羅德洋

關(guān)鍵詞：電纜貫通線;分布電容;計算方法;無功補償

我國鐵路傳統(tǒng)的貫通線方式為架空線路，在早期發(fā)展階段尚能滿足鐵路配電需求。隨著我國交通網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的逐漸完善及鐵路交通規(guī)模的逐步擴大，傳統(tǒng)架空貫通線呈現(xiàn)出巨大的弊端，如難以有效抵抗自然災(zāi)害、供電穩(wěn)定性及可靠性差等。相對而言電力電纜可有效抵抗環(huán)境中的干擾因素，穩(wěn)定性及安全性均優(yōu)于架空貫通線，尤其是近幾年來，電力電纜在高低壓電網(wǎng)中應(yīng)用愈加廣泛，其中交聯(lián)聚乙烯電纜基本已經(jīng)完全取代傳統(tǒng)的充油電纜。雖然電纜貫通線擁有架空貫通線無法媲美的優(yōu)勢，但仍不可忽視電纜貫通線運行過程中會產(chǎn)生較大的對地電容電流，形成大量的無功損耗。為實現(xiàn)鐵路配電系統(tǒng)朝向“資源節(jié)約型，環(huán)境友好型”轉(zhuǎn)變，鐵路部運輸局要求在電纜上采用集中分散并聯(lián)星型連接、中性點接地的電阻抗方法補償電纜的部分電容電流，提高電纜貫通線功率因數(shù)。而無功補償方式較多，并且不同電壓的電纜無功補償量也有較大的差距，為此文章從電纜貫通線的分類及結(jié)構(gòu)出發(fā)，以截面積分別為70mm3、95mm3銅芯交聯(lián)聚乙烯絕緣8.7kV、15kV電纜為例，闡釋該電纜貫通線分布電容計算方法，介紹并對比三種無功補償方法，最終確定電纜貫通線無功補償?shù)淖罴逊桨浮?/p>

一、電纜貫通線概述

在我國鐵路供配電系統(tǒng)建設(shè)中，為了滿足鐵路電力資源供應(yīng)需求，需要在鐵路沿線適當(dāng)間隔內(nèi)設(shè)置變電所、配電所。但由于鐵路沿線負(fù)荷點較多，一般需要在兩個相鄰的配電所及變電所之間設(shè)置兩回電力線路，以為鐵路沿線負(fù)荷供電，該兩回電力線路即為電力貫通線。實質(zhì)上電力貫通線是鐵路沿線負(fù)荷的電源，其能夠從兩端所設(shè)置的變電所及配電所獲取電能。如下圖1為鐵路供配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

（一）電纜貫通線的分類

電纜貫通線的分類主要包括兩種方式，其一為按照電壓的等級可將電纜貫通線分為低壓電纜貫通線、中壓電纜貫通線以及高壓電纜貫通線;而是根據(jù)所使用的絕緣材料可以將電纜貫通線分為低絕緣電纜、擠包絕緣電纜以及壓力電纜。其中低壓絕緣電纜所使用的絕緣材料為復(fù)合型材料，具有成本低廉、使用期限較長、穩(wěn)定性較高的優(yōu)勢，可廣泛應(yīng)用于中等級電壓的電網(wǎng)中。擠包絕緣電纜所使用的絕緣材料為熱固性或熱塑性材料，例如交聯(lián)聚乙烯電纜就屬于擠包電纜，采用擠包的方式將交聯(lián)聚乙烯包裹在電纜外側(cè)形成絕緣層，其具有安裝操作簡單、制造周期短的優(yōu)勢，在220kV以下電壓等級的電網(wǎng)中應(yīng)用廣泛。壓力電纜所使用的絕緣材料為絕緣油或絕緣氣體，具有絕緣性能佳的優(yōu)勢，可用于110kV以上電壓等級的電網(wǎng)中。

（二）電纜貫通線的結(jié)構(gòu)

電纜貫通線的結(jié)構(gòu)主要包括三個部分：導(dǎo)體、絕緣層以及護(hù)層。應(yīng)用于6kV以上等級電壓電網(wǎng)中的電力電纜外部還包括屏蔽層。如下圖2（左）為單芯交聯(lián)聚乙烯電纜結(jié)構(gòu)，下圖2（右）為三芯交聯(lián)聚乙烯電纜結(jié)構(gòu)。

在電纜貫通線的組成結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)體一般需要選擇導(dǎo)電系數(shù)高的金屬，如銅、鋁等，主要用于傳輸電流，金屬制導(dǎo)體能夠降低電流的損耗。絕緣層所應(yīng)用的材料需要具有較大的絕緣電阻、適應(yīng)性較強，可保證在不同氣候條件、環(huán)境中長時間運行后還具有較好的絕緣安全性。電纜屏蔽層處于絕緣層外側(cè)，具有改善電場分布的作用。電纜護(hù)層主要用于保護(hù)其內(nèi)部的絕緣層，防止絕緣層因直接暴露在空氣中發(fā)生腐蝕，或者受到外力的作用二損壞。

二、電纜貫通線分布電容計算方法

電容值是電纜貫通線重要的基本參數(shù)之一，精準(zhǔn)計算電纜貫通線分布電容有助于為電纜的敷設(shè)提供材料選擇、結(jié)構(gòu)確定的依據(jù)。電纜貫通線分布電容是導(dǎo)體電荷與金屬保護(hù)套和導(dǎo)體問電壓的比值。

式中：絕緣材料相對介電常數(shù);絕緣材料在真空中的介電常數(shù);單芯電纜幾何因數(shù);G2一三芯電纜幾何因數(shù)。

三芯電纜的電容包括部分電容及工作電容，如導(dǎo)體與金屬保護(hù)套之間的電容、導(dǎo)體與導(dǎo)體之間的電容均為部分電容。在電壓穩(wěn)定正常的情況下，三芯電纜的對地電容即為工作電容，如下圖3所示。

通常情況下三芯電纜工作電容的計算需要通過兩次測量分別獲取其中一個導(dǎo)體與另外兩個導(dǎo)體與保護(hù)套之間的電容、三個導(dǎo)體共同對保護(hù)套的電容。計算公式如下：

三芯電纜每相工作電容：

式中：U-電纜對地電壓f-電源頻率;C-每相每厘米長度電纜的電容。

按照上述公式，以橫截面積為70mm3、95mm3三芯交聯(lián)聚乙烯絕緣8.7kV、9.5kV電纜為例，可得到該兩種類型三芯電纜分布電容值及其他相關(guān)重要參數(shù)如下表1所示。

三、電纜貫通線無功補償方案

空載時三芯電纜電容電流計算公式為：

在不計變壓器以及負(fù)荷阻抗的情況下，系統(tǒng)最大的無功容量可由以下公式計算獲得：

將補償目標(biāo)設(shè)定為75%，則可得電抗補償容量Q=75%。

文章闡釋了三種電纜貫通線無功補償方式，具體如下：

集中式靜止無功發(fā)生器動態(tài)補償。采用集中方式設(shè)置靜止無功發(fā)生器，該發(fā)生器具有動態(tài)無功補償?shù)奶攸c，并能夠有效減少無功功率，橫截面積為75mm3電纜具體的補償容量參照下表2：

四、結(jié)語

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電纜在鐵路供配電系統(tǒng)的貫通線中應(yīng)用愈加廣泛。雖然其具有安全性、穩(wěn)定性及可靠性較高的優(yōu)勢，但對地電容較大，易形成大量的無功損耗。通過計算電纜貫通線分布電容，設(shè)定無功補償目標(biāo)可以計算出電纜貫通線補充容量，再結(jié)合相應(yīng)的方案布置靜止無功發(fā)生器、固態(tài)電抗器或?qū)烧呗?lián)用可達(dá)75%的補償率。在實際應(yīng)用中，還需要根據(jù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、實際的系統(tǒng)運行狀況等合理設(shè)計電纜貫通線材料及結(jié)構(gòu)，經(jīng)過精準(zhǔn)計算后選擇技術(shù)性與經(jīng)濟性相統(tǒng)一的電纜貫通線無功補償方案。