高速铁路全电缆电力贯通线补偿方案研究

张光跃，高 博

0 引言

近年来，我国高速铁路建设得到了快速发展，运营里程快速增长的同时也对铁路电力供电系统的供电可靠性提出了更加严格的要求[1]。保障铁路电力供电系统的供电可靠性仍然是铁路安全、稳定运行的重中之重。

作为铁路电力供电系统的重要组成部分，全电缆电力贯通线路与传统的架空线路相比，供电可靠性更强，安全性也更高，因此我国新建高速铁路电力贯通线普遍采用全电缆模式。虽然全电缆贯通线路有效提高了供电可靠性，但由于电缆线路的对地电容较大，也给铁路电力供电系统带来了线路末端电压抬升、首端功率因数低等问题[2]。如何合理有效地改善全电缆贯通线路的电能质量，已成为铁路电力设计人员必须考虑和研究的重点。

1 高速铁路10 kV电力供电系统

高速铁路 10 kV电力供电系统担负着为除铁路牵引供电系统以外的铁路沿线其他负荷供电的重要任务，主要由10 kV配电所和10 kV电力贯通线组成[3]。10 kV配电所通过地方电网获取电源，经过所内专用的10/10 kV有载调压器向贯通母线供电。有载调压器不仅可以改善电源质量，还可以防止故障时对上一级变配电设备造成影响，起到隔离防护作用。电力贯通线经铁路沿线的 10/0.4 kV箱式变电站向沿线区间各负荷点供电。为了提高供电稳定性，相邻的两配电所之间馈出两路电力贯通线，称为一级负荷贯通线和综合负荷贯通线；其中一级负荷贯通线路是沿线通信、信号装置和远动开关等重要一级负荷设备的主供电源，综合负荷贯通线路则为沿线其他二、三级负荷供电，同时兼作一级负荷的备用电源[4]。高速铁路10 kV电力供电系统结构如图1所示。

图1 高速铁路10 kV电力供电系统结构

2 电缆贯通线的电容效应

电缆的电容效应是引起贯通线路末端电压抬升的根本原因。本文采用电力系统仿真建模中最常用的集中参数等效电路和分布参数等效电路[5]分别对全电缆贯通线路进行等效简化，更直观地对线路末端电压抬升问题进行原理性分析。

2.1 集中参数电容效应

电缆线路的电导可以忽略不计，全电缆线路的集中参数等效电路可简化为图2所示电路。全电缆线路的感抗远小于线路的容抗，因此全电缆线路正常运行时线路中流过的电流呈容性，而容性电流流过线路感抗会引起部分压降，该部分压降与容抗上的电压相反，这将导致线路末端电压的升高。

图2 电缆线路集中参数等效电路

由图2结合电路知识可得：

图3 集中参数等效电路向量图

2.2 分布参数电容效应

电缆线路的长度越长，线路的分布参数特性就越明显，此时采用分布参数等效电路分析计算结果将更加准确。分布参数模型等效电路的核心思想是将长电缆线路看作多个无穷小的长度元 dx，定义每一个长度元的电阻为R0dx，电感为L0dx，对地电容为C0dx，对地电导为G0dx。图4为分布参数等效电路示意图。

图4 分布参数等效电路示意图

分布参数等效电路的电压电流计算式可以通过正弦交流电作用下均匀传输线的传输参数方程得到[6]：

假设电阻与电导忽略不计，由式（2）可知，无损耗电缆线路在空载运行情况下线路电压按照余弦规律分布，其中线路末端的电压最高[6]。

3 无功补偿方案分析

3.1 无功补偿方案介绍

3.1.1 分散式补偿

分散式补偿方案的补偿装置为容量固定的并联电抗器[7]，该方案安装方式是将多个并联电抗器安装在沿线区间各重要负荷点处。分散式补偿方案如图5所示。

图5 分散式补偿

3.1.2 两端集中式补偿

两端集中式补偿方案的补偿装置由一组动态无功补偿装置和一个并联电抗器构成，其中动态无功补偿装置安装在配电所内电力贯通线路首端，而并联电抗器则安装在区间贯通线路的末端，图6所示。

图6 两端集中式补偿

3.1.3 首端集中+沿线分散式补偿

首端集中+沿线分散式补偿方案的补偿装置也由动态无功补偿装置和并联电抗器构成，但与两端集中补偿方式不同的是，该补偿方式除了在贯通线路首端安装动态无功补偿装置外，还在区间沿线各重要负荷点处分散安装多个并联电抗器进行补偿，如图7所示。

图7 首端集中+沿线分散式补偿

目前，我国高速铁路电力贯通线主要采用首端集中+沿线分散补偿的设计方案[8]，其设计思想是按照总补偿容量的 75%沿线分散设置固定容量的并联电抗器，为沿线线路提供基本的补偿容量，配电所内贯通线路首端设置可调节容量的动态补偿装置，用于功率因数的调节。该方案经济性较高，同时补偿灵活性也具有明显优势，本文主要对该补偿方案进行分析。

3.2 仿真实验分析

3.2.1 仿真模型建立

本文以某高铁贯通区间长度为51.5 km的全电缆一级贯通线路作为研究对象，使用电缆集中参数等效电路，借助 Matlab/Simulink仿真平台搭建高速铁路全电缆贯通线潮流计算仿真模型[9]，其中电源、调压器、电缆线路和沿线负荷点等主要模型的参数均按照现场实际参数设置。线路总补偿容量依照式（3）计算：

式中：k为线路补偿系数，UN为线路额定线电压，ω为角频率，C为电缆线路的工作电容，l为线路的总长度。

通过式（3）与现场电缆出厂参数计算可得到该贯通区间线路的总补偿容量Q总= 462 kvar。结合线路实际的负荷分布情况，本文在线路仿真模型首端设置总补偿容量为 108 kvar的分组投切电抗器作为动态补偿装置，在沿线3个负荷集中处设置容量均为114 kvar的并联电抗器。

3.2.2 补偿效果分析

为了直观地对比补偿方案对全电缆贯通线路的补偿效果，首先对未投入补偿装置的贯通线路模型在不同负荷率情况下进行仿真分析，所加负荷量均以贯通线路沿线实际的箱式变压器容量为基准，功率因数取0.85。选取首端功率因数和线路末端电压作为对比评价指标，实验结果如表1所示。

表1 未投入补偿时不同负荷率仿真结果

通过表1可以看出，未投入补偿装置时贯通线路末端电压在不同负荷率情况下较 10 kV的额定电压均出现了不同程度的偏移，但由于线路长度较短，偏移量均在规范规定的范围内[10]。而在不同负荷率情况下，线路首端功率因数均为负值，表示贯通线路呈容性，线路首端始终存在无功功率返送，不符合电力部门的相关要求，必须对线路进行合理的补偿。

为了兼顾补偿的经济性和实用性，本文采用的补偿装置容量投入方案如表2所示，其中补偿点1为动态补偿装置，补偿点2～补偿点4为沿线设置的并联电抗器。

表2 补偿容量投入方案 kvar

表3为按照补偿投入方案补偿后的贯通线路模型在不同负荷率情况下的仿真结果。由表3可以看出，经过补偿后的贯通线路模型在不同负荷率下的末端电压偏移量与未投入补偿时相比均有明显降低，且线路电压分布更为稳定；补偿后的贯通线路首端功率因数在不同负荷率下均达到了0.9以上，供电质量有了极大提升。实验结果表明，本文所述的无功功率补偿方案可以有效抑制高速铁路全电缆贯通线线路末端电压抬升和首端功率因数低的问题，补偿后的线路主要运行指标均能满足要求，证明该补偿方案是合理且有效的。

表3 投入补偿后不同负荷率仿真结果

4 结语

在高速铁路全电缆电力贯通线工程设计与改造过程中，采用合理的无功补偿方案将有助于提升铁路电力供电系统的安全性和经济性。本文通过对全电缆电力贯通线路进行仿真分析，论证了投入无功补偿装置对于改善全电缆贯通线路电能质量的有效性，具有一定的工程应用价值。