基于平南铁路10kV电力贯通线的无功补偿研究
摘 要：文章以平南铁路10kV电力贯通线的实际情况为基础，对其补偿方式的选定和补偿容量的计算进行了研究，实现了对电力贯通线无功功率的补偿，提高了铁路电能质量。
关键词：平南铁路;电力贯通线;无功功率;补偿容量
中图分类号：U223 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）03-0132-03
0 引言
电力贯通线是铁路沿线连通两相邻变配电所的主要对沿线铁路信号、通信及其他铁路综合用电负荷供电的10kV或35kV电力线路，其电源引于地方电网或地方电网以外的发电厂、变电站及输配电线路。以架空方式为主的电力贯通线，因线路阻抗主要呈感性且整个线路所带负荷主要为感性负荷（变压器等），所以在一般情况下呈现感性特征。感性无功会使线路电压损失增大，使电气设备在低功率因数下运行得不到充分发挥，尤其是影响信号设备等正常运行。当电力贯通线主要采用电力电缆或者全电缆时，因电缆中电容比较大，如果整个电力系统选用的是不接地中性点的方式进行运行，一旦出现单相接地故障就会导致产生的电流比较大，这就造成电弧无法及时熄灭，带单相接地故障运行时就会造成故障逐步扩大化，以此产生过电压。这种接地故障的产生，最终会对铁路的行车安全产生极大的不利影响，最终造成非常大的经济损失，甚至也会导致社会的不安定因素的产生。所以对电力贯通线无功补偿的研究，对于提高电能质量具有极大的现实作用。
1 项目概况
平南铁路经过深圳市西北部丘陵区和西南沿海海岸滩涂区，自木古（位于平湖南编组站）起沿线分布有坂田、塘朗（在建）、西丽、深圳西、妈湾、蛇口等7座车站（含平湖南站），设计行车速度80km/h。在木古站以及深圳西站分别设置10kV配电所一座，沿线设置一条一级负荷电力贯通线，贯通线采用架空线——电缆混合线路，线路全长35.54km，其中架空部分11.52km，电缆部分24.02km，属于大部分采用电力电缆的线路。鉴于此种情况，本着合理经济的原则，根据各种补偿装置的补偿特点，平南铁路电力供电系统无功补偿方案选择用并联抗电器与电容器相互结合的方式。
2 系统模型与基本数据
图1所示为平南铁路10kV配电系统图。线路采用架空线——电缆混合线路，其中架空部分采用LGJ-120型带绝缘护套的钢芯铝绞线，电缆部分采用YJV22-8.7/10kV 120mm2交联聚乙烯绝缘电力电缆。
3 并联电容器补偿方案
3.1 补偿方式
结合电力网络以及电容的补偿要求和网络特点，能够将其安装在电力系统的不同节点上，结合不同的安装位置，当前针对补偿方式的选择主要有3种方式，分别为：混合补偿、集中补偿、就地补偿。一般来说，普通速度的铁路的电力貫通线因为其线路相对比较长，而且系统中变压器也比较多，变压器具有分散的特点，所以比较适合选用电容器并联的方式来加以补偿，采取这样的补偿方式也比较方便进行管理，而且还能降低功耗，提高系统的供电质量。
基于此，本项目对于线路感性无功的补偿采取在平湖南和深圳西10kV配电所分别设置高压电容器室采用并联电容器集中补偿的方式进行补偿。
3.2 连接方式
根据接线方式的不同，三相电容器主要分为星形接线和三角形接线2种连接方式。
为了能够减小短路电流，增强供电系统的可靠性，铁路电力系统高压电容器宜选用星形接线。
3.3 投切方式
并联式电容器一般有人工投切和自动投切两种方式。
根据铁路电力系统高压负荷变化小，产生的冲击性小的特点，高压电容器的投切方式宜选用人工投切方式。这种方式比较方便对其进行维护，而且也具有非常显著的经济效益。
3.4 补偿容量的计算
依据《铁路工程设计技术手册——电力》的规定，对处于正常网内的电力用户功率因数作如下规定：高压供电的工业用户，功率因数为0.9以上，其他100kVA及以上的电力用户，功率因数为0.85以上。当用户自然功率因数达不到这一标准时，必须装设无功补偿装置使其达到标准。
（1）配电所总平均功率因数（补偿前）的确定。
总平均功率因数（补偿前）计算公式：
（1）
式中：——功率因数角（补偿前）;
P30——由配电所供电的月最大有功功率计算负荷，kW;
Q30——由配电所供电的月最大无功功率计算负荷，kVAR;
α、β——月平均负载率，一般可取0.7～0.8。
（2）配电所总平均功率因数（补偿后）的确定。
总平均功率因数（补偿后）计算公式：
（2）
式中：——功率因数角（补偿后）;取0.9～0.92;
Qc——配电所并联电容器组补偿总容量，kVAR。
配电所并联电容器组补偿总容量Qc（kVAR）的确定。
（3）补偿总容量计算公式：
Qc=P30·（tgj1-tgj2） （3）
根据（1）、（2）、（3）式，经计算，平南铁路10kV配电所总平均功率因数（补偿前）为cosj1=0.75，总平均功率因数（补偿后）取cosj2=0.9，因此，补偿总容量Qc=389kVAR。
4 并联电抗器补偿方案
4.1 补偿方式
大量采用电缆敷设的贯通线路，需要对其容性无功功率进行补偿，经常采取的方式是将并联电抗器分散安装于电力贯通线侧，进行区间分散补偿的方式。箱式变电站式和户外杆架式为其主要安装形式。根据操作空间的大小、运行环境的恶略程度等因素，在箱变内安装的箱式变电站式因受空间大小的限制并且工厂预制安装整体运到现场等情况，比较适合选择那些不漏油且质量相对比较小的干式电抗器，而油浸铁心式并联电抗器因较适宜在恶劣的环境中运行常用于户外杆架式。
基于此，本项目对于线路容性无功的补偿采用星形连接的电抗器组分散并联于贯通线上的分散补偿方式，如图2所示。
4.2 补偿容量的计算
4.2.1 线路模型电容电流的计算
因为在电力系统中电缆存在着相间电容和对地电容，针对不接地中性系统，一旦出现线路故障，就会造成接地短路电流，具体的电流计算如下：
Ic0=ω（Cy+3Cx）Uj （4）
式中：Ic0——电缆单位长度电容电流，A/km;
Cy——电缆单位长度对地电容，μF/km;
Cx——电缆相间单位长度电容，μF/km;
Uj——系统相电压，kV;
ω——系统角频率。
经计算，120mm2电缆的单位长度电容电流为1.87A/km，考虑到其他设备的电容电流，乘上1.16的系数，线路模型的单相短路电容电流为52.1A。
4.2.2 补偿容量的算法
第一种算法：一旦整个电力系统出现单相短路，就会出现线路残流变得最小。并联三相星形中性点接地电抗器，最佳补偿度取0.75，并且要求系統能够带单相接地故障运行2小时。
第二种算法：以系统发生单相接地短路时电弧能可靠自熄为根本目标，将单相接地短路电流控制在10A以下，并联三相星形中性点接地电抗器，并且要求系统能够在带单相接地故障运行2小时内不会导致因稳定燃烧或电弧重燃而损毁电缆以致扩大为相间故障。
4.2.3 线路模型的计算
以24.02km，120mm2一级负荷贯通线为例，分别运用算法一和算法二计算补偿电抗的容量。图3为计算原理图。
算法一：依据图3，线路容性电流Ic0=36.4A，单相故障电容电流为3Ic=45A。按照75%的补偿度，补偿电感电流IL=45×75%=33.75A。正常情况下电源侧线路容性残流Ic0-IL=2.65A。当系统发生单相接地时，如图4所示，接地电流Id=3IL-3Ic=56.25A，依据Id<10A的要求，显然电弧不能自熄，系统带故障运行是不安全的。
根据电缆参数Ic0≈2Ic，在75%的补偿度下，交联电力电缆上电弧熄灭条件为：
Id=|3IL-3Ic|=|3×0.75×2Ic-3Ic|=0.5×（3Ic）<10A
即3Ic<20A，就是说要满足电弧熄灭条件线总电容电流必须小于20A。120mm2线路的三相电容电流为1.87A/km，故线路长度必须小于10.7km。考虑到系统上其他设备的电容电流、高次谐波电流、接地点的阻性电流，线路长度在此基础上还要减小。因此，在电力网络中只有当电容电流小于20A时，采用此算法计算电容补偿容量。
算法二：图4中，3Ic=45A，单相接地故障电流Id=|3IL-3Ic|，若以Id<10A为补偿目标，则35A<3IL<55A，取3IL=50A，IL=16.7A，故障接地电流约5.0A，补偿度为=16.7/36.4=0.46。通常情况之下，可以得出电源侧线路容性残流Ic0-IL= 19.7A。显然，此种补偿方法能够满足系统带故障运行条件。
综上所述，发生单相短路故障时，对于电容电流稍大的网络，算法一这种以线路容性残流小为目标的补偿算法，满足不了电弧熄灭要求。算法二这种以使电弧能可靠熄灭为根本目标的补偿算法优于算法一。
5 结语
本文根据平南铁路10kV电力贯通线的线路特点，从合理、可靠、节约投资的角度对其电力供电系统的无功补偿方案进行了选定和研究。近年来，随着设备技术的不断进步，动态无功补偿方式（SVC补偿模式和SVG补偿模式）被越来越多的应用到高速铁路电力供电系统中，不断提高其补偿的合理性。
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