一种城市轨道交通牵引供配电系统供电电缆的选型方法
【专利摘要】本发明公开了一种城市轨道交通牵引供配电系统供电电缆的选型方法，属于城市轨道交通牵引供配电设计领域。本发明针对现有供电电缆设计中未充分考虑由电缆充电电容引起的串并联谐振问题，提出了一种以公用电网背景谐波电压和牵引整流机组谐波电流的频率分布，以及谐波电流放大系数和谐波电压放大系数为基础的供电电缆的选型方法。技术方案包括建立牵引供配电系统等效谐波计算模型及其简化模型，绘制以谐波次数、供电电缆长度及其单位长度充电电容为变量的谐波电流放大系数和谐波电压放大系数的曲线图。本发明从根本上避免了电缆充电电容的谐波串并联谐振，对其他供配电系统供电电缆的设计与选型具有指导意义。
【专利说明】-种城市轨道交通牵引供配电系统供电电缆的选型方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及城市轨道交通牵引供配电系统的设计方法，尤其涉及一种城市轨道交 通牵引供配电系统供电电缆的设计与选型方法。
【背景技术】
[0002] 随着我国城市建设的飞速发展，城市交通压力不断增大。为缓解城市交通压力，城 市轨道交通迅速发展起来，已成为城市建设的重点。城市轨道交通牵引供配电系统中供电 电缆承担了电力连接和动力传输等重要任务。由于城市轨道交通牵引供配电系统工作的复 杂性和特殊性，供电电缆成为城市轨道交通牵引供配电系统中最为重要的部件之一，同时 也是事故多发部位和安全隐患集中部位。
[0003] 由于城市轨道交通牵引供电系统供电电缆长度较长、电缆的等效充电电容较大， 常在牵引供电系统负荷较小时出现无功倒送现象。同时城市轨道交通牵引供配电系统的谐 波分布复杂，极易在某谐波频率上出现因电缆充电电容容抗、系统阻抗、变压器阻抗和负荷 阻抗引起的串并联谐振现象，造成谐波放大，影响城市轨道交通牵引供电系统的安全稳定 运行。完善的城市轨道交通牵引供配电系统电力电缆设计是系统安全稳定运行的重要保 证。
[0004] 目前电力电缆的设计重点多在电缆参数上，如导体材质、导体截面积、导电率、导 体最大电阻、最小绝缘电阻、接触电阻、芯数、绝缘水平、绝缘材质、绝缘厚度、外护套材质、 护套厚度、金属屏蔽、机械强度、平均直径、弯曲半径、排列、抑制感应电势、重量和路径选择 等，并没有针对城市轨道交通牵引供配电系统的工作特殊性和复杂性，在供电电缆的充电 电容和电缆长度方面进行设计和研究。
[0005] 目前，国内关于城市轨道交通牵引供配电系统供电电缆设计方法中，仅考虑了供 电电缆充电电容引起的基波无功倒送问题，并没有在设计中充分考虑到因供电电缆长度和 单位长度充电电容造成的系统串并联谐振问题。因此，为保证城市轨道交通供配电系统安 全稳定运行，对城市轨道交通牵引供配电系统的供电电缆长度及其单位长度充电电容值的 设计与选型以避免系统串并联谐振，是目前城市轨道交通牵引供配电设计中亟需解决的问 题。
【发明内容】
[0006] 为克服现有技术的缺陷，解决上述技术问题，本发明公开了一种城市轨道交通牵 引供配电系统供电电缆的选型方法。该方法能够消除供配电系统中串并联谐振的安全隐 患，并且具有较高的计算效率和广泛的适用性。
[0007] 本发明的技术方案为： 一种城市轨道交通牵引供配电系统供电电缆的选型方法，步骤如下： (1)选定城市轨道交通用户的进线电源参数和主变电所参数，包括城市轨道交通用户 与公用电网的联接方式、PCC (Point of Common Coupling公共连接点，简称PCC)点及其 最大与最小短路容量，公用电网在各种运行方式下可能存在的背景谐波频率分布，liokv主 变电所中110kV/35kV主变压器参数，如额定容量、阻抗电压、空载损耗和负载损耗等； (2) 选定主变电所所属各牵引变电所参数，包括牵引变电所的地理分布、牵引变压器参 数、牵引整流机组及其可能的运行方式；其中，110kV主变电所所属各牵引变电所的地理分 布指拟从主变电所35kV至各牵引变电所35kV进线的供电电缆长度与电缆参数；牵引变压 器参数包括额定容量、阻抗电压、空载损耗和负载损耗等；牵引整流机组指12脉整流器或 24脉整流机组，其可能的运行方式主要包括左右单元参数对称运行、左右单元参数不对称 运行以及单12脉整流器运行； (3) 选定主变电所所属各降压变电所和跟随变电所参数，包括降压变电所和跟随变电 所的地理分布和变压器参数；具体来讲，包括110kV主变电所所属各35kV/0. 38kV降压变电 所和跟随变电所的地理分布，拟从主变电所35kV系统至各降压变电所和跟随变电所35kV 进线的供电电缆长度与电缆参数，35kV/0. 38kV降压变压器和跟随变压器的参数，如额定容 量、阻抗电压、空载损耗和负载损耗等； (4) 确定进线电源的背景谐波电压频率分布和牵引供配电系统的谐波电流频率分布， 具体步骤如下： X背景谐波电压频率分布：电力公司提供城市轨道交通用户未接入其所在公共电网 的llOkV母线PCC (Point of Common Coupling公共连接点，简称PCC)点时，所述PCC点 的背景谐波电压^*?!^ (A为谐波次数)，所述背景谐波电压^?^来源于电力公司 对所述PCC点电能质量数据的常年监控和统计； 1牵引供配电系统的谐波电流频率分布：对于由2组12脉整流器（RCT1和RCT2)构成 的24脉牵引整流机组，按照下述公式（1~4)计算12脉整流器RCT1和RCT2的A相输入电 流电流和:
【权利要求】
1. 一种城市轨道交通牵引供配电系统供电电缆的选型方法，其特征在于步骤如下： (1) 选定城市轨道交通用户的进线电源参数和主变电所参数； (2) 选定所述主变电所所属各牵引变电所参数，包括所述各牵引变电所的地理分布、牵 引变压器参数、牵引整流机组及其可能的运行方式； (3) 选定所述主变电所所属各降压变电所和跟随变电所参数，包括所述各降压变电所 和跟随变电所的地理分布和变压器参数； (4) 确定所述进线电源的背景谐波电压频率分布和牵引供配电系统的谐波电流频率分 布； (5) 建立牵引供配电系统等效谐波计算简化模型； (6) 计算牵引供配电系统的谐波电流放大系数 I,和谐波电压放大系数^，然后绘制以谐波次数A、供电电缆长度/及其单位长度充电电 容C为变量的谐波电流放大系数和谐波电压放大系数的曲线图； (7) 选定35kV供电电缆的电缆长度和单位长度充电电容，即完成城市轨道交通牵引供 配电系统供电电缆的选型；选定35kV供电电缆的电缆长度和单位长度充电电容时，应使因 供电电缆充电电容引起的串并联谐振点避开背景谐波电压频率和牵引整流机组产生的谐 波电流频率；若所述串并联谐振点无法避开所述背景谐波电压频率和谐波电流频率，则根 据所述谐波电流放大系数和谐波电压放大系数的曲线图调整电缆长度7和单位长度充电 电容G以最大幅度降低谐波电流放大系数和谐波电压放大系数为准绳，选出最优的35kV 供电电缆的电缆长度和单位长度充电电容。
2. 按照权利要求1所述的一种城市轨道交通牵引供配电系统供电电缆的选型方法，其 特征在于所述步骤（4)中所述进线电源的背景谐波电压
频率分布由城市轨道 交通用户未接入其所在公共电网的llOkV母线PCC点时，电力公司对所述PCC点的电能质 量数据的常年监控和统计。
3. 按照权利要求1所述的一种城市轨道交通牵引供配电系统供电电缆的选型方法，其 特征在于所述步骤（4)中确定所述牵引供配电系统的谐波电流频率分布的步骤如下： (4a)用傅立叶级数表示牵引整流机组的A相瞬时输入电流； (4b)绘制所述牵引整流机组A相瞬时输入电流的频谱图，确定牵引供配电系统的谐波 电流频率分布。
4. 按照权利要求1所述的一种城市轨道交通牵引供配电系统供电电缆的选型方法，其 特征在于所述步骤（5)中所述牵引供配电系统等效谐波计算简化模型包括等效到35kV的 主变电所llOkV母线上其他用户的等效并联电阻為、等效到35kV的主变电所llOkV母 线PCC点的等效并联电抗Is.4、等效到35kV的主变电所llOkV母线PCC点的等效串联电 阻、背景谐波电压满
f、供电电缆充电电容的等效容抗、牵引供配电系 统的谐波电流0
、牵引供配电系统的等效电阻<4和牵引供配电系统的等效电抗 等效并联电阻為^与等效并联电抗Ixa并联，其并联点分别与等效串联电阻和背 景谐波电压源;连接，所述背景谐波电压源;另一端接地；等效容抗 Iej、谐波电流源;等效电阻以及等效电抗分别并联于地和等效串联电 阻*?ir.a之间；其中，A表示谐波次数。
5. 按照权利要求4所述的一种城市轨道交通牵引供配电系统供电电缆的选型方法，其 特征在于所述步骤（6)中谐波电流放大系数》：4和谐波电压放大系数的计算步骤如下： (6a)根据下述公式（9广（11)计算所述步骤（5)中所述供配电系统等效谐波计算简化 模型中各元件参数：
其中，务c为牵引供配电系统最小短路容量，单位# 为牵引供配电系统35kV额定 电压，单位kV 为谐波次数；
其中，巧和&分别为列车运行期间最大有功功率和无功功率，单位kW 为牵引供 配电系统35kV额定电压，单位kV 为谐波次数； 计算35kV供电电缆充电电容的等效容抗&: m/r
其中，7为供电电缆长度，单位kmf为单位长度充电电容，单位为谐波次 数； (6b)根据下述公式（12)计算谐波电流放大系数1：4和谐波电压放大系数:
其中，Zia和Zifjs分别为35kV牵引供配电系统总进线的各次谐波电流之和和 35kV母线各次谐波电压之和，为牵引供配电系统的谐波电流,为背景 谐波电压。
6. 按照权利要求5所述的一种城市轨道交通牵引供配电系统供电电缆的选型方法，其 特征在于所述步骤（6)中所述曲线图包括A曲线即谐波电流放大系数-谐波次数曲线 和曲线即谐波电压放大系数-谐波次数曲线，所述曲线图的绘制步骤如下： (6c)固定35kV供电电缆的单位长度充电电容G绘制不同供电电缆长度/下的t -A 曲线，即谐波电流放大系数-谐波次数曲线； (6d)固定35kV供电电缆的电缆长度人绘制不同单位长度充电电容C下的曲线， 即谐波电流放大系数-谐波次数曲线； (6e )固定35kV供电电缆的单位长度充电电容G绘制不同供电电缆长度/下的沁- A 曲线，即谐波电压放大系数-谐波次数曲线； (6f)固定35kV供电电缆的电缆长度人绘制不同单位长度充电电容C下的沁-曲线， 即谐波电压放大系数-谐波次数曲线。
【文档编号】G06F17/50GK104281736SQ201410375758
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年8月1日 优先权日:2014年8月1日
【发明者】周文, 段晓波, 胡文平, 李晓军, 王磊, 饶群, 王生彬, 毛志芳 申请人:国家电网公司, 国网河北省电力公司电力科学研究院, 河北省电力建设调整试验所