鐵路電力貫通線長距離輸電補償方案研究

郭紅衛

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

鐵路電力貫通線長距離輸電補償方案研究

郭紅衛

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

鐵路電力貫通線長距離輸電存在一系列問題,如在線路輕載時末端電壓升高,重載時末端電壓下降,嚴重情況下末端電壓將超出允許范圍,嚴重影響供電的可靠性和安全性,影響行車安全。對臨河至策克鐵路互做布其35kV變電所與額濟納35kV變電所間超長距離貫通線進行分析,提出并聯電抗和串聯電容相結合的補償方案,建立仿真模型,分別對集中補償方案和分散補償方案的有效性進行驗證。結果表明：提出的補償方案能夠很好地解決鐵路電力貫通線長距離輸電時存在的問題。

鐵路；電力貫通線；長距離輸電；補償裝置；仿真

1 概述

鐵路電力貫通線為鐵路沿線通信、信號及其他負荷提供電能[1-2]，其供電可靠性及電能質量直接影響行車安全及生產生活[3]。在電網薄弱地區由于地方電源的限制，有時電力貫通線不得已采用長距離輸電，這就使其供電可靠性及電能質量下降[4]，影響行車安全及生產生活。

長距離輸電在國家電網已有相關理論研究，文獻[5]提出了一種基于傳輸線理論的特高壓長距離輸電串補算法，文獻[6]提出了一種可控串補補償技術，文獻[7]提出了一種帶諧波補償繞組的變壓器式可控電抗器容性無功補償技術。目前長距離輸電補償技術在鐵路行業的理論研究較少，由于鐵路電力貫通線負荷點多、負荷不均勻、線路構成復雜以及要求正反向均能送電等特點，其補償方案需要進行有針對性的研究[8]。

呼和浩特鐵路局管轄范圍內的臨河至策克鐵路互做布其變電所(簡稱“所A”)與額濟納變電所(簡稱“所B”)之間的供電臂長345 km，采用35 kV架空線路供電，屬于超長距離輸電。由于供電臂太長，目前該供電臂采用中間開口分斷運行方式，無法實現正反向相互供電。

2 長距離輸電存在的問題

長距離輸電需解決的問題主要有兩個：一是線路輕載時，由輸電線路分布電容引起的電壓上翹，使輸電線路整體電壓水平偏高，嚴重時超過最高電壓允許值；二是線路重載時，由線路阻抗引起的末端電壓下降，使輸電線路整體電壓水平偏低，不滿足運行要求[9]。

輕載時由于線路分布電容的影響[10-11]，輸電線路的電壓被抬升。分布電容引起的電壓升可由下式計算

式中，Δu%為負荷引起的電壓升；B為線路每千米電納，S；Un為標稱線電壓，kV；Z為線路每千米阻抗值，Ω；L為線路長度，km。

其中單回路線路每千米電納B可由下式計算

式中，Dcp為導線間的幾何均距；r為導線的外半徑，cm。

分布電容引起的線路始端充電功率為

式中，UH為線路的額定線電壓，V。

重載時由于線路阻抗的影響，輸電線路的電壓被拉低。負荷引起的電壓降可由下式計算

式中,Δu%為負荷引起的電壓降；Un為標稱線電壓，kV；R0為線路每千米電阻值，Ω；XL為線路每千米電抗值，Ω；Pi為有功負荷，kW；Li為線路長度，km。

3 仿真模型的建立

利用Matlab中的Simulink模塊搭建仿真模型。電源模塊選用3-Phase-Source模塊，Yg接法，參數設置如下：電壓等級35 kV，頻率50 Hz，短路容量100MVA。負荷模塊選用3-Phase-Parallel-RLC-Load，負荷分散且無規律，應分別對有功和無功進行設置[12]。配電線路模塊選用Distributed-Parameters-Line模塊，架空線路桿頂組裝為上字形，無地線，平均線間距為3.018 m，故取幾何均距為3 m。線路電阻可由式(5)計算，R=0.33 Ω/km，電抗可由式(7)計算，Xl=0.397 Ω/km，線路電納可由式(2)計算，B=2.87 S/km×10-6。計算得該段線路總電阻為113.85 Ω，總電感為0.436 H，總電容為3.153 μF。

式中，Rθ為導體實際工作溫度時的交流電阻值；Kjf為集膚效應系數；Klj為臨近效應系數；ρθ為導體溫度為θ時的電阻率，10-6Ω·cm；cj為絞入系數；L為線路長度，m；S為導線截面，mm2；ρ20為導線溫度為20 ℃時的電阻率；a為電阻溫度系數。

單個負荷點仿真基本拓撲模型如圖1所示。

圖1 單負荷點仿真模型

由于負載功率變化范圍較大，采用恒功率模型，對不同功率情況下的運行情況分別進行仿真，比采用恒阻抗模型更接近實際情況。逐一設定各負荷點，分別對每個負荷點的功率進行設置，組成供電系統網絡拓撲圖，如圖2所示。正向供電時由Es1供電，Es2不接入；反向供電時由Es2供電，Es1不接入。圖中Z為線路參數，P為負載功率。

圖2 供電網絡理論拓撲圖

實際上由于負荷點沿線路分布很多，而且沒有規律，為了便于模型的建立，對沿線負荷進行合理的歸并。歸并后負荷分布如表1所示。

表1 沿線負荷分布

由表1可繪制出沿線供電負荷曲線，如圖3所示。

圖3 供電負荷曲線

4 不帶補償時的情況

4.1 不帶補償時實際采集數據

在中間分斷開關不閉合的情況下，測得的實際運行數據見表2，可以看出，在不閉合中間分段開關的情況下供電電壓基本滿足要求；但是在這種情況下無法實現互供，另外，因為容性無功的影響使得系統的功率因數很低。另外，首端、末端是相對的，由哪端的電源供電，該端即為首端。

表2 所A至所B不帶補償時不閉合中間分斷開關實際采集數據

運營單位將該段線路中間分斷開關閉合后，在不帶補償的情況下進行過測試，測得線路整體上運行于高電壓狀態，超過允許值，為防止發生事故隨即斷開分段開關，恢復分斷運行模式。測得的數據見表3。

表3 所A至所B不帶補償時閉合中間分斷開關實際采集數據

4.2 不帶補償時仿真計算

中間分斷開關閉合后，對電壓上升最為嚴重的空載情況進行仿真，結果如圖4所示。

圖4 不帶補償時沿線電壓分布情況

從圖4(a)可以看出，由于分布電容的影響，貫通后空載時電壓整體運行在較高水平，正向供電時首端電壓被抬升到39.21 kV，最高電壓出現在末端，為42.09 kV；反向供電時首端電壓被抬升到36.58 kV，最高電壓也出現在末端，為39.11 kV。正反向供電時電壓分布的差別主要由電源線路的長度，變壓器的短路阻抗等因素造成。

對電壓下降最為嚴重的滿載情況進行仿真，結果如圖4(b)所示。從圖可以看出，由于線路阻抗的影響，貫通后滿載時電壓整體運行在較低水平，正向供電時首端電壓被拉低到33.95 kV，最低電壓出現在末端，為32.06 kV；反向供電時首端電壓被拉低到34.85 kV，最低電壓也出現在末端，為31.88 kV。

對不同負載率的情況分別進行仿真計算，得出了不同負載率下首端、末端、最高以及最低電壓。圖5(a)為正向供電時的情況，圖5(b)為反向供電時的情況。

圖5 不帶補償不同負載率情況下電壓分布情況

由圖5可以看出，輕載時最高電壓與末端電壓相同，隨著負載的增加，最高電壓逐步接近首端電壓；末端電壓變化幅度較大，在42.09～31.88 kV之間波動；由于負荷分布的不均勻性，供電方向的變化會影響線路的電壓水平。

主要有以下幾個影響因素：(1)線路越長，對整個線路的電壓水平影響越大；(2)變壓器短路阻抗越大，對線路電壓水平影響越大；(3)負荷大小及其安裝地點對電壓水平影響較大；(4)實際負載率約為17%，仿真結果與實測數據基本一致。

由以上數據可以看出，電壓波動嚴重超出了允許范圍，會給用電設備帶來極大的危害，因此需要采取補償措施將電壓波動限制在允許范圍內。

5 補償方案

5.1 補償方案的選擇

為滿足相鄰兩所正反向相互供電的要求，同時采用并聯電抗和串聯電容相補償的方案。采用并聯電抗補償線路分布電容的影響；采用串聯電容補償長距離輸電的線路電感的影響[13-14]。

并聯電抗可以限制接入點的電壓值，相當于增大了等效波阻抗。其原理可以用圖6來說明。

圖6 并聯電抗電壓分布

受電端的電壓由下式決定

并聯電抗的容量可采用下式計算

式中,QL為需要補償的電抗容量，kVar；k為補償度；C為線路每千米電容值，F；U為線路電壓等級，kV；L為線路長度，單位km；B為線路每千米電納，S。

串聯補償的主要作用是用串聯電容來抵消部分線路電抗，這就在一定的功率傳送水平下減小了傳輸角、增大了等效自然功率[15]。原理如圖7所示。

圖7 串聯電容等效原理

最大傳輸功率可由下式求得

串聯電容的大小可采用下式計算

式中,C為需要補償的電容值，F；k為補償度；XL為線路每千米感抗值，Ω；L為線路長度，km。

實踐中串聯補償度的上限約為0.8，若取為1.0則存在一系列問題：(1)線路有效電抗將是零，因此兩端同步發電機的相對轉子角的極微小變化都會導致很大的電流；(2)電路在工頻時可能發生串聯諧振；(3)當系統發生干擾時，很難控制暫態電壓和電流。

5.2 集中補償有效性驗證

在線路中間位置增加補償裝置，供電示意見圖8。

圖8 集中補償方案示意

補償度取0.8，并聯電抗容量為1 000 kVar，串聯電容補償容量為29.065 μF。

增加集中補償裝置后，對線路空載情況進行了計算，結果如圖9(a)所示。從圖中可以看出，由于并聯電抗的影響，在補償裝置接入點有感性無功注入到系統中，抵消掉了部分容性無功，使得接入點的電壓明顯被拉低，空載時電壓上翹的問題得到了一定的限制。

滿載時的仿真結果如圖9(b)所示。從圖中可以看出，滿載時由于線路負荷較大，長距離輸電的主要問題是電壓下降得很厲害，在補償裝置接入點，由于串聯電容的作用，相當于在線路中增加了一個負阻抗，使得接入點之后的電壓得到了明顯的提升，滿載時電壓下降的問題得到了一定的限制。

增加補償裝置后，得出不同負載率下首端、末端、最高以及最低電壓。圖10(a)為正向供電時的情況，圖10(b)為反向供電時的情況。

圖9 集中補償沿線電壓分布情況

圖10 集中補償不同負載率情況下電壓情況

由結果可以看出，增加集中補償裝置后最高電壓變化范圍為37.9～33.1 kV，最低電壓變化范圍為37～33 kV，輕載時的電壓上升和重載時的電壓下降都被限制在一定范圍內，電壓穩定性得以極大改善。但是空載時的最高電壓和滿載時的最低電壓仍然超出了±5%的允許范圍。

5.3 分散補償有效性驗證

集中補償方案雖然起到了一定的作用，但是仍然不能滿足國家標準的要求，為此提出分散補償方案。

考慮到補償效果以及實際運營維護的需要，分別在線路兩端及中間位置增加補償裝置，供電示意見圖11。

圖11 分散補償方案示意

增加分散補償裝置后，線路空載情況仿真結果如圖12(a)所示，線路滿載情況計算結果如圖12(b)所示。

圖12 分散補償沿線電壓分布情況

增加分散補償裝置后，得出不同負載率下首端、末端、最高以及最低電壓。圖13(a)為正向供電時的情況，圖13(b)為反向供電時的情況。

圖13 分散補償不同負載率下電壓情況

由計算結果可以看出，由于分散補償裝置的影響，最高、最低電壓并不完全和首末端電壓重合。增加分散補償裝置后最高電壓變化范圍為35～36.7 kV，最低電壓變化范圍為37～33 kV。

增加集中補償裝置后最高電壓變化范圍為37.9～33.1 kV，最低電壓變化范圍為33.2～34.9 kV。

5.4 補償效果分析

無補償、集中補償、分散補償最終補償效果見表4。由結果可以看出，分散補償方案能將電壓限制在允許范圍內，較集中補償方案效果好。

表4 補償效果分析

6 結論

本文分析了鐵路電力貫通線長距離輸電存在的問題，提出了串聯電容和并聯電抗相結合的補償方案，并結合臨河至策克鐵路實際運行情況建立了仿真模型，通過對無補償時仿真結果與實際測量數值的對比，驗證了仿真模型的正確性與合理性。在此基礎上分別對該段線路增加集中補償裝置和分散補償裝置進行了計算驗證，得出了不同負載率情況下線路最高、最低電壓值及首末端電壓值。結果表明，本文所采取的補償措施能夠滿足對電能質量的要求。

[1] 王建文，段曉紅，王顥.青藏鐵路35 kV電纜供電線路仿真研究[J].水電能源科學，2008，26(2)：164-166.

[2] 陳世民，牛大鵬，馬峰超，等.客運專線10 kV貫通線路接地方式及補償方案研究[J].鐵道標準設計，2011(8)：122-125.

[3] 趙欣.客運專線鐵路電力變配電所電源方案研究[J].鐵道工程學報，2011(4)：71-74.

[4] 祁忠永.高原長距離輸電線路電壓補償設計與仿真的研究[D].成都：西南交通大學，2004.

[5] 秦曉輝，申洪，周勤勇，等.特高壓串補線路沿線電壓分布及串補布置方案研究[J].中國電機工程學報，2011，31(25)：43-49.

[6] 吳濤，徐玲鈴.可控串聯電容補償技術仿真研究[J].華北電力技術，2007(1)：1-6.

[7] 顧生杰，田銘興.帶諧波補償繞組的變壓器式可控電抗器的容性無功補償性質分析[J].電工電能新技術，2014，33(6)：41-46.

[8] 芮晨.鐵路電力供電系統無功補償研究[J].鐵道標準設計，2014，58(7)：149-152.

[9] 唐萃，尹項根，戚宣威，等.大串補度輸電線路的電流差動保護分析與對策[J].電力系統自動化，2015，39(7)：157-163.

[10] 李國，吳命利，苑玉超..津秦客運專線電纜貫通線電容電流補償效果分析與測試[J].鐵道標準設計，2014，58(8)：144-147.

[11] 王炳.鐵路10 kV電力系統電容電流計算探討[J].鐵道標準設計，2010(S1)：153-155.

[12] 李偉華，楊源.基于MATLAB_Simulink的鐵路自閉/貫通線路仿真模型研究[J].系統仿真技術及其應用，2007(12)：150-156.

[13] 陳甜妹，肖湘寧.基于TCSC的混合串補抑制次同步震蕩的研究[J].電工電能新技術，2011，33(8)：15-19.

[14] 任艷杰.高壓配電網無功串補技術的研究[D].沈陽：沈陽農業大學，2011.

[15] 孫娟，羅安，帥智康，等.一種35 kV大容量無功補償與諧波抑制綜合系統[J].電工電能新技術，2012，31(2)：19-26.

Research on Long-distance Transmission Compensation Scheme for High-voltage Power Line along the Railway

GUO Hong-wei

(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd., Xi’an 710043, China)

There are a series of problems in the long-distance transmission of power transmission lines. For example, the terminal voltage increases when the load is low, while the terminal voltage drops when the load is high. This seriously affects the reliability and security of the power supply and traffic safety. This paper analyzes the super long-distance high-voltage power line along the railway of Linhe-Ceke between Huzuobuqi 35kV transformer substation and Ejina 35kV transformer substation and proposes a compensation scheme combining the parallel reactance and the series capacitor. A simulation model is established to verify respectively the effectiveness of the centralized compensation scheme and the decentralized compensation scheme. The results show that the compensation scheme proposed in this paper can better solve the problem of long-distance transmission.

Railway; High-voltage power line along the railway; Long-distance transmission; Compensating device; Simulation

1004-2954(2018)01-0133-05

2017-03-24；

2017-04-19

郭紅衛(1986—)，男，工程師，2011年畢業于北京交通大學，工學碩士，從事鐵路電力供配電系統研究，E-mail：ghw1232005@foxmail.com。

U223.6

A

10.13238/j.issn.1004-2954.201703240002