鐵路電力貫通線電壓補償方案研究

任海蛟

（中鐵十二局集團電氣化工程有限公司，天津 300308）

0 引 言

早期我國鐵路貫通線采用架空線形式，存在對自然災害的抵御能力較弱和供電不穩定等問題。電力電纜具有出色的安全性、高可靠性以及對環境影響小等優勢[1,2]，因此現階段我國鐵路普遍采用全電纜電力貫通線作為供電線路。然而，在技術實踐中逐漸發現，電力電纜存在大容量分布容量、容性無功過剩以及末端電壓過高等問題，威脅鐵路系統的安全運行。因此，如何處理全電纜電力貫通線電容效應十分關鍵。本文探討通過并聯電抗器補償方式進行電壓補償的方案，并利用仿真驗證了補償方案的有效性。

1 并聯電抗器補償原理及特點

1.1 基本原理

貫通線空載時，端子電壓將升高。并聯電抗器的作用是消化不必要的電容無功功率，從而保證線路電壓處于安全范圍[3]。并聯整流器需要具備的功能包括兩個方面。一方面，并聯整流器解決空載條件下沿線路分布電容導致的電壓升高問題，提高電壓質量，控制操作過電壓水平。另一方面，并聯整流器能夠優化貫通線無功潮流分布，獲得更高的線路功率系數，使無功就地平衡，減少線路的實際功率損耗。

1.2 優缺點分析

電抗器電壓補償具有獨特的優勢。第一，貫通線不需要考慮網絡規模的擴大，采用電抗器進行電壓補償的方案技術難度低，無需大量投資。第二，中性點不接地，安全性高。第三，同時具有無功調節和電容電流補償作用。但是，電抗器電壓補償也存在缺點。第一，電抗器作為負載長時間運行會導致電網損耗。第二，可能與對地電容形成穩態諧振過電壓、過電流。第三，使用電抗器作為線路負載，增加了線路的電磁儲能能力，增加了打開和關閉線路時的瞬時充放電功率，可能產生暫態電磁振蕩導致操作過電壓超出安全范圍。第四，校正最小線路剩余電流的方法不能滿足電容電流稍大于電網的電弧熄滅條件。

2 接入方式

并聯電抗器電壓補償的接入方式包括星形連接（帶中線和不帶中線）、三角形連接以及雙星形連接等[4]。當使用星形（不帶中線）接入方式時，不需要對電抗器進行絕緣強化處理，同時不會發生中性點漂移現象。然而，事實證明，使用不對稱的三相負載不能做到相位補償。當使用星形（帶中線）接入方式時，三相不平衡的情況下，可用相位補償方式補償正序、負序以及零序電流的無功功率。使用雙星形接入方式時，可設置零序電流平衡保護。如果某一相的電抗器運行不正常，零序電流將流過中性線。此時，通過及時檢測零序電流可以做到有效保護。雙星形接入方式通常用于大容量電壓補償場景，不用于鐵路供電系統。因此，根據實際需求可選擇星形接入或三角形接入方式。

3 鐵路電力貫通線電壓補償方案

在現有的鐵路貫通線路上，通常有集中式補償方案、分布式補償方案以及前端集中式+沿線分布式補償方案3種類型的電壓補償策略。

3.1 集中式電壓補償方案

該方案的首端集中補償裝置通常為動態電壓補償裝器，能夠基于貫通線路狀態調整補償電容對線路首端的功率因數，從而減少容性無功[5]。補償器設置如圖1所示。由于動態電壓補償器的成本高于固定容量補償器的成本，前期需要較大投入。補償器均設置在線路首端和末端的配電站，大大減少了設備的數量和維護成本。而關于線路電壓控制，末端電壓補償無法控制整條線路的電壓，調節靈活性不強。

圖1 首端與末端集中式電壓補償方案

3.2 分布式電壓補償

分布式電壓補償方案，如圖2所示。分布式電壓補償方案是指沿貫通線分布設置帶有固定電容器的可投切電抗器，以減少貫通線路中因電纜電容效應形成的容性電流，大大降低了負載調節下線路電壓和線路首端回送的容性無功功率。由于分布式電壓補償方案的補償裝置是容量固定的可投切電抗器，初始投資相對較低，但電抗器沿線設置使得操作和維護相對麻煩。為了控制前端的功率系數，該補償方案可以減小線路首端回送的容性無功功率。雖然該方案可以根據網絡負載的工作條件實時校正前端的功率因數，但是不能基于線路實際負荷實時補償線路首端的功率因數。該方案能夠利用可投切電抗器控制線路電壓，控制方式更靈活。

圖2 分布式電壓補償方案

3.3 前端集中式+沿線分布式補償方案

該方案是指貫通線前端采用集中補償器，沿線采用分布補償器。前端的集中補償器設置在配電站，而沿線分布的補償器通常為可投切電抗器，可以同時做到前端和末端的實時電壓補償，且能在線路空載和有載情況下有效控制線路電壓的升高。前端集中式+沿線分布式補償方案如圖3所示[6]。與上述兩種補償方案相比，該補償方案前期需要較大的投入，維護更加復雜，但效果最好。

圖3 前端集中式+沿線分布式補償方案

4 仿真分析

基于短線路（40 km以內）、中線路（40～70 km）以及長線路（超過70 km）3種鐵路線路情況創建鐵路貫通線仿真模型，計算補償電容，仿真多種補償方案，以比較不同補償方案的效果。同一生產線模型的不同補償策略的總補償能力是相同的。3種線路條件下，集中式補償方案的補償容量為總補償容量的1/2。分布式補償方案中，各個分布點的補償容量相等。前端集中式+沿線分布式補償方案中，分布式補償容量占總補償容量的3/4，各個分布點的補償容量均等。最后，在不補償的前提下對3種線路條件下的電容效應進行仿真分析，評估貫通線電容效應的影響。仿真均在空載狀態下進行。

4.1 全電纜貫通線仿真模型

將正常運行貫通線路的電力系統簡化為簡單模型。該模型必須包含線路、電源、補償裝置以及調壓器。相應的Matlab仿真模型必須包含線路模型、電源模型、補償裝置模型（電抗器模型）以及調壓器模型。所有仿真模型的參數均來自于實際參數，以確保仿真的準確性。為測試3種線路條件下補償前后的線路電壓分布，模型中每2 km設一個電壓檢測點，仿真模型如圖4所示。

圖4 鐵路電力貫通線仿真模型

4.2 空載條件下全電纜貫通線電壓補償方案仿真分析

空載條件下，線路電容效應最大。在不加補償的條件下仿真，通過比較仿真結果（如圖5所示），分析3種不同線路條件下的電容效應，以獲得不同補償方案在同一線路條件下的補償效果。

圖5 空載條件下的3種線路的節點電壓分布

空載條件下進行仿真可以發現：當前端電壓是標準電壓時，短線路條件下的線路末端電壓上升，比前端電壓高出1.039倍；中等線路條件下的線路末端電壓比前端電壓高出1.048倍；長線路條件下的線路末端電壓比前端電壓高出1.147倍。3種線路條件下，調壓器前后節點之間的電壓升高非常明顯，后續節點的電壓則緩慢上升。在空載且不加補償的情況下，3種類型的線路均存在無功反送的現象。其中，長線路因為具有最高的供電電壓，所以無功反送最嚴重，遠高于9 Mvar。與長線路相比，短線路無功反送容量為325 kvar，與計算容量最接近，可得到以下結論。第一，貫通線短線路的末端電壓升高在國家安全標準范圍內，而中等線路和長線路的端電壓升高超過了國家標準，尤其是長線路末端電壓升高量達到前端電壓的15%，會嚴重影響電氣設備的絕緣性能。第二，貫通線末端電壓升高主要是由流入變壓器的容性電流引起的。第三，無功反送容量與電壓、線長正相關。由于電容效應的累積，線路某一部分的電壓高于線路的標稱電壓。因此，根據標稱電壓計算的補償容量通常小于實際所需。第四，如果鐵路電力貫通線較長，電壓水平較高，則在同等補償容量要求的情況下，分布式補償方案可以最有效地抑制線路電壓的升高。考慮到成本和實用性，可在線路兩端使用集中式補償方案，而長線路應該優先采用分布式補償方案。然而，考慮到線路的負載波動，必須在線路前端設置動態電壓補償裝置。在中等線路條件下可優先使用集中式+分布式補償方案，以便同時解決末端電壓升高和容性無功反送的問題。

5 結 論

鐵路電力貫通線運行形式簡單固定。它采用低電阻接地運行模式，結合并聯電抗器進行電壓補償，不僅可以減少由電容效應引起的電壓浪涌，而且可優化電路分布，提高用戶電壓質量，還可以限制操作過電壓水平。在空載或輕載條件下優化線路的無功潮流分布，可以獲得更高功率因數，減少不合理的無功流動，實現無功功率就地平衡，從而減少線路中的有功功率損耗，提升能效。