电缆贯通线分布电容计算方法及无功补偿

罗德洋

关键词：电缆贯通线;分布电容;计算方法;无功补偿

我国铁路传统的贯通线方式为架空线路，在早期发展阶段尚能满足铁路配电需求。随着我国交通网络建设的逐渐完善及铁路交通规模的逐步扩大，传统架空贯通线呈现出巨大的弊端，如难以有效抵抗自然灾害、供电稳定性及可靠性差等。相对而言电力电缆可有效抵抗环境中的干扰因素，稳定性及安全性均优于架空贯通线，尤其是近几年来，电力电缆在高低压电网中应用愈加广泛，其中交联聚乙烯电缆基本已经完全取代传统的充油电缆。虽然电缆贯通线拥有架空贯通线无法媲美的优势，但仍不可忽视电缆贯通线运行过程中会产生较大的对地电容电流，形成大量的无功损耗。为实现铁路配电系统朝向“资源节约型，环境友好型”转变，铁路部运输局要求在电缆上采用集中分散并联星型连接、中性点接地的电阻抗方法补偿电缆的部分电容电流，提高电缆贯通线功率因数。而无功补偿方式较多，并且不同电压的电缆无功补偿量也有较大的差距，为此文章从电缆贯通线的分类及结构出发，以截面积分别为70mm3、95mm3铜芯交联聚乙烯绝缘8.7kV、15kV电缆为例，阐释该电缆贯通线分布电容计算方法，介绍并对比三种无功补偿方法，最终确定电缆贯通线无功补偿的最佳方案。

一、电缆贯通线概述

在我国铁路供配电系统建设中，为了满足铁路电力资源供应需求，需要在铁路沿线适当间隔内设置变电所、配电所。但由于铁路沿线负荷点较多，一般需要在两个相邻的配电所及变电所之间设置两回电力线路，以为铁路沿线负荷供电，该两回电力线路即为电力贯通线。实质上电力贯通线是铁路沿线负荷的电源，其能够从两端所设置的变电所及配电所获取电能。如下图1为铁路供配电系统结构。

（一）电缆贯通线的分类

电缆贯通线的分类主要包括两种方式，其一为按照电压的等级可将电缆贯通线分为低压电缆贯通线、中压电缆贯通线以及高压电缆贯通线;而是根据所使用的绝缘材料可以将电缆贯通线分为低绝缘电缆、挤包绝缘电缆以及压力电缆。其中低压绝缘电缆所使用的绝缘材料为复合型材料，具有成本低廉、使用期限较长、稳定性较高的优势，可广泛应用于中等级电压的电网中。挤包绝缘电缆所使用的绝缘材料为热固性或热塑性材料，例如交联聚乙烯电缆就属于挤包电缆，采用挤包的方式将交联聚乙烯包裹在电缆外侧形成绝缘层，其具有安装操作简单、制造周期短的优势，在220kV以下电压等级的电网中应用广泛。压力电缆所使用的绝缘材料为绝缘油或绝缘气体，具有绝缘性能佳的优势，可用于110kV以上电压等级的电网中。

（二）电缆贯通线的结构

电缆贯通线的结构主要包括三个部分：导体、绝缘层以及护层。应用于6kV以上等级电压电网中的电力电缆外部还包括屏蔽层。如下图2（左）为单芯交联聚乙烯电缆结构，下图2（右）为三芯交联聚乙烯电缆结构。

在电缆贯通线的组成结构中，导体一般需要选择导电系数高的金属，如铜、铝等，主要用于传输电流，金属制导体能够降低电流的损耗。绝缘层所应用的材料需要具有较大的绝缘电阻、适应性较强，可保证在不同气候条件、环境中长时间运行后还具有较好的绝缘安全性。电缆屏蔽层处于绝缘层外侧，具有改善电场分布的作用。电缆护层主要用于保护其内部的绝缘层，防止绝缘层因直接暴露在空气中发生腐蚀，或者受到外力的作用二损坏。

二、电缆贯通线分布电容计算方法

电容值是电缆贯通线重要的基本参数之一，精准计算电缆贯通线分布电容有助于为电缆的敷设提供材料选择、结构确定的依据。电缆贯通线分布电容是导体电荷与金属保护套和导体问电压的比值。

式中：绝缘材料相对介电常数;绝缘材料在真空中的介电常数;单芯电缆几何因数;G2一三芯电缆几何因数。

三芯电缆的电容包括部分电容及工作电容，如导体与金属保护套之间的电容、导体与导体之间的电容均为部分电容。在电压稳定正常的情况下，三芯电缆的对地电容即为工作电容，如下图3所示。

通常情况下三芯电缆工作电容的计算需要通过两次测量分别获取其中一個导体与另外两个导体与保护套之间的电容、三个导体共同对保护套的电容。计算公式如下：

三芯电缆每相工作电容：

式中：U-电缆对地电压f-电源频率;C-每相每厘米长度电缆的电容。

按照上述公式，以横截面积为70mm3、95mm3三芯交联聚乙烯绝缘8.7kV、9.5kV电缆为例，可得到该两种类型三芯电缆分布电容值及其他相关重要参数如下表1所示。

三、电缆贯通线无功补偿方案

空载时三芯电缆电容电流计算公式为：

在不计变压器以及负荷阻抗的情况下，系统最大的无功容量可由以下公式计算获得：

将补偿目标设定为75%，则可得电抗补偿容量Q=75%。

文章阐释了三种电缆贯通线无功补偿方式，具体如下：

集中式静止无功发生器动态补偿。采用集中方式设置静止无功发生器，该发生器具有动态无功补偿的特点，并能够有效减少无功功率，横截面积为75mm3电缆具体的补偿容量参照下表2：

四、结语

随着现代科学技术的发展，电缆在铁路供配电系统的贯通线中应用愈加广泛。虽然其具有安全性、稳定性及可靠性较高的优势，但对地电容较大，易形成大量的无功损耗。通过计算电缆贯通线分布电容，设定无功补偿目标可以计算出电缆贯通线补充容量，再结合相应的方案布置静止无功发生器、固态电抗器或将两者联用可达75%的补偿率。在实际应用中，还需要根据相关技术标准、实际的系统运行状况等合理设计电缆贯通线材料及结构，经过精准计算后选择技术性与经济性相统一的电缆贯通线无功补偿方案。