終會(huì)對(duì)鐵路的行車(chē)安全產(chǎn)生極大的不利影響，最終造成非常大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至也會(huì)導(dǎo)致社會(huì)的不安定因素的產(chǎn)生。所以對(duì)電力貫通線(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償?shù)难芯浚瑢?duì)于提高電能質(zhì)量具有極大的現(xiàn)實(shí)作用。

1 項(xiàng)目概況

平南鐵路經(jīng)過(guò)深圳市西北部丘陵區(qū)和西南沿海海岸灘涂區(qū)，自木古（位于平湖南編組站）起沿線(xiàn)分布有坂田、塘朗（在建）、西麗、深圳西、媽灣、蛇口等7座車(chē)站（含平湖南站），設(shè)計(jì)行車(chē)速度80km/h。在木古站以及深圳西站分別設(shè)置10kV配電所一座，沿線(xiàn)設(shè)置一條一級(jí)負(fù)荷電力貫通線(xiàn)，貫通線(xiàn)采用架空線(xiàn)——電纜混合線(xiàn)路，線(xiàn)路全長(zhǎng)35.54km，其中架空部分11.52km，電纜部分24.02km，屬于大部分采用電力電纜的線(xiàn)路。鑒于此種情況，本著合理經(jīng)濟(jì)的原則，根據(jù)各種補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償特點(diǎn)，平南鐵路電力供電系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償方案選擇用并聯(lián)抗電器與電容器相互結(jié)合的方式。

2 系統(tǒng)模型與基本數(shù)據(jù)

圖1所示為平南鐵路10kV配電系統(tǒng)圖。線(xiàn)路采用架空線(xiàn)——電纜混合線(xiàn)路，其中架空部分采用LGJ-120型帶絕緣護(hù)套的鋼芯鋁絞線(xiàn)，電纜部分采用YJV22-8.7/10kV 120mm2交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜。

3 并聯(lián)電容器補(bǔ)償方案

3.1 補(bǔ)償方式

結(jié)合電力網(wǎng)絡(luò)以及電容的補(bǔ)償要求和網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，能夠?qū)⑵浒惭b在電力系統(tǒng)的不同節(jié)點(diǎn)上，結(jié)合不同的安裝位置，當(dāng)前針對(duì)補(bǔ)償方式的選擇主要有3種方式，分別為：混合補(bǔ)償、集中補(bǔ)償、就地補(bǔ)償。一般來(lái)說(shuō)，普通速度的鐵路的電力貫通線(xiàn)因?yàn)槠渚€(xiàn)路相對(duì)比較長(zhǎng)，而且系統(tǒng)中變壓器也比較多，變壓器具有分散的特點(diǎn)，所以比較適合選用電容器并聯(lián)的方式來(lái)加以補(bǔ)償，采取這樣的補(bǔ)償方式也比較方便進(jìn)行管理，而且還能降低功耗，提高系統(tǒng)的供電質(zhì)量。

基于此，本項(xiàng)目對(duì)于線(xiàn)路感性無(wú)功的補(bǔ)償采取在平湖南和深圳西10kV配電所分別設(shè)置高壓電容器室采用并聯(lián)電容器集中補(bǔ)償?shù)姆绞竭M(jìn)行補(bǔ)償。

3.2 連接方式

根據(jù)接線(xiàn)方式的不同，三相電容器主要分為星形接線(xiàn)和三角形接線(xiàn)2種連接方式。

為了能夠減小短路電流，增強(qiáng)供電系統(tǒng)的可靠性，鐵路電力系統(tǒng)高壓電容器宜選用星形接線(xiàn)。

3.3 投切方式

并聯(lián)式電容器一般有人工投切和自動(dòng)投切兩種方式。

根據(jù)鐵路電力系統(tǒng)高壓負(fù)荷變化小，產(chǎn)生的沖擊性小的特點(diǎn)，高壓電容器的投切方式宜選用人工投切方式。這種方式比較方便對(duì)其進(jìn)行維護(hù)，而且也具有非常顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

3.4 補(bǔ)償容量的計(jì)算

依據(jù)《鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)——電力》的規(guī)定，對(duì)處于正常網(wǎng)內(nèi)的電力用戶(hù)功率因數(shù)作如下規(guī)定：高壓供電的工業(yè)用戶(hù)，功率因數(shù)為0.9以上，其他100kVA及以上的電力用戶(hù)，功率因數(shù)為0.85以上。當(dāng)用戶(hù)自然功率因數(shù)達(dá)不到這一標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，必須裝設(shè)無(wú)功補(bǔ)償裝置使其達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

（1）配電所總平均功率因數(shù)（補(bǔ)償前）的確定。

總平均功率因數(shù)（補(bǔ)償前）計(jì)算公式：

（1）

式中：——功率因數(shù)角（補(bǔ)償前）;

P30——由配電所供電的月最大有功功率計(jì)算負(fù)荷，kW;

Q30——由配電所供電的月最大無(wú)功功率計(jì)算負(fù)荷，kVAR;

α、β——月平均負(fù)載率，一般可取0.7～0.8。

（2）配電所總平均功率因數(shù)（補(bǔ)償后）的確定。

總平均功率因數(shù)（補(bǔ)償后）計(jì)算公式：

（2）

式中：——功率因數(shù)角（補(bǔ)償后）;取0.9～0.92;

Qc——配電所并聯(lián)電容器組補(bǔ)償總?cè)萘?，kVAR。

配電所并聯(lián)電容器組補(bǔ)償總?cè)萘縌c（kVAR）的確定。

（3）補(bǔ)償總?cè)萘坑?jì)算公式：

Qc=P30·（tgj1-tgj2）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

根據(jù)（1）、（2）、（3）式，經(jīng)計(jì)算，平南鐵路10kV配電所總平均功率因數(shù)（補(bǔ)償前）為cosj1=0.75，總平均功率因數(shù)（補(bǔ)償后）取cosj2=0.9，因此，補(bǔ)償總?cè)萘縌c=389kVAR。

4 并聯(lián)電抗器補(bǔ)償方案

4.1 補(bǔ)償方式

大量采用電纜敷設(shè)的貫通線(xiàn)路，需要對(duì)其容性無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償，經(jīng)常采取的方式是將并聯(lián)電抗器分散安裝于電力貫通線(xiàn)側(cè)，進(jìn)行區(qū)間分散補(bǔ)償?shù)姆绞健Ｏ涫阶冸娬臼胶蛻?hù)外桿架式為其主要安裝形式。根據(jù)操作空間的大小、運(yùn)行環(huán)境的惡略程度等因素，在箱變內(nèi)安裝的箱式變電站式因受空間大小的限制并且工廠預(yù)制安裝整體運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)等情況，比較適合選擇那些不漏油且質(zhì)量相對(duì)比較小的干式電抗器，而油浸鐵心式并聯(lián)電抗器因較適宜在惡劣的環(huán)境中運(yùn)行常用于戶(hù)外桿架式。

基于此，本項(xiàng)目對(duì)于線(xiàn)路容性無(wú)功的補(bǔ)償采用星形連接的電抗器組分散并聯(lián)于貫通線(xiàn)上的分散補(bǔ)償方式，如圖2所示。

4.2 補(bǔ)償容量的計(jì)算

4.2.1 線(xiàn)路模型電容電流的計(jì)算

因?yàn)樵陔娏ο到y(tǒng)中電纜存在著相間電容和對(duì)地電容，針對(duì)不接地中性系統(tǒng)，一旦出現(xiàn)線(xiàn)路故障，就會(huì)造成接地短路電流，具體的電流計(jì)算如下：

Ic0=ω（Cy+3Cx）Uj? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

式中：Ic0——電纜單位長(zhǎng)度電容電流，A/km;

Cy——電纜單位長(zhǎng)度對(duì)地電容，μF/km;

Cx——電纜相間單位長(zhǎng)度電容，μF/km;

Uj——系統(tǒng)相電壓，kV;

ω——系統(tǒng)角頻率。

經(jīng)計(jì)算，120mm2電纜的單位長(zhǎng)度電容電流為1.87A/km，考慮到其他設(shè)備的電容電流，乘上1.16的系數(shù)，線(xiàn)路模型的單相短路電容電流為52.1A。

4.2.2 補(bǔ)償容量的算法

第一種算法：一旦整個(gè)電力系統(tǒng)出現(xiàn)單相短路，就會(huì)出現(xiàn)線(xiàn)路殘流變得最小。并聯(lián)三相星形中性點(diǎn)接地電抗器，最佳補(bǔ)償度取0.75，并且要求系統(tǒng)能夠帶單相接地故障運(yùn)行2小時(shí)。

第二種算法：以系統(tǒng)發(fā)生單相接地短路時(shí)電弧能可靠自熄為根本目標(biāo)，將單相接地短路電流控制在10A以下，并聯(lián)三相星形中性點(diǎn)接地電抗器，并且要求系統(tǒng)能夠在帶單相接地故障運(yùn)行2小時(shí)內(nèi)不會(huì)導(dǎo)致因穩(wěn)定燃燒或電弧重燃而損毀電纜以致擴(kuò)大為相間故障。

4.2.3 線(xiàn)路模型的計(jì)算

以24.02km，120mm2一級(jí)負(fù)荷貫通線(xiàn)為例，分別運(yùn)用算法一和算法二計(jì)算補(bǔ)償電抗的容量。圖3為計(jì)算原理圖。

算法一：依據(jù)圖3，線(xiàn)路容性電流Ic0=36.4A，單相故障電容電流為3Ic=45A。按照75%的補(bǔ)償度，補(bǔ)償電感電流IL=45×75%=33.75A。正常情況下電源側(cè)線(xiàn)路容性殘流Ic0-IL=2.65A。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，如圖4所示，接地電流Id=3IL-3Ic=56.25A，依據(jù)Id<10A的要求，顯然電弧不能自熄，系統(tǒng)帶故障運(yùn)行是不安全的。

根據(jù)電纜參數(shù)Ic0≈2Ic，在75%的補(bǔ)償度下，交聯(lián)電力電纜上電弧熄滅條件為：

Id=|3IL-3Ic|=|3×0.75×2Ic-3Ic|=0.5×（3Ic）<10A

即3Ic<20A，就是說(shuō)要滿(mǎn)足電弧熄滅條件線(xiàn)總電容電流必須小于20A。120mm2線(xiàn)路的三相電容電流為1.87A/km，故線(xiàn)路長(zhǎng)度必須小于10.7km?？紤]到系統(tǒng)上其他設(shè)備的電容電流、高次諧波電流、接地點(diǎn)的阻性電流，線(xiàn)路長(zhǎng)度在此基礎(chǔ)上還要減小。因此，在電力網(wǎng)絡(luò)中只有當(dāng)電容電流小于20A時(shí)，采用此算法計(jì)算電容補(bǔ)償容量。

算法二：圖4中，3Ic=45A，單相接地故障電流Id=|3IL-3Ic|，若以Id<10A為補(bǔ)償目標(biāo)，則35A<3IL<55A，取3IL=50A，IL=16.7A，故障接地電流約5.0A，補(bǔ)償度為=16.7/36.4=0.46。通常情況之下，可以得出電源側(cè)線(xiàn)路容性殘流Ic0-IL= 19.7A。顯然，此種補(bǔ)償方法能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)帶故障運(yùn)行條件。

綜上所述，發(fā)生單相短路故障時(shí)，對(duì)于電容電流稍大的網(wǎng)絡(luò)，算法一這種以線(xiàn)路容性殘流小為目標(biāo)的補(bǔ)償算法，滿(mǎn)足不了電弧熄滅要求。算法二這種以使電弧能可靠熄滅為根本目標(biāo)的補(bǔ)償算法優(yōu)于算法一。

5 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)平南鐵路10kV電力貫通線(xiàn)的線(xiàn)路特點(diǎn)，從合理、可靠、節(jié)約投資的角度對(duì)其電力供電系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償方案進(jìn)行了選定和研究。近年來(lái)，隨著設(shè)備技術(shù)的不斷進(jìn)步，動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償方式（SVC補(bǔ)償模式和SVG補(bǔ)償模式）被越來(lái)越多的應(yīng)用到高速鐵路電力供電系統(tǒng)中，不斷提高其補(bǔ)償?shù)暮侠硇浴?/p>

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