柴油發電機帶10 kV貫通線電纜線路運行可行性研究

孫建明，易 東

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063;2.西南交通大學，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濟損失，然而電力故障突發性強，往往不以人們的意志為轉移，因為無論供電部門管理得再嚴格、電網設備再先進，斷電也在所難免。為此，在災情特別嚴重的地區高速鐵路配電所必要時將設有應急柴油發電機組，例如日本九洲新干線、武漢廣州高速鐵路等，當市電停電時，通過柴油發電機帶全電力貫通線運行，保證與行車密切相關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，柴油發電機組能否帶長距離電纜貫通線穩定運行需要研究，本文將對電纜貫通線設置柴油發電機是否可行進行分析研究。

1 柴油發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成，為了保證長距離、輕負荷的區間貫通線供電質量，鐵路變配電所設有專用10/10 kV的調壓器向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，可能會使功率因數超前，使功率因數角由正變負，引起末端電壓升高。并聯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。必須在電纜線路中并聯電抗器，其作用為:

(1)削弱電容效應引起的電壓升高，改善線路電壓分布，提高用戶電壓質量，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。

當電纜貫通線路無功補償選擇欠補償方式時，作為應急電源的柴油發電機會處于進相運行狀態，發電機進相運行時帶載能力下降，穩定性下降;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電機容量及貫通線供電長度時，應綜合考慮以上因素［5～8］。

2 仿真計算

為研究在配電所集中設置柴油發電機作為高速鐵路沿線與行車密切相關的通信、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，分析了發電機電壓、電流、功率及穩定特性，包括:(1)不進行并聯電抗器補償時，低壓柴油發電機帶電纜貫通線路空載運行、負載運行情況仿真計算。(2)采用并聯電抗器補償，低壓發電機帶電纜貫通線路帶負載仿真計算。(3)低壓發電機越區運行的仿真計算。(4)高壓發電機越區運行仿真計算。受篇幅限制，本文僅對前2種工況進行仿真。

系統基本參數為: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容量1392 kVA，負荷需要系數取0.65，系統圖如圖1所示，電纜參數如表1所示，發電機組系統基本參數如表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［5］

表2 鐵路貫通線用柴油發電機組參數(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，并聯電抗器1設在變壓器出口，并聯電抗器2設在線路末端。補償度K=(并聯電抗器1的容量+并聯電抗器2的容量)/線路電容功率，表3、表4為柴油發電機容量變化時，并聯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。當發電機容量增大到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，發電機容量為1 MVA時，從表5可以看出，發電機只能帶10 km電纜線路，超過10 km時，線路電壓大于額定電壓的8%，不滿足電壓質量要求。

表3 發電機容量為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，仿真結果:發電機容量1 MVA，負荷率100%，功率因數為1時，電壓在合格范圍，功率因數為0.85、0.9時，線路電壓較低，見表6;負荷率70%時，功率因數為0.85、0.9、0.95時，電壓在合格范圍，功率因數為1時，線路電壓較高，見表7。

表6 發電機容量1 MVA、負荷率100%、不同功率因數下線路電壓分布 kV

表7 發電機容量1 MVA、負荷率70%、不同功率因數下線路電壓分布 kV

表8表明發電機容量1 MVA時，不能穩定運行(圖2)。表9表明發電機容量1.25 MVA，電壓在合格范圍，發電機處于進相運行狀態，當負荷率100%時，發電機不能夠穩定運行。當負荷率70%發電機可以穩定運行。負荷率70%時，功率因數為0.85時，發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，功率因數為0.9時，發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表明發電機容量1.5 MVA，電壓在合格范圍，發電機處于進相運行狀態，當負荷率100%時，發電機不能夠穩定運行，此時發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表明發電機容量2 MVA，電壓在合格范圍，發電機處于進相運行狀態，當負荷率70%時，發電機額定有功功率與負荷有功功率之比大于1.58時，可以穩定運行。

圖2 發電機容量1 MVA，負荷率70%時，功率因數為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 發電機容量1 MVA，電壓在合格范圍，發電機電壓、電流、功率

表9 發電機容量1.25 MVA，電壓在合格范圍，發電機電壓、電流、功率

表10 發電機容量1.5 MVA，電壓在合格范圍，發電機電壓、電流、功率

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

3 結論

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

(2)發電機容量選擇應有一定余量，發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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