铁路电力贯通线电压补偿方案研究

任海蛟

（中铁十二局集团电气化工程有限公司，天津 300308）

0 引 言

早期我国铁路贯通线采用架空线形式，存在对自然灾害的抵御能力较弱和供电不稳定等问题。电力电缆具有出色的安全性、高可靠性以及对环境影响小等优势[1,2]，因此现阶段我国铁路普遍采用全电缆电力贯通线作为供电线路。然而，在技术实践中逐渐发现，电力电缆存在大容量分布容量、容性无功过剩以及末端电压过高等问题，威胁铁路系统的安全运行。因此，如何处理全电缆电力贯通线电容效应十分关键。本文探讨通过并联电抗器补偿方式进行电压补偿的方案，并利用仿真验证了补偿方案的有效性。

1 并联电抗器补偿原理及特点

1.1 基本原理

贯通线空载时，端子电压将升高。并联电抗器的作用是消化不必要的电容无功功率，从而保证线路电压处于安全范围[3]。并联整流器需要具备的功能包括两个方面。一方面，并联整流器解决空载条件下沿线路分布电容导致的电压升高问题，提高电压质量，控制操作过电压水平。另一方面，并联整流器能够优化贯通线无功潮流分布，获得更高的线路功率系数，使无功就地平衡，减少线路的实际功率损耗。

1.2 优缺点分析

电抗器电压补偿具有独特的优势。第一，贯通线不需要考虑网络规模的扩大，采用电抗器进行电压补偿的方案技术难度低，无需大量投资。第二，中性点不接地，安全性高。第三，同时具有无功调节和电容电流补偿作用。但是，电抗器电压补偿也存在缺点。第一，电抗器作为负载长时间运行会导致电网损耗。第二，可能与对地电容形成稳态谐振过电压、过电流。第三，使用电抗器作为线路负载，增加了线路的电磁储能能力，增加了打开和关闭线路时的瞬时充放电功率，可能产生暂态电磁振荡导致操作过电压超出安全范围。第四，校正最小线路剩余电流的方法不能满足电容电流稍大于电网的电弧熄灭条件。

2 接入方式

并联电抗器电压补偿的接入方式包括星形连接（带中线和不带中线）、三角形连接以及双星形连接等[4]。当使用星形（不带中线）接入方式时，不需要对电抗器进行绝缘强化处理，同时不会发生中性点漂移现象。然而，事实证明，使用不对称的三相负载不能做到相位补偿。当使用星形（带中线）接入方式时，三相不平衡的情况下，可用相位补偿方式补偿正序、负序以及零序电流的无功功率。使用双星形接入方式时，可设置零序电流平衡保护。如果某一相的电抗器运行不正常，零序电流将流过中性线。此时，通过及时检测零序电流可以做到有效保护。双星形接入方式通常用于大容量电压补偿场景，不用于铁路供电系统。因此，根据实际需求可选择星形接入或三角形接入方式。

3 铁路电力贯通线电压补偿方案

在现有的铁路贯通线路上，通常有集中式补偿方案、分布式补偿方案以及前端集中式+沿线分布式补偿方案3种类型的电压补偿策略。

3.1 集中式电压补偿方案

该方案的首端集中补偿装置通常为动态电压补偿装器，能够基于贯通线路状态调整补偿电容对线路首端的功率因数，从而减少容性无功[5]。补偿器设置如图1所示。由于动态电压补偿器的成本高于固定容量补偿器的成本，前期需要较大投入。补偿器均设置在线路首端和末端的配电站，大大减少了设备的数量和维护成本。而关于线路电压控制，末端电压补偿无法控制整条线路的电压，调节灵活性不强。

图1 首端与末端集中式电压补偿方案

3.2 分布式电压补偿

分布式电压补偿方案，如图2所示。分布式电压补偿方案是指沿贯通线分布设置带有固定电容器的可投切电抗器，以减少贯通线路中因电缆电容效应形成的容性电流，大大降低了负载调节下线路电压和线路首端回送的容性无功功率。由于分布式电压补偿方案的补偿装置是容量固定的可投切电抗器，初始投资相对较低，但电抗器沿线设置使得操作和维护相对麻烦。为了控制前端的功率系数，该补偿方案可以减小线路首端回送的容性无功功率。虽然该方案可以根据网络负载的工作条件实时校正前端的功率因数，但是不能基于线路实际负荷实时补偿线路首端的功率因数。该方案能够利用可投切电抗器控制线路电压，控制方式更灵活。

图2 分布式电压补偿方案

3.3 前端集中式+沿线分布式补偿方案

该方案是指贯通线前端采用集中补偿器，沿线采用分布补偿器。前端的集中补偿器设置在配电站，而沿线分布的补偿器通常为可投切电抗器，可以同时做到前端和末端的实时电压补偿，且能在线路空载和有载情况下有效控制线路电压的升高。前端集中式+沿线分布式补偿方案如图3所示[6]。与上述两种补偿方案相比，该补偿方案前期需要较大的投入，维护更加复杂，但效果最好。

图3 前端集中式+沿线分布式补偿方案

4 仿真分析

基于短线路（40 km以内）、中线路（40～70 km）以及长线路（超过70 km）3种铁路线路情况创建铁路贯通线仿真模型，计算补偿电容，仿真多种补偿方案，以比较不同补偿方案的效果。同一生产线模型的不同补偿策略的总补偿能力是相同的。3种线路条件下，集中式补偿方案的补偿容量为总补偿容量的1/2。分布式补偿方案中，各个分布点的补偿容量相等。前端集中式+沿线分布式补偿方案中，分布式补偿容量占总补偿容量的3/4，各个分布点的补偿容量均等。最后，在不补偿的前提下对3种线路条件下的电容效应进行仿真分析，评估贯通线电容效应的影响。仿真均在空载状态下进行。

4.1 全电缆贯通线仿真模型

将正常运行贯通线路的电力系统简化为简单模型。该模型必须包含线路、电源、补偿装置以及调压器。相应的Matlab仿真模型必须包含线路模型、电源模型、补偿装置模型（电抗器模型）以及调压器模型。所有仿真模型的参数均来自于实际参数，以确保仿真的准确性。为测试3种线路条件下补偿前后的线路电压分布，模型中每2 km设一个电压检测点，仿真模型如图4所示。

图4 铁路电力贯通线仿真模型

4.2 空载条件下全电缆贯通线电压补偿方案仿真分析

空载条件下，线路电容效应最大。在不加补偿的条件下仿真，通过比较仿真结果（如图5所示），分析3种不同线路条件下的电容效应，以获得不同补偿方案在同一线路条件下的补偿效果。

图5 空载条件下的3种线路的节点电压分布

空载条件下进行仿真可以发现：当前端电压是标准电压时，短线路条件下的线路末端电压上升，比前端电压高出1.039倍；中等线路条件下的线路末端电压比前端电压高出1.048倍；长线路条件下的线路末端电压比前端电压高出1.147倍。3种线路条件下，调压器前后节点之间的电压升高非常明显，后续节点的电压则缓慢上升。在空载且不加补偿的情况下，3种类型的线路均存在无功反送的现象。其中，长线路因为具有最高的供电电压，所以无功反送最严重，远高于9 Mvar。与长线路相比，短线路无功反送容量为325 kvar，与计算容量最接近，可得到以下结论。第一，贯通线短线路的末端电压升高在国家安全标准范围内，而中等线路和长线路的端电压升高超过了国家标准，尤其是长线路末端电压升高量达到前端电压的15%，会严重影响电气设备的绝缘性能。第二，贯通线末端电压升高主要是由流入变压器的容性电流引起的。第三，无功反送容量与电压、线长正相关。由于电容效应的累积，线路某一部分的电压高于线路的标称电压。因此，根据标称电压计算的补偿容量通常小于实际所需。第四，如果铁路电力贯通线较长，电压水平较高，则在同等补偿容量要求的情况下，分布式补偿方案可以最有效地抑制线路电压的升高。考虑到成本和实用性，可在线路两端使用集中式补偿方案，而长线路应该优先采用分布式补偿方案。然而，考虑到线路的负载波动，必须在线路前端设置动态电压补偿装置。在中等线路条件下可优先使用集中式+分布式补偿方案，以便同时解决末端电压升高和容性无功反送的问题。

5 结 论

铁路电力贯通线运行形式简单固定。它采用低电阻接地运行模式，结合并联电抗器进行电压补偿，不仅可以减少由电容效应引起的电压浪涌，而且可优化电路分布，提高用户电压质量，还可以限制操作过电压水平。在空载或轻载条件下优化线路的无功潮流分布，可以获得更高功率因数，减少不合理的无功流动，实现无功功率就地平衡，从而减少线路中的有功功率损耗，提升能效。