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摘要：通过对典型的客运专线电力系统进行研究，结合目前的有关规范并未对其无功补偿方式作有效且统一的规定实际情况，通过对集中补偿、分散补偿、集中与分散相结合的补偿方式进行技术经济比较，提出推荐采用的铁路客运专线的无功补偿方式。
关键词：客运专线、10kV电力系统、无功补偿
Abstract: through analyzing the typical of the passenger special line, the electricity system research, combining the current rules for its not the reactive power compensation mode effective and unified regulation actual situation, through to the concentrated compensation, scattered compensation, combining centralization and decentralization of the compensation methods compare technical economy, the recommendations of the railway passenger special line of reactive compensation mode.
Keywords: special passenger line, 10 kV power system, reactive power compensation
中图分类号：F407.61文献标识码：A 文章编号：
0 前言
随着《中长期铁路网规划》的审议通过，客运专线的建设将在全国大规模展开，随着2008年我国第一条客运专线京津客运专线的开通，至今已有多条客运专线陆续开通运营，如合武、武广、沪宁、沪杭、石太、京沪等。在客运专线建设过程中，10kV电力系统供电方案目前已成熟，其可靠性已得到充分验证，基本方案为，由公网接引两路电源，在车站附近设置10 kV 及以上配电所，区间设置两回单芯电缆贯通线，一回为一级负荷贯通线，电缆截面一般为70 mm2，另一回为综合贯通线，电缆截面一般为95 mm2。
针对客运专线10kV系统中广泛应用了电缆线路，且电缆线路存在较大的分布电容，用电负荷在不同的时间段也会有较大波动的情况。现行的设计规范仅规定，以电缆为主的高压电力贯通线路，应根据电缆线路长度配置相应的感性无功补偿装置，补偿后的功率因数应在0.9 以上。具体采用何种无功补偿方式尚无有效且统一规定。因此，有必要对客运专线电力系统的无功补偿方式进行探讨，以满足供电部门对功率因数的要求。本文以在建哈大客运专线为例，结合其它客运专线无功补偿方案进行探讨。
1 10kV电力供电系统方案
哈大铁路客运专线采用的10kV电力系统方案与其它客运专线方案基本一至，沿线车站附近设置10kV配电所，供电距离大约为50～60 km；采用非磁铠装单芯交联铜芯电力电缆，一级贯通截面為70 mm2，综合贯通回路截面95 mm2；哈大客运专线10 kV 供电系统采用的YJV62 型单芯电缆，耐压等级8.7/10 kV。供电负荷主要以通讯、信号、监控、通风机、空调、电梯、水泵、照明等为主，负荷相对较轻，且变化较大，供电线路的功率因数随负荷波动变化而变化。供电系统如图1所示。
2 无功补偿方式
客运专线10kV电力系统无功补偿方式主要有以下几中：集中补偿方式、分散补偿方式、集中与分散相结合的补偿方式。
图1 哈大客运专线电力系统图
（1）集中补偿方式
集中补偿方式，即为将无功补偿设备集中设于10kV配电所内，以此设备补偿区间电缆线路容性无功，目前已建客运集中补偿方式主要选型设备有，SVG、固定电抗器等。该方式的优点为，设备集中放于所内便家后续的运营维护管理，缺点为一旦设备故障，区间电缆线路容性电流加大，造成电缆未端电压升高，可能会影响通信、信号、监控等系统的运行稳定性，危及铁路的安全运营。
（2）分散补偿方式
分散补偿方式，即为将无功补偿设备分布于10kV贯通线路上，根据线路的长短分散安装不同数量及容量的固定电抗器，该方式的最大缺点是，无功补偿度很难确定，需要非常精确的电缆参数输入，由于各厂家电缆参数不尽相同，本方案实施起来难度很大。
（3）集中与分散相结合的补偿方式
集中与分散相结合的补偿方式，即为在10kV配电所内安装动态无功补偿装置，10kV贯通线路分散安装固定电抗器，所内设备安装容量按电缆容性无功15%-30%考虑，区间固定电抗器补偿电缆的85%-70%的容性无功。业内多倾向于采用固定电抗器沿线分散补偿与10 kV 配电所内动态补偿装置集中补偿结合的方案。该方案可以达到改善系统侧功率因数；防止长距离线路空载末端电压超出额定电压；改善运营区段内电气设备的运行电气环境，阻止过高电压对设备安全、使用寿命的影响。
3 补偿设备容量选配
根据客运专线采用的10kV贯通线路为1×70 mm2 和1×95 mm2单芯电缆，无论采用哪种补偿方式，电缆的参数是设备选型的最基本依据，考虑到不同生产商提供的参数存在差异，总结各运营线的实际情况，电缆参数统一取如下数值，对地电容：1×70 mm2约为0.22 μ F/km，1×95 mm2约为0.24 μ F/km；相间电容：由于三根电缆金属屏蔽层单端同时接地，相间电容即为对地电容，此处不再考虑相间电容的影响。
依据I=U0ωC计算得70 mm2 单芯电缆容性线电流约为-0.42 A/km；95 mm2 单芯电缆容性线电流约为-0.46 A/km，其中ω为角速度，ω＝ 2 π f ，C 为单芯电缆，芯对地的电容，U0为相电压（V）。
以集中加分散补偿方式所内设置TSC+固定电抗器型SVC配合组区间固定电抗器为例，在不考虑负荷情况，即在空载时所需的最大补偿容量，区间补偿度按75%，所内补偿度按25%考虑，由2号10kV配电所向两侧同时供电。60 km 和50 km 长70 mm2 的一级贯通电缆产生的容性无功为-436kVar和-364 kVar， 95 mm2 的综合电缆产生的容性无功为-478 kVar 和-398kVar。根据计算， 1号、2号所之间一级侧2组固定电抗器需补偿约为164 kVar，综合侧2组固定电抗器需补偿约为179 kVar,2号、3号所之间一级侧2组固定电抗器需补偿约为135 kVar，综合侧2组固定电抗器需补偿约为150kVar。所内SVC固定电抗按补偿两侧电缆容性无功25%考虑，需补偿约为kVar 和kVar。
4、主要无功补偿装置比较
SVG能耗小，相同调节范围下，SVG的损耗只有MCR的1/4，TCR的1/2；SVG是电流源型装置，主动式跟踪补偿系统所需无功；从机理上避免了大容量电容/电抗元器件并联在电网中可能发生的谐振现象；SVG的响应速度更快，整体装置的动态无功响应速度小于10ms，而TCR型SVC的响应时间约为20-40ms， MCR型无功补偿装置响应时间在200ms以上；SVG中的谐波特性更好。TCR/MCR运行过程中都产生较大的谐波，尤其是TCR，最大谐波电流含量达到20%以上。TCR/MCR是阻抗型特性，输出无功容量和母线电压的平方成正比；SVG具有电流源的特性，输出容量和母线电压成线形关系。在母线电压偏低的情况下，SVG出力大，不产效果更好。
5 结束语
综上所述，结合目前客运专线10kV电力系统无功补偿方式的应用情况，集中与分散相结合的补偿方式在保证功率因素的前提下，更能有效的保障电力系统供电的稳定性。对于系统补偿容量的选量，需在实践过程中积累工程数据，将电缆的参数选取在更加合理的范围内。
关键词：客运专线、10kV电力系统、无功补偿
Abstract: through analyzing the typical of the passenger special line, the electricity system research, combining the current rules for its not the reactive power compensation mode effective and unified regulation actual situation, through to the concentrated compensation, scattered compensation, combining centralization and decentralization of the compensation methods compare technical economy, the recommendations of the railway passenger special line of reactive compensation mode.
Keywords: special passenger line, 10 kV power system, reactive power compensation
中图分类号：F407.61文献标识码：A 文章编号：
0 前言
随着《中长期铁路网规划》的审议通过，客运专线的建设将在全国大规模展开，随着2008年我国第一条客运专线京津客运专线的开通，至今已有多条客运专线陆续开通运营，如合武、武广、沪宁、沪杭、石太、京沪等。在客运专线建设过程中，10kV电力系统供电方案目前已成熟，其可靠性已得到充分验证，基本方案为，由公网接引两路电源，在车站附近设置10 kV 及以上配电所，区间设置两回单芯电缆贯通线，一回为一级负荷贯通线，电缆截面一般为70 mm2，另一回为综合贯通线，电缆截面一般为95 mm2。
针对客运专线10kV系统中广泛应用了电缆线路，且电缆线路存在较大的分布电容，用电负荷在不同的时间段也会有较大波动的情况。现行的设计规范仅规定，以电缆为主的高压电力贯通线路，应根据电缆线路长度配置相应的感性无功补偿装置，补偿后的功率因数应在0.9 以上。具体采用何种无功补偿方式尚无有效且统一规定。因此，有必要对客运专线电力系统的无功补偿方式进行探讨，以满足供电部门对功率因数的要求。本文以在建哈大客运专线为例，结合其它客运专线无功补偿方案进行探讨。
1 10kV电力供电系统方案
哈大铁路客运专线采用的10kV电力系统方案与其它客运专线方案基本一至，沿线车站附近设置10kV配电所，供电距离大约为50～60 km；采用非磁铠装单芯交联铜芯电力电缆，一级贯通截面為70 mm2，综合贯通回路截面95 mm2；哈大客运专线10 kV 供电系统采用的YJV62 型单芯电缆，耐压等级8.7/10 kV。供电负荷主要以通讯、信号、监控、通风机、空调、电梯、水泵、照明等为主，负荷相对较轻，且变化较大，供电线路的功率因数随负荷波动变化而变化。供电系统如图1所示。
2 无功补偿方式
客运专线10kV电力系统无功补偿方式主要有以下几中：集中补偿方式、分散补偿方式、集中与分散相结合的补偿方式。
图1 哈大客运专线电力系统图
（1）集中补偿方式
集中补偿方式，即为将无功补偿设备集中设于10kV配电所内，以此设备补偿区间电缆线路容性无功，目前已建客运集中补偿方式主要选型设备有，SVG、固定电抗器等。该方式的优点为，设备集中放于所内便家后续的运营维护管理，缺点为一旦设备故障，区间电缆线路容性电流加大，造成电缆未端电压升高，可能会影响通信、信号、监控等系统的运行稳定性，危及铁路的安全运营。
（2）分散补偿方式
分散补偿方式，即为将无功补偿设备分布于10kV贯通线路上，根据线路的长短分散安装不同数量及容量的固定电抗器，该方式的最大缺点是，无功补偿度很难确定，需要非常精确的电缆参数输入，由于各厂家电缆参数不尽相同，本方案实施起来难度很大。
（3）集中与分散相结合的补偿方式
集中与分散相结合的补偿方式，即为在10kV配电所内安装动态无功补偿装置，10kV贯通线路分散安装固定电抗器，所内设备安装容量按电缆容性无功15%-30%考虑，区间固定电抗器补偿电缆的85%-70%的容性无功。业内多倾向于采用固定电抗器沿线分散补偿与10 kV 配电所内动态补偿装置集中补偿结合的方案。该方案可以达到改善系统侧功率因数；防止长距离线路空载末端电压超出额定电压；改善运营区段内电气设备的运行电气环境，阻止过高电压对设备安全、使用寿命的影响。
3 补偿设备容量选配
根据客运专线采用的10kV贯通线路为1×70 mm2 和1×95 mm2单芯电缆，无论采用哪种补偿方式，电缆的参数是设备选型的最基本依据，考虑到不同生产商提供的参数存在差异，总结各运营线的实际情况，电缆参数统一取如下数值，对地电容：1×70 mm2约为0.22 μ F/km，1×95 mm2约为0.24 μ F/km；相间电容：由于三根电缆金属屏蔽层单端同时接地，相间电容即为对地电容，此处不再考虑相间电容的影响。
依据I=U0ωC计算得70 mm2 单芯电缆容性线电流约为-0.42 A/km；95 mm2 单芯电缆容性线电流约为-0.46 A/km，其中ω为角速度，ω＝ 2 π f ，C 为单芯电缆，芯对地的电容，U0为相电压（V）。
以集中加分散补偿方式所内设置TSC+固定电抗器型SVC配合组区间固定电抗器为例，在不考虑负荷情况，即在空载时所需的最大补偿容量，区间补偿度按75%，所内补偿度按25%考虑，由2号10kV配电所向两侧同时供电。60 km 和50 km 长70 mm2 的一级贯通电缆产生的容性无功为-436kVar和-364 kVar， 95 mm2 的综合电缆产生的容性无功为-478 kVar 和-398kVar。根据计算， 1号、2号所之间一级侧2组固定电抗器需补偿约为164 kVar，综合侧2组固定电抗器需补偿约为179 kVar,2号、3号所之间一级侧2组固定电抗器需补偿约为135 kVar，综合侧2组固定电抗器需补偿约为150kVar。所内SVC固定电抗按补偿两侧电缆容性无功25%考虑，需补偿约为kVar 和kVar。
4、主要无功补偿装置比较
SVG能耗小，相同调节范围下，SVG的损耗只有MCR的1/4，TCR的1/2；SVG是电流源型装置，主动式跟踪补偿系统所需无功；从机理上避免了大容量电容/电抗元器件并联在电网中可能发生的谐振现象；SVG的响应速度更快，整体装置的动态无功响应速度小于10ms，而TCR型SVC的响应时间约为20-40ms， MCR型无功补偿装置响应时间在200ms以上；SVG中的谐波特性更好。TCR/MCR运行过程中都产生较大的谐波，尤其是TCR，最大谐波电流含量达到20%以上。TCR/MCR是阻抗型特性，输出无功容量和母线电压的平方成正比；SVG具有电流源的特性，输出容量和母线电压成线形关系。在母线电压偏低的情况下，SVG出力大，不产效果更好。
5 结束语
综上所述，结合目前客运专线10kV电力系统无功补偿方式的应用情况，集中与分散相结合的补偿方式在保证功率因素的前提下，更能有效的保障电力系统供电的稳定性。对于系统补偿容量的选量，需在实践过程中积累工程数据，将电缆的参数选取在更加合理的范围内。