電纜貫通線分布電容計算方法及無功補償

羅德洋

關鍵詞：電纜貫通線;分布電容;計算方法;無功補償

我國鐵路傳統的貫通線方式為架空線路，在早期發展階段尚能滿足鐵路配電需求。隨著我國交通網絡建設的逐漸完善及鐵路交通規模的逐步擴大，傳統架空貫通線呈現出巨大的弊端，如難以有效抵抗自然災害、供電穩定性及可靠性差等。相對而言電力電纜可有效抵抗環境中的干擾因素，穩定性及安全性均優于架空貫通線，尤其是近幾年來，電力電纜在高低壓電網中應用愈加廣泛，其中交聯聚乙烯電纜基本已經完全取代傳統的充油電纜。雖然電纜貫通線擁有架空貫通線無法媲美的優勢，但仍不可忽視電纜貫通線運行過程中會產生較大的對地電容電流，形成大量的無功損耗。為實現鐵路配電系統朝向“資源節約型，環境友好型”轉變，鐵路部運輸局要求在電纜上采用集中分散并聯星型連接、中性點接地的電阻抗方法補償電纜的部分電容電流，提高電纜貫通線功率因數。而無功補償方式較多，并且不同電壓的電纜無功補償量也有較大的差距，為此文章從電纜貫通線的分類及結構出發，以截面積分別為70mm3、95mm3銅芯交聯聚乙烯絕緣8.7kV、15kV電纜為例，闡釋該電纜貫通線分布電容計算方法，介紹并對比三種無功補償方法，最終確定電纜貫通線無功補償的最佳方案。

一、電纜貫通線概述

在我國鐵路供配電系統建設中，為了滿足鐵路電力資源供應需求，需要在鐵路沿線適當間隔內設置變電所、配電所。但由于鐵路沿線負荷點較多，一般需要在兩個相鄰的配電所及變電所之間設置兩回電力線路，以為鐵路沿線負荷供電，該兩回電力線路即為電力貫通線。實質上電力貫通線是鐵路沿線負荷的電源，其能夠從兩端所設置的變電所及配電所獲取電能。如下圖1為鐵路供配電系統結構。

（一）電纜貫通線的分類

電纜貫通線的分類主要包括兩種方式，其一為按照電壓的等級可將電纜貫通線分為低壓電纜貫通線、中壓電纜貫通線以及高壓電纜貫通線;而是根據所使用的絕緣材料可以將電纜貫通線分為低絕緣電纜、擠包絕緣電纜以及壓力電纜。其中低壓絕緣電纜所使用的絕緣材料為復合型材料，具有成本低廉、使用期限較長、穩定性較高的優勢，可廣泛應用于中等級電壓的電網中。擠包絕緣電纜所使用的絕緣材料為熱固性或熱塑性材料，例如交聯聚乙烯電纜就屬于擠包電纜，采用擠包的方式將交聯聚乙烯包裹在電纜外側形成絕緣層，其具有安裝操作簡單、制造周期短的優勢，在220kV以下電壓等級的電網中應用廣泛。壓力電纜所使用的絕緣材料為絕緣油或絕緣氣體，具有絕緣性能佳的優勢，可用于110kV以上電壓等級的電網中。

（二）電纜貫通線的結構

電纜貫通線的結構主要包括三個部分：導體、絕緣層以及護層。應用于6kV以上等級電壓電網中的電力電纜外部還包括屏蔽層。如下圖2（左）為單芯交聯聚乙烯電纜結構，下圖2（右）為三芯交聯聚乙烯電纜結構。

在電纜貫通線的組成結構中，導體一般需要選擇導電系數高的金屬，如銅、鋁等，主要用于傳輸電流，金屬制導體能夠降低電流的損耗。絕緣層所應用的材料需要具有較大的絕緣電阻、適應性較強，可保證在不同氣候條件、環境中長時間運行后還具有較好的絕緣安全性。電纜屏蔽層處于絕緣層外側，具有改善電場分布的作用。電纜護層主要用于保護其內部的絕緣層，防止絕緣層因直接暴露在空氣中發生腐蝕，或者受到外力的作用二損壞。

二、電纜貫通線分布電容計算方法

電容值是電纜貫通線重要的基本參數之一，精準計算電纜貫通線分布電容有助于為電纜的敷設提供材料選擇、結構確定的依據。電纜貫通線分布電容是導體電荷與金屬保護套和導體問電壓的比值。

式中：絕緣材料相對介電常數;絕緣材料在真空中的介電常數;單芯電纜幾何因數;G2一三芯電纜幾何因數。

三芯電纜的電容包括部分電容及工作電容，如導體與金屬保護套之間的電容、導體與導體之間的電容均為部分電容。在電壓穩定正常的情況下，三芯電纜的對地電容即為工作電容，如下圖3所示。

通常情況下三芯電纜工作電容的計算需要通過兩次測量分別獲取其中一個導體與另外兩個導體與保護套之間的電容、三個導體共同對保護套的電容。計算公式如下：

三芯電纜每相工作電容：

式中：U-電纜對地電壓f-電源頻率;C-每相每厘米長度電纜的電容。

按照上述公式，以橫截面積為70mm3、95mm3三芯交聯聚乙烯絕緣8.7kV、9.5kV電纜為例，可得到該兩種類型三芯電纜分布電容值及其他相關重要參數如下表1所示。

三、電纜貫通線無功補償方案

空載時三芯電纜電容電流計算公式為：

在不計變壓器以及負荷阻抗的情況下，系統最大的無功容量可由以下公式計算獲得：

將補償目標設定為75%，則可得電抗補償容量Q=75%。

文章闡釋了三種電纜貫通線無功補償方式，具體如下：

集中式靜止無功發生器動態補償。采用集中方式設置靜止無功發生器，該發生器具有動態無功補償的特點，并能夠有效減少無功功率，橫截面積為75mm3電纜具體的補償容量參照下表2：

四、結語

隨著現代科學技術的發展，電纜在鐵路供配電系統的貫通線中應用愈加廣泛。雖然其具有安全性、穩定性及可靠性較高的優勢，但對地電容較大，易形成大量的無功損耗。通過計算電纜貫通線分布電容，設定無功補償目標可以計算出電纜貫通線補充容量，再結合相應的方案布置靜止無功發生器、固態電抗器或將兩者聯用可達75%的補償率。在實際應用中，還需要根據相關技術標準、實際的系統運行狀況等合理設計電纜貫通線材料及結構，經過精準計算后選擇技術性與經濟性相統一的電纜貫通線無功補償方案。