客运专线10 kV贯通线路接地方式及补偿方案的研究

陈世民,牛大鹏,马峰超,梁孔渝

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司电化院,北京 100055;2.西南交通大学,成都 610031)

客运专线10 kV贯通线路接地方式及补偿方案的研究

陈世民1,牛大鹏2,马峰超1,梁孔渝1

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司电化院,北京 100055;2.西南交通大学,成都 610031)

铁路客运专线电力供电系统,因贯通线路电缆的容性效应较复杂,使得贯通线路的系统接地方式及电容补偿方案成为电力工程设计中的一个关键技术难点。对贯通线路电缆的电容电流进行了详细计算,并结合吉图珲铁路的设计,就电缆贯通线路的系统接地方式及补偿方案进行了分析研究;在此基础上,应用VC++6.0编写了电力贯通线电容电流补偿计算软件,为以后工程设计提供高效的计算工具。

客运专线;贯通线;电容电流;接地方式;补偿

1 概述

近年来,为了提高供电可靠性和安全性,减少维修工作量,节约占地,我国新建铁路客运专线的电力供电系统基本采用沿铁路敷设2回10 kV全电缆或以电缆为主的贯通线路。由于单芯电缆制造长度比三芯电缆长,有助于降低电缆中间接头数量,减少故障点,所以10 kV贯通线一般采用单芯铜芯铠装电缆,按“品”字形敷设。然而电缆有很大的容性效应问题,与架空线相比,电缆线路的相线对地及相间电容电流是架空线的几十倍乃至更高。经调压器供电的10 kV贯通线路,需要综合考虑各方面因素,合理选择其系统中性点接地方式及电容电流补偿方案,从而保证电力供电可靠、并减少正常运行时线路及设备的损耗、提高系统的功率因数,改善供电质量[1～3]。

本文对电缆贯通线路的电容电流进行了详细计算,并结合吉图珲铁路的设计实践,就电缆贯通线路的系统接地方式及补偿方案进行了分析研究,对相关的工程设计具有一定的指导意义。

2 贯通线路电缆电容电流计算

2.1 单芯电缆的电容

单芯电缆“品”字形布置时,其结构如图1所示。其中,每芯对金属护层的电容为Cy(F/km),芯与芯之间的电容为Cx(F/km),则每一芯对中性点的电容为C=Cy+3Cx(F/km)。

图1 贯通线电缆结构

2.2 电缆线路正常运行时的电容电流

电缆线路正常情况(未接地)时的电容电流分布如图2所示。

图2 正常情况时的电容电流分布

正常运行时电容电流按下式计算

式中 Icx——线间电容电流,A;

I′cx——由线间电容电流合成的线电容电流,A;

Ico——线路始端的线电容电流,A;

Icy——线对地的线电容电流,A;

ω——角速度,rad/s,取值为314 rad/s;

l——线路长度,km;

Uφ——相电压,kV,取值为5.774 kV。

2.3 中性点不接地系统单相接地时电容电流

电缆线路发生单相金属性接地时的电容电流分布如图3所示。

图3 单相接地时电容电流

单相接地时电容电流按下式计算

式中 I′cy——非接地相线对地的电容电流,A;

IC——流过接地点的电容电流,A;

Icd——接地相始端的电容电流,A;

Ue——额定线间电压,kV。

3 贯通线路供电系统接地方式的研究

3.1 贯通线路供电系统模型

客运专线10 kV贯通线路供电系统的构成,以吉图珲铁路工程设计为例说明,吉图珲铁路贯通线路供电经调压器供电,区间设备环网接线形式,2回贯通电缆均采用YJV6270型单芯电缆,Cy=0.25(μF/km), 3Cx=0.02(μF/km)[4],其系统模型如图4所示。

图4 吉图珲客运专线电力供电系统模型

3.2 中性点接地方式

(1)经调压器供电的10 kV贯通线路,由于调压器的电气隔离作用,使调压器后母线段上的2个供电回路形成相对独立的供电系统,其系统中性点接地方式要根据系统单相接地故障电流情况,并综合考虑供电可靠性、线路形式、设备绝缘水平、继电保护要求等因素确定。

(2)中性点不接地系统单相接地故障系统如图5所示。

发生单相接地故障,系统内接地相与大地等电位,对地电容电流为零。此时三相间的线电压仍然对称,对负荷供电没有影响,系统内其他两项对地电压升高为线电压,等于相电压的3倍,对系统的绝缘造成影响。只有非故障相的线路与设备上流有零序电流,其数值等于本身的对地电容电流,实际方向为母线流向线路;在故障线路上,零序电流为全系统非故障线路与设备对地电容电流向量和,即调压器后母线上所有回路三相对地不平衡电容电流入故障点的电流之和,方向由线路流向母线。

图5 中性点不接地系统单相接地故障系统

(3)铁路部门在正常运营时,区间各配电所一般采用单方向供电,在相邻所检修或故障状态情况下,采用2个方向供电。根据吉图珲客运专线电力供电系统图,分析计算在不同运行方式下,各配电所贯通线路正常运行时电容电流,以及当采用中性点不接地情况下发生单相接地故障时故障电流。

①6号变电所仅向下行供电臂(36 km)供电时,线路正常运行时线路始端的线电容电流最小,根据公式(2)计算得

单相接地故障电容电流最小,根据公式(5)计算得

②2号变电所向上行供电臂(67 km)、下行供电臂(50 km)同时供电时,上行供电臂线路正常运行时线路始端的线电容电流最大,根据公式(2)计算得

此时单相接地故障电容电流最小,根据公式(5)计算得

(注:上下行供电臂同时送电)

(4)接地方式的确定

由以上分析计算结果以及吉图珲客运专线线路形式得出如下结论。

①根据相关设计规范:当系统单相接地故障电容电流不大于30 A时,中性点可采用不接地系统;当系统单相接地故障电容电流不大于150 A时,中性点可采用低电阻接地方式或消弧线圈接地方式;当系统单相接地故障电容电流大于150 A时,宜采用低电阻接地方式。吉图珲铁路全线各配电所贯通线路供电系统当采用中性点不接方式时,在不同运行方式下最小单相接地故障电流为49.0 A,最大单相接地故障电流为159.1 A。适宜选择中性点经低电阻接地方式。

②吉图珲客运专线贯通线路采用全电缆线路,当采用低电阻接地方式,单相接地时形成单相短路,保护及时动作,避免了可能引起的系统过电压危害,可以保护贯通电缆线路及供电设备的安全;因区间一级负荷设备均为双电源采用的环网接线形式,同时也可以保证供电的可靠性。

4 贯通线供电系统补偿方案的研究

(1)贯通电缆线路的容性电流,正常运行时增加了线路及设备的损耗,占用调压器的容量。需要加中性点不接地的并联电抗器补偿,改善供电质量,减少调压器无功占用容量。补偿的方式主要有2种,分别为集中补偿和分散补偿。

(2)在配电所集中补偿方式,当补偿装置故障或检修退出运行时,贯通线路电缆的容性电流会引起调压器过载,或调压器退出不能保证正常供电。因此分散补偿优于集中补偿。吉图珲铁路工程设计选分散补偿方案。

(3)分散补偿,为了避免环网供电在分区段检修、分区段供电的各种运行方式下产生并联谐振。选择分段欠补偿方案。根据贯通线路区间设备分布情况及避开铁路隧道的要求,综合考虑本工程补偿度α选择为75%[5,6]。

(4)补偿电抗器的确定

设配电所A的里程为S1,配电所B的里程为S2,两所间每隔10～15 km设1处电抗器,算法按照间隔12.5 km设置,中间设n个电抗器,n个电抗器的线路里程分别为l1,l2,…,ln,电抗器的实际间距为l′,电抗器的总容量为M。

由以上分析计算可得

5 计算软件设计

(1)算法程序流程图

结合以上算法,可得出软件的流程图,如图6所示。具体内容包括:初始值设置、数据计算、图形输出、保存数据。

(2)软件界面设计

图6 算法流程

本部分程序依据软件工程设计思想,应用Visual C++6.0语言,基于MFC对话框,实现了程序结构化、功能模块化。软件界面如图7所示。

图7 客运专线10 kV电力贯通线电容电流补偿计算软件界面

经该软件计算可得吉图珲客运专线4号配电所至5号配电所区段贯通线电容电流补偿方案为:M1= 144,M2=108,M3=72,M4=144,(M1,M2,M3,M4为各区间电抗器的计算容量)对应里程为:l1=167.279, l2=179.572,l3=191.865,l4=204.158。

6 优化设计

实际工程中,箱变一般设置于区间负荷点处,所以电抗器应结合区间箱变位置,两者尽量合建。另外,考虑到分段检修及停电故障等因素,电抗器宜分散设置。

依据软件计算结果,并结合本工程实际,得出吉图珲贯通线电容电流补偿方案(4号配电所至5号配电所区段),如图8所示。

图8 补偿方案示意(单位:km)

7 结语

通过对贯通线路电缆电容电流的分析计算,就客运专线电缆贯通线路供电系统的接地方式和补偿方案进行了深入研究,在此基础上,应用VC++6.0进行编程计算,并结合工程实际情况进行了优化设计,得到了较为合理的电容电流补偿方案,对相关的工程设计具有较好的指导意义。

[1] TB 10008—2006,铁路电力设计规范[S].北京:中国铁道出版社,2006.

[2] 铁道部专业设计院.铁路电力手册[M].北京:中国铁道出版社,1991.

[3] TB 10020—2009,J971—2009,高速铁路设计规范(试行)[S].

[4] 罗思衷.合蚌客运专线10 kV单芯电缆设计中若干问题的探讨[J].高速铁路技术,2010(4):37 -41.

[5] 王 颢,易 东.青藏铁路电缆贯通线并联电抗器补偿方式研究[J].铁道工程学报,2008(8):67 -74.

[6] 颜秋容,刘 欣,王学锋,段献忠.铁路10 kV电缆贯通线电容电流补偿度研究[J].铁道学报,2006(2):85 -88.

Research on the Earthing Approach and Com pensation Option for Passenger-dedicated Railway 10kv Power Cable Through Lines

Chen Shimin1,Niu Dapeng2,Ma Fengchao1,Liang Kongyu1
(1.Electrification Institute,China Railway Engineering Design and Consultant Group Co.,Ltd.,Beijing 100055; 2.Southwest Jiaotong University,Chengdu 610030)

In the power supply system of passenger-dedicated railways,earthing approach and capacity compensation option of power cables become the key technical problem since the capacity effect of the cables of through lines are complicated.The paper carried out a detailed calculation of the capacity current in the cables of through lines,incorporating the design of Jilin-Tumenjiang-Fenchun railway,studied the earthing approach and compensation option of through lines.On this basis,a software has been compiled by using VC++6.0 to calculate the capacity current compensation for current through lines,to provide a powerful tool for future project design.

Passenger-dedicated railway; Power cable through lines; Capacity current; Earthing approach;Compensation

U223.5+1

A

1004 -2954(2011)08 -0122 -04

2011-04-12;

2011-05 -23

陈世民(1973—),男,工程师,2008年毕业于辽宁工程技术大学电气工程及其自动化专业,工学学士。