雅万高铁20 kV电力贯通线无功补偿方案研究

周介圭

(中国铁路设计集团有限公司,天津 300308)

1 工程概况

雅加达至万隆高速铁路连接印尼首都雅加达和西爪哇省省会万隆，雅万高铁正线长度142.3 km。全线共设置车站4座，分别为哈利姆(Halim)、加拉璜(Karawang)、瓦里尼(Walini)、德卡鲁尔(Tegal Luar)站。按照中国高速铁路350 km/h标准设计[1-3]。

根据印尼当地配电电压等级以及雅万高铁项目的特点，本项目在Halim站、Karawang站、Walini站及Tegal Luar动车段各设置一座20 kV双电源配电所，全线新建20 kV综合负荷贯通线和20 kV一级负荷贯通线各1条。在区间负荷集中点设置20/0.4 kV变电所，两路电源接引自20 kV综合电力贯通线及20 kV一级负荷贯通线[4]。

国内铁路对10 kV贯通线路的无功补偿设计及运行经验较为丰富[5-12]，只有很少量的工程采用20 kV等级。在印尼，20 kV应用较为普遍，因此结合该项目研究20 kV全电缆电力贯通线路无功补偿方案和计算，对国内未来发展趋势以及“走出去”战略，具有一定的普遍意义。本文将以Karawang配电所至Walini配电所间综合负荷贯通线为例进行研究[13-21]。

2 数学模型及补偿方案

2.1 雅万高铁20 kV全电缆电力贯通线数学模型

雅万高铁Karawang配电所至Walini配电所间贯通线路长度为55.5 km，为区间23处负荷点提供20 kV电源。20 kV电力贯通线均采用YJV62-18/30 kV 3×(1×35 mm2)电缆。以区间变压器容量为基准，建立数学模型，功率因数均设为0.8。该段全电缆综合负荷贯通线负荷模型如图1所示。

图1 雅万高铁20 kV全电缆贯通线负荷模型

采用π形等值电路模型对雅万高铁20 kV全电缆贯通线进行建模，本区间共24处节点将线路分为23段，贯通线π形等值电路如图2所示。

图2 雅万高铁全电缆π形等值电路

第m段线路串联支路末端的功率为

(1)

串联支路中的功率损耗为

(2)

第m段线路串联支路始端的功率为

(3)

以第m+1节点电压为参考相量，可得第m段线路始端电压为

(4)

第m段线路始端并联支路功率为

(5)

第m段线路始端功率为

(6)

2.2 20 kV全电缆电力贯通线充电功率计算

雅万高铁20 kV电力贯通线电缆均采用YJV62-18/30 kV 3×(1×35 mm2)，根据某厂家电缆手册可查该型号电缆参数如表1所示。

表1 雅万高铁20 kV电力贯通线电缆参数

在铁路电力供电系统中，采用以下公式计算电力电缆的充电功率

(7)

(8)

式中，Qc为线路总充电功率；Ic为线路每千米充电电流；UN为线路额定线电压；C为单芯电缆线路的工作电容；l为电缆线路长度。

由式(7)和式(8)计算可得，雅万高铁20 kV电力贯通线电缆每千米充电电流为0.435 A，每千米充电功率为15.07 kVar。

2.3 无功补偿方案

参照国内铁路项目贯通线大都采用集中补偿与分散补偿相结合的方式，经济性较高且运行良好。雅万高铁项目参照国内经验，优先考虑采用集中补偿与分散补偿相结合的方式：(1)结合沿线电力设施分布，在适当位置分散配置相同容量的固定电抗器，为电缆线路容性无功分段提供基本补偿；(2)在配电所内贯通母线段集中设置磁控电抗器，实现电源侧无功功率动态调节。

根据本文选取的综合负荷贯通线负荷分布情况，在区间3座信号中继站内设置固定电抗器作为分散补偿装置，在线路首端设置连续可调的磁控电抗器以保证首端功率因数满足要求。

由式(7)和式(8)可得，Karawang配电所至Walini配电所间综合负荷贯通线电缆总充电功率为836.39 kVar。考虑到固定补偿容量宜为电缆总充电功率的75%，且3处固定电抗器容量相同，因此本文将每处固定电抗器容量选取为200 kVar，并验证其补偿效果，具体补偿模型如图3所示。

图3 雅万高铁20 kV全电缆贯通线补偿模型

3 仿真分析

为验证本文设计的雅万高铁20 kV全电缆电力贯通线无功补偿方案的补偿效果，利用Matlab软件建立全电缆贯通线的仿真模型，并进行不同负载率下补偿前后的电压分布、功率因数和功率损耗等参数的对比分析。铁路电力贯通线供电系统属于典型的开式网络，因此本文采用前推回代法对电力贯通线进行潮流计算。

3.1 建立仿真模型

根据雅万高铁全电缆π形等值电路及贯通线补偿模型，建立潮流计算仿真模型。如图3所示，线路首端设置可调电抗器，节点6、节点12和节点18设置200 kVar的固定容量电抗器，线路首端设置连续可调的磁控电抗器。

3.2 补偿效果仿真

在各负荷率下对不补偿的情况进行仿真，选取首端功率因数、末端电压、首端无功功率以及全线网损4个关键参数进行分析，仿真结果如表2所示。

由表2可以得到以下结论：(1)在全负载率下，电力贯通线呈容性，需要通过加装电抗器进行无功功率补偿；(2)末端电压在全负荷率下均能满足规范要求的±7%的电压偏差；(3)在空载及轻载时，首端容性无功功率较大，且全线网损较大，若仅在首端进行集中补偿，所需电抗器容量较大，受保护配合限制，将会增大调压器容量，且无法降低贯通线路网损。

表2 不同负荷率下不补偿情况仿真结果

由上述分析可知，20 kV电力贯通线采用的集中补偿与分散补偿相结合的方式是合理的。下面将通过在不同负荷率下调整区间固定电抗器投切状态保证线路损耗最低，通过调节集中补偿电抗器补偿容量保证首端无功功率呈感性且功率因数达标。同时所有工况下需保证各节点电压满足要求。

首先，对区间固定电抗器的投切方案进行分析。通过仿真参数分析不同负荷率下节点6、节点12和节点18分散补偿电抗器的投切状态。不同负荷率及分散补偿容量下线路损耗的仿真结果如表3所示。由表3可得，负荷率0%～30%工况下分散补偿总容量为600 kVar时，线路损耗最低；负荷率40%～60%工况下分散补偿总容量为400 kVar时，线路损耗最低；负荷率70%～100%工况下分散补偿总容量为200 kVar时，线路损耗最低。

表3 不同负荷率及分散补偿容量下线路损耗

结合仿真结果与实际运行需求，负荷率≤30%时，采用投入节点6、12、18三组固定电抗器；30%<负荷率≤60%时，采用投入节点12、18两组固定电抗器；负荷率>60%时，采用投入节点12一组固定电抗器。

根据仿真可得在区间固定电抗器在上述运行方案下，不同负荷率下补偿前后的线路损耗对比如图4所示。由图4可得，采用本文设计的补偿方案在全负载率范围内均可降低线路损耗。

图4 雅万20 kV全电缆贯通线补偿前后线路损耗对比

在上述区间电抗器补偿方案的基础上，不同负荷率下补偿前后的首端无功功率如表4所示。由表4仿真结果可知，在区间电抗器的投入有效减小了首端容性无功功率，即可减小首端集中补偿电抗器的容量。在负荷率为100%时，区间电抗器补偿后首端无功功率为感性，无需再投入首端电抗器进行补偿。

表4 不同负荷率下补偿前后首端无功功率与末端电压

此外，由表4可得，补偿后100%负载率下电压偏差最大为3%，即本补偿方案可保证全负载范围内电压满足规范偏差小于±7%的要求。

综上所述，采用本文设计的补偿方案，结合远动系统对补偿设备的控制，可有效降低雅万高铁20 kV全电缆贯通线在全负荷率范围内的线路损耗，改善首端功率因数，同时保证末端电压偏差满足规范要求。

4 结语

研究表明，在贯通线首端安装可调电抗器，同时沿线安装固定等容量电抗器的补偿方案，当沿线电抗器可远程投切，集中补偿可调时，按负载率及时调节，在全负荷率范围内均可降低线路损耗、改善首端功率因数、保证末端电压质量，补偿方案是有效和可行的。