适用于高原铁路的新型电缆牵引供电系统电气特性研究_龚康华.pdf

中国电工网适用于高原铁路的新型电缆牵引供电系统电气特性研究龚康华，李朝兵，孙晓佳，李再华，陈迎涛，吴京明，张俊杰，赵宏程（国网西藏电力有限公司电力科学研究院，西藏 拉萨 ；中国电力科学研究院有限公司，北京 ；西南交通大学电气工程学院，四川 成都 ）摘要：介绍了一种新型电缆牵引供电系统技术方案，可有效减少电网接入点，并提高供电能力、取消电分相环节，为高原电气化铁路高效安全运行提供重要技术支撑。研究了供电系统的结构，计算了线路参数，结合理论计算和仿真模型分析了电缆供电系统电气特性及对节点电压和功率的影响。最后依据配电网无功补偿原则和标准限值，提出了一种混合式无功补偿方案，并通过仿真验证了补偿方案的正确性，为工程设计人员提供了参考依据。关键词：电缆牵引供电系统；电气特性；无功补偿中图分类号：，（，；，；，）：，：；收稿日期：作者简介：龚康华（），从事电力系统运行技术工作。引言在西部高原地区长大坡道密集、电网结构薄弱、供电能力差、电铁负荷冲击性强等环境背景下，西南交通大学李群湛教授提出的新型电缆牵引供电系统技术方案，具有如下特点：电缆的输电能力远远强于架空线路，极大延长了牵引变电所的输电距离；贯通供电模式可取消电分相，有效避免了列车过分相时的暂态影响及“坡停”事故；系统只需一个电网接入点，适用于电网点稀少的环境。高压牵引电缆同相贯通供电系统技术方案为实现西部地区长距离牵引供电提供了重要技术指导。但目前的新型电缆牵引供电系统技术方案在国内尚未有工程实例，而电缆供电相较于传统架空线路供电，线路参数差别较大，电气特性也有明显区别。而系统的电气特性对牵 引 供 电 系 统 的 安 全 性、可 靠 性 和 经 济 性 影 响 巨大。为进一步推广新型电缆牵引供电系统，对其电气特性展开研究具有重要意义。本文首先介绍了供电系统的结构，计算了线路参数，结合理论计算和仿真模型分析了电缆供电系统电气特性及对节点电压和功率的影响，最后依据配电网无功补偿原则和标准限值，提出了一种混合式无功补偿方案，并通过 软件平台仿真验证了补偿方案的正确性。电工技术理论研究2023 1期 新型电缆牵引供电系统新型电缆牵引供电系统主要由中心牵引变电所（，）、高压牵引电缆和若干普通单相牵引变电 所（，）组成，结构如图所示。中心牵引变电所从 、或 电压等级的三相电网接入，通过中心牵引变压器转换为 电压等级的单相交流电，由 高压牵引电缆向沿线分段分布的 供电，再由 中的单相牵引变压器转换为 的单相电，通过接触网给机车供电，可实现各个 之间的贯通供电，无需铺设电分相，而设电分段用于分段保护和维修等，从而避免了由无电区引起的机车停电，甚至在长大坡道停电滑行的事故。500 kV、330 kV 或 220 kVA B C主变电所 MTS牵引母线单相变电所STSiLCLCLC牵引网TT263.5 kV 牵引电缆接触线 T钢轨 R图 1 新型电缆牵引供电系统结构示意图系统电气特性分析 电气参数 电容在电缆电容的计算中通常需考虑电缆芯线和电缆屏蔽层，且电缆屏蔽层采用有效接地，主要的接地方式有：屏蔽层交叉互联接地；中点接地、两端保护接地；一端接地、一端保护接地；两端直接接地。本文选用的电缆接地方式为屏蔽层交叉互联接地。线芯、电缆屏蔽层之间单位长度的电容 为：（）（）式中，为真空介电常数；为内电缆屏蔽层的相对介电常数；、分别为内电缆屏蔽层的外、内半径。电缆屏蔽层、大地之间单位长度的电容 为：（）（）式中，为外电缆屏蔽层的相对介电常数；、分别为外电缆屏蔽层的外、内半径。阻抗当两根单芯电缆组成供电回路时，可将电缆线芯与金属护套都当作导线，根据 公式进行计算，电缆线芯单位长度的自阻抗 为：（）（）式中，为电缆线芯单位长度的交流电阻；为线芯等效半径；为导线地回路等值深度。金属护套单位长度的自阻抗 为：（）（）式中，为金属护套单位长度的交流电阻；为金属护套几何均径。线芯与同相金属护套单位长度的互阻抗 为：（）（）线芯与异相金属护套单位长度的互阻抗 为：（）（）式中，为相应导线间距。电容效应电缆线路的相对介电常数较高，回路紧密布置，电缆芯线的分布电容不可忽略，而分布电容在线路中产生容性无功，会对线路电压有一定的抬升作用。此处依据高压牵引电缆、单相变压器和接触网的布置规则，选取图中一部分电缆线路（如图所示），分析电缆线路节点的电压关系，可得：（）（）式中，为电缆线路分布电容产生的容性电流；为该部分电缆线路末端节点电流；为该部分电缆线路初始节点电流；为该部分电缆线路末端节点电压；为该部分电缆线路初始节点电压；和 为该部分电缆线路的阻抗值。Cc0Rc0Lc0U0I0Cc0Rc0Lc0U1I1Ic图 2 部分电缆线路的等值模型综上可得到如图所示电压电流向量图，当线路紧密或重载运行时感性无功占据主体，线路中表现为感性电流，也呈现感性，末端节点电压幅值将小于初始节点电压幅值，线路出现了一定的电压损失，但其中容性电流抵消了部分引起的电压损失，这体现了电缆线路相对于架空线更强的供电能力。但当线路为空载时，线路中表现为容性电流，和也呈现容性，末端节点电压幅值将大于初始节点电压幅值，即出现空载线路沿线电压升高的现象。IcI1I0IcU1U0Re(U)0Im(U)IcI1I0U1U0Re(U)90Im(U)0（a）带载运行感性无功占据主体（b）空载运行容性无功占据主体图 3 节点电压电流向量图90 无功补偿参考配电网中无功补偿的原则，分散就地补偿可使无理论研究电工技术 中国电工网功更平衡分布，减少无功对电源侧的影响，而集中补偿可改善过补偿和欠补偿情况，二者的有机结合能实现最佳补偿效果，因此本文将采用集中和分散补偿相结合的补偿方式。为了保证中心牵引所的功率因数满足国家标准要求，将在 内安装动态无功补偿装置 ；为了减少线路容性电流的影响，保证电缆牵引网沿线电压和各个 单相牵引变电所供电范围内的电压满足国家标准要求，选择在各个 单相牵引变电所二次侧并联可投切的电抗器。二者合理分配可在满足供电水平和功率因数的基础上，有效降低中心所无功补偿的容量和 的成本。图为高压牵引电缆贯通供电系统无功补偿装置整体安装示意图。中心牵引变电所MTSABC牵引电缆牵引母线电抗器 电抗器LC电抗器电抗器LCLC动态无功补偿装置SVG 无功发生器图 4 新型电缆牵引供电系统无功补偿方案布置图仿真结果分析 未补偿前电气特性参考电缆牵引网相关模型参数建立长为 的高压 牵 引 电 缆 网 络 模 型，选 取 高 压 牵 引 电 缆 型 号 为 ，横截面积为 ，将参数带入模型可得到新型电缆牵引供电系统模型。空载时各节点的无功和电压计算仿真结果如图和图所示，其中理论计算结果与仿真结果的最大相对误差为 ，误差较小且变化趋势一致，符合线路无功和节点电压的变化特点，验证了仿真模型的正确性。位置/km50100150200806040200容性无功/Mvar计算结果仿真结果图 5 无功仿真结果与计算结果对比由图和图可知，系统容性无功高达 ，其容性无功反送将极大地降低中心所的功率因数；此外，电缆各节点电压在空载时发生了明显的抬升，其中电缆线路末端电压幅值达到了 ，有效值为 ，折算到牵引侧，牵引供电电压达到了 ，超出了牵引供电电压要求的 范围。为此，必须采取合理的无功补偿方案，来调节功率因数和沿线电压分布。计算结果仿真结果位置/km50100150200电压/kV160140120100806040200电压/kV2001000-100-200时间/s00.020.040.06图 6 节点电压计算与仿真结果对比 补偿后电气特性针对不同补偿方式，通过仿真分析各自的补偿效果，得到沿线电压和功率因数的补偿效果对比情况，如图和图所示。由此可知集中式补偿可有效提高功率因数使其满足国标 铁路电力设计规范 要求的 以上，但不能保证较好的沿线供电电压水平，一般适用于架空线路；相比之下，分散式补偿方案下中心所功率因数较低，但可很好地改善沿线供电电压水平，使其分布均匀，能给牵引网提供正常需求的牵引电压，常用于电缆线路中。而集中分散补偿方式可同时解决沿线电压调节和功率因数改善的问题，更适用于新型电缆牵引供电系统。电压/kV130125120115110050100150200节点距离/km分散式集中式集中+分散图 7 节点电压补偿效果对比集中式分散式集中+分散功率因数1.00.80.60.40.20.0图 8 中心所功率因数补偿效果对比结语为了进一步推广适用于高原铁路的新型电缆牵引供电系统，对其电气特性展开研究具有重要意义。本文结合供电系统的结构和线路参数，通过理论计算和仿真模型分析了电缆供电系统电气特性，结果表明系统无功极大降低了功率因数并抬升了末端节点电压；最后依据配电网无功补偿原则和标准限值，提出了一种混合式无功补偿方案，并（下转第 页）电工技术理论研究 中国电工网起到了有效的示范作用。参考文献 汪飞，全晓庆，任林涛 电能质量扰动检测与识别方法研究综述中国电机工程学报，（）：周孝信，鲁宗相，刘应梅，等 中国未来电网的发展模式和关键技术中国电机工程学报，（）：梁华彬，王健，杜兆斌 基于紧急需求响应的主动配电网电压协调控制策略 电力科学与技术学报，（）：蔡永翔，唐巍，张博，等含高比例户用光伏低压配电网集中就地两 阶 段 电 压无 功 控 制 电 网 技 术，（）：刘洪，徐正阳，葛少云，等 考虑储能调节的主动配电网有功无功协调运行与电压控制 电力系统自动化，（）：，王彬，郭庆来，周华锋，等南方电网网省地三级自动电压协调控制系统研究及应用电力系统自动化，（）：苏辛一，张雪敏，何光宇，等互联电网自动电压控制系统协调变量设计电力系统自动化，（）：唐晓骏，王铁强，贾京华，等 特高压联网条件下自动电压控制系统的功能定位及应对策略电力系统自动化，（）：孙浩洋，张冀川，王鹏，等面向配电物联网的边缘计算技术 电网技术，（）：原吕泽芮，顾洁，金之俭 基于云边端协同的电力物联网用户侧数据应用框架电力建设，（）：龚钢军，罗安琴，陈志敏，等 基于边缘计算的主动配电网信息物理系统电网技术，（）：李芙蓉，易映萍，石伟 基于边缘计算的主动配电网配电大数据技术 软件导刊，（）：，（）：，：孙亮，牛秋野，张青，等 基于智能 系统的全网无功电压协调控制研究电力电容器与无功补偿，（）：，：，黄宗龙，江修波，刘丽军低碳化背景下配电网“源储荷”多目标 优 化 配 置 电 力 科 学 与 技 术 学 报，（）：刘斌，刘锋，梅生伟，等基于二阶锥优化的含有载调压变压器主动 配 电 网 最 优 潮 流 电 力 系 统 自 动 化，（）：党小宇，王成念，李德智，等提高重庆电网 投切电容器组成功率的措施探讨电力电容器与无功补偿，（）：，周林，任伟，廖波，等并网型光伏电站无功电压控制电工技术学报，（）：（上接第 页）通过 软件平台仿真验证了补偿方案可有效补偿无功，改善功率因数和沿线电压分布。本文为工程设计人员提供了重要参考依据。参考文献 李群湛城市轨道交通交流牵引供电系统及其关键技术西南交通大学学报，（）：，（）：闵建华，陈丽华，王科，等新建贵广铁路 全电缆电力贯通线接地方式和无功补偿方案设计铁道学报，（）：郭鑫鑫 电气化铁路电缆牵引网研究 成都：西南交通大学，轨道交通 牵引供电系统电压电工技术输配电工程