柴油发电机带10 kV贯通线电缆线路运行可行性研究

2011-05-14孙建明

铁道标准设计 2011年4期

孙建明，易东

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063;2.西南交通大学，成都 610031)

高速铁路10 kV电力贯通线供电臂长度一般为40～60 km，个别区段长达70 km，电力贯通线主要对沿线通信、信号等重要负荷供电，一旦中断供电，将会造成重大的政治影响和经济损失，然而电力故障突发性强，往往不以人们的意志为转移，因为无论供电部门管理得再严格、电网设备再先进，断电也在所难免。为此，在灾情特别严重的地区高速铁路配电所必要时将设有应急柴油发电机组，例如日本九洲新干线、武汉广州高速铁路等，当市电停电时，通过柴油发电机带全电力贯通线运行，保证与行车密切相关的通信信号等特别重要的一级负荷。全电缆贯通线对地电容电流远大于架空线路，柴油发电机组能否带长距离电缆贯通线稳定运行需要研究，本文将对电缆贯通线设置柴油发电机是否可行进行分析研究。

1 柴油发电机带电缆贯通线面临的主要问题［1～4］

高速铁路供配电系统主要由外部电源、变配电所、沿线两回10 kV高压电力贯通线路等构成，为了保证长距离、轻负荷的区间贯通线供电质量，铁路变配电所设有专用10/10 kV的调压器向10 kV贯通线供电。

单位长度的电缆线路的电容电流比架空线路电容电流大很多倍，全电缆贯通线对地电容电流很大。由于电缆线路电容远大于架空线路，可能会使功率因数超前，使功率因数角由正变负，引起末端电压升高。并联电抗器可以吸收多余的容性无功功率，为将电缆线路在负载或空载时的电压控制在允许的范围之内。必须在电缆线路中并联电抗器，其作用为:

(1)削弱电容效应引起的电压升高，改善线路电压分布，提高用户电压质量，同时也限制了操作过电压水平;

(2)改善轻载情况下线路中的无功潮流分布，提高线路功率因数值，减少轻载或空载时无功的不合理流动，使无功就地平衡从而降低线路的有功功率损耗，提高供电效率。

当电缆贯通线路无功补偿选择欠补偿方式时，作为应急电源的柴油发电机会处于进相运行状态，发电机进相运行时带载能力下降，稳定性下降;而选择过补偿方式时，可能使线路末端电压低于正常值，因此，在考虑电缆贯通线的柴油发电机容量及贯通线供电长度时，应综合考虑以上因素［5～8］。

2 仿真计算

为研究在配电所集中设置柴油发电机作为高速铁路沿线与行车密切相关的通信、信号等重要负荷的备用电源可行性，课题组选取了武广高速铁路一段长78.3 km全电缆综合贯通线作为仿真计算模型，利用Matlab/simulink仿真软件分别对高、低压柴油发电机组对电缆贯通线路供电的各种工况进行了仿真计算，分析了发电机电压、电流、功率及稳定特性，包括:(1)不进行并联电抗器补偿时，低压柴油发电机带电缆贯通线路空载运行、负载运行情况仿真计算。(2)采用并联电抗器补偿，低压发电机带电缆贯通线路带负载仿真计算。(3)低压发电机越区运行的仿真计算。(4)高压发电机越区运行仿真计算。受篇幅限制，本文仅对前2种工况进行仿真。

系统基本参数为:变压器电压百分比8%、容量1MVA、变比0.4 kV/10 kV，电缆长度78.3 km，线路上负荷变压器总容量1392 kVA，负荷需要系数取0.65，系统图如图1所示，电缆参数如表1所示，发电机组系统基本参数如表2所示。

图1 78.3 km综合贯通线负荷分布(单位:km)

表1 YJV628.7/10 kV(95 mm2)电缆参数［5］

表2 铁路贯通线用柴油发电机组参数(卡特彼勒)

2.1 贯通线路空载运行情况仿真计算

线路空载，0.2 s合上线路，并联电抗器1设在变压器出口，并联电抗器2设在线路末端。补偿度K=(并联电抗器1的容量+并联电抗器2的容量)/线路电容功率，表3、表4为柴油发电机容量变化时，并联电抗器不同补偿度时，线路电压变化情况。从表3、表4中可以看出补偿度K在0.9～1.1时，线路电压在合格范围;补偿度小于0.8时，线路电压偏高;补偿度大于1.1时，线路电压偏低。当发电机容量增大到2 MVA时，补偿度在0.8～1.2时，线路电压在合格范围。

而不补偿电抗器时，发电机容量为1 MVA时，从表5可以看出，发电机只能带10 km电缆线路，超过10 km时，线路电压大于额定电压的8%，不满足电压质量要求。

表3 发电机容量为1 MVA时，在不同电抗器补偿度下线路电压 kV

表4 发电机容量为2 MVA时，在不同电抗器补偿度下线路电压 kV

表5 发电机容量为1 MVA、空载运行、不补偿电抗器时的线路电压 kV

2.2 贯通线路带负载运行情况仿真计算

由于负荷点较多，为便于计算，将负载分成5个集中负载进行仿真计算，0.2 s合上线路，仿真结果:发电机容量1 MVA，负荷率100%，功率因数为1时，电压在合格范围，功率因数为0.85、0.9时，线路电压较低，见表6;负荷率70%时，功率因数为0.85、0.9、0.95时，电压在合格范围，功率因数为1时，线路电压较高，见表7。

表6 发电机容量1 MVA、负荷率100%、不同功率因数下线路电压分布 kV

表7 发电机容量1 MVA、负荷率70%、不同功率因数下线路电压分布 kV

表8表明发电机容量1 MVA时，不能稳定运行(图2)。表9表明发电机容量1.25 MVA，电压在合格范围，发电机处于进相运行状态，当负荷率100%时，发电机不能够稳定运行。当负荷率70%发电机可以稳定运行。负荷率70%时，功率因数为0.85时，发电机额定有功功率与负荷有功功率之比为1 000/538.5=1.86。负荷率70%时，功率因数为0.9时，发电机额定有功功率与负荷有功功率之比为1 000/570.15=1.75。

表10表明发电机容量1.5 MVA，电压在合格范围，发电机处于进相运行状态，当负荷率100%时，发电机不能够稳定运行，此时发电机额定有功功率与负荷有功功率之比为1.5/(1.25×0.905)=1.33。表11表明发电机容量2 MVA，电压在合格范围，发电机处于进相运行状态，当负荷率70%时，发电机额定有功功率与负荷有功功率之比大于1.58时，可以稳定运行。