牽引供電系統(tǒng)區(qū)間串聯(lián)補償裝置分析

楊建華，向 偉

0 引言

近年來，隨著我國國民經(jīng)濟的快速增長和鐵路事業(yè)的飛速發(fā)展，車流密度和載重量顯著增加。當(dāng)牽引供電系統(tǒng)某供電區(qū)間運行機車比較多或負荷較大時，牽引網(wǎng)上電壓迅速下降，末端電壓甚至低于機車允許的最低電壓，嚴重影響著電力機車的正常運行。山區(qū)既有電氣化鐵道擴能改造逐步上馬，而增設(shè)區(qū)間串聯(lián)電容補償（下文簡稱串補）裝置是改善牽引網(wǎng)末端電壓過低的有效辦法。

1 區(qū)間串補提高牽引網(wǎng)末端電壓

牽引供電回路抗雷圈、牽引網(wǎng)等屬于電阻性和電感性元件（設(shè)為R，XL），因此當(dāng)有牽引負荷（負荷電流設(shè)為I，電力機車在牽引供電系統(tǒng)中的功率因數(shù)角設(shè)為φ2）經(jīng)由牽引變電所饋線的抗雷圈、供電線、接觸網(wǎng)至機車受電弓受電時，會產(chǎn)生電壓降U1，造成電壓損失，當(dāng)牽引供電系統(tǒng)某供電區(qū)間運行機車比較多或負荷較大時，電力機車受電電壓將難以達到技術(shù)要求。

未設(shè)區(qū)間串補裝置時的電壓損失為

在牽引網(wǎng)區(qū)間設(shè)置串補裝置（設(shè)為XC），可減少供電回路電壓損失，提高牽引網(wǎng)電力機車受電電壓，如圖1所示。

設(shè)有串補裝置時的電壓損失為

由于牽引供電回路設(shè)有區(qū)間串補裝置時的電壓損失ΔU2比未設(shè)區(qū)間串補裝置時的電壓損失ΔU1明顯減小，因此，串補裝置接入供電臂能直接有效地減小牽引供電系統(tǒng)電壓損失，提高接觸網(wǎng)電壓水平，并能改善牽引供電系統(tǒng)功率因數(shù)。

圖1 設(shè)置區(qū)間串補裝置時牽引供電示意圖

2 串補裝置主接線及運行方式

2.1 區(qū)間串補裝置的構(gòu)成及主接線圖

區(qū)間串補裝置包括：集合式電容器C、串補旁路隔離開關(guān)1QS、串補進出線雙極隔離開關(guān)2QS、串補旁路斷路器QF、放電間隙FJ、旁路開關(guān)S、阻尼電抗器L、饋線電壓互感器TV、避雷器1F/2F。其主接線圖見圖2所示。

圖2 區(qū)間串補裝置主接線圖

2.2 變電所串補裝置的構(gòu)成及主接線圖

變電所串補裝置包括：饋線斷路器1QF/2QF、饋線隔離開關(guān)3QS、集合式電容器C、串補旁路隔離開關(guān)1QS、串補進出線雙極隔離開關(guān)2QS、串補旁路斷路器QF、放電間隙FJ、間隙電流互感器TA、阻尼電阻器R、阻尼電抗器L、饋線電壓互感器TV。其主接線圖見圖3所示。

圖3 變電所串補裝置主接線圖

2.3 區(qū)間串補裝置的運行狀態(tài)分析

區(qū)間串補裝置在投入狀態(tài)時，1QS在分斷位置，2QS在閉合位置，QF在分斷位置；而區(qū)間串補裝置在退出狀態(tài)時，1QS在閉合位置，2QS在分斷位置，QF在閉合位置。

2.4 區(qū)間串補隔離開關(guān)閉鎖關(guān)系

（1）必須在2QS、QF均為閉合狀態(tài)時才能對1QS進行分合閘操作。

（2）必須在1QS、QF均為閉合狀態(tài)時才能對2QS進行分合閘操作。

（3）區(qū)間串補允許在接觸網(wǎng)帶電但不帶負荷的狀態(tài)下，對區(qū)間串補裝置進行投入、退出操作。

3 區(qū)間串補的保護

3.1 區(qū)間串補保護組成

串補放電保護系統(tǒng)由放電間隙 FJ、阻尼電抗器 L、旁路開關(guān) S構(gòu)成（見圖 4）。因區(qū)間串補裝置在牽引供電系統(tǒng)供電區(qū)間為室外布置，為了減小保護系統(tǒng)的復(fù)雜性，該裝置采用由放電間隙自動控制的旁路開關(guān)實現(xiàn)過電壓保護。

圖4 區(qū)間串補保護系統(tǒng)組成示意圖

3.2 區(qū)間串補保護過程

（1）當(dāng)接觸網(wǎng)末端至區(qū)間串補間出現(xiàn)故障時，電容器兩端電壓超過額定電壓的2.5倍，這時放電間隙FJ被擊穿，旁路開關(guān)S自動閉合（當(dāng)旁路開關(guān)線圈M1、M2流過的接觸網(wǎng)故障電流與電容器放電電流大于400 A時，K閉合，旁路放電間隙FJ與線圈M2；旁路開關(guān)額定耐受短路電流能力為10 kA，0.25 s。）

（2）當(dāng)電容器放電后且接觸網(wǎng)瞬間故障消失或饋線斷路器跳閘，則旁路開關(guān)（在M1線圈電流小于200 A時）自動分斷將電容器串聯(lián)投入使用。

3.3 保護放電間隙的組成及技術(shù)要求

放電間隙由 3個石墨球組成的 1個觸發(fā)間隙（啟動間隙）和1個主間隙（燃燒間隙）構(gòu)成。

圖5 保護放電間隙組成示意圖

設(shè)置觸發(fā)電路板由觸發(fā)極輸出不小于 10 kV高壓連續(xù)觸發(fā)脈沖，啟動觸發(fā)間隙。確保間隙擊穿電壓離散度小于±5%。

保護放電間隙的技術(shù)參數(shù)：間隙擊穿電壓啟動值取2.5倍串聯(lián)電容器組額定電壓。

4 2種串補裝置的區(qū)別

4.1 設(shè)置位置及作用范圍不同

區(qū)間串補裝置在牽引變電所的供電臂的區(qū)間（基本上在供電臂的中間），補償范圍是區(qū)間串聯(lián)補償至供電臂的末端。而變電所串補裝置在牽引變電所內(nèi)的供電饋出線起點處，作用范圍為整個供電臂，補償距離是區(qū)間串補的2倍。當(dāng)供電臂末端上的機車數(shù)量過多或載重量過大時，變電所串補裝置因補償線路過長接觸網(wǎng)的末端電壓很難達到提高機車運行質(zhì)量的要求。

4.2 保護過程不同

區(qū)間串補因條件限制，保護方式為一次設(shè)備過電流保護，不設(shè)置綜合自動化系統(tǒng)。變電所串聯(lián)補償可通過綜合自動化系統(tǒng)實現(xiàn)保護。

變電所串聯(lián)補償保護系統(tǒng)由放電間隙 FJ、間隙電流互感器TA、阻尼電阻器R、阻尼電抗器L、旁路斷路器QF和微機電容器保護裝置構(gòu)成。其保護過程是：當(dāng)接觸網(wǎng)故障、電容器兩端電壓超過額定電壓2.5倍時，放電間隙FJ擊穿、間隙電流互感器TA流過接觸網(wǎng)故障電流及電容器放電電流—微機電容器保護裝置保護出口—旁路斷路器QF閉合：旁路放電間隙、可承受接觸網(wǎng)故障電流并構(gòu)成可靠的電容器放電回路—經(jīng)延時4 s（可設(shè)以躲開饋線重合閘為基準）檢測饋線斷路器為合閘位置，則分斷旁路斷路器QF、自動將電容器串聯(lián)投入使用，否則旁路斷路器將保持合閘位置；經(jīng)延時25 s饋線斷路器若一直未重合成功，則不再自動分斷旁路斷路器QF（在接觸網(wǎng)故障、而電容器兩端電壓未達到額定電壓2.5倍時，饋線斷路器已保護跳閘，則串補放電保護系統(tǒng)無須動作）。

5 區(qū)間串補的使用效果

現(xiàn)以南昆線斑貓箐區(qū)間串補為例說明其對牽引網(wǎng)電壓的作用。

南昆線斑貓箐區(qū)間串補所設(shè)置在石林南變電所 B相（石林南—宜良北）供電臂上。斑貓箐串補裝置所在供電臂的電氣參數(shù)：最小運行方式牽引網(wǎng)末端短路電流 IG為 1 773 A；牽引負荷阻抗角36.87°，功率因數(shù)cosφ2為0.8，區(qū)間串補最大負荷電流 Im設(shè)為 600 A，串聯(lián)電容器額定容量 Qc為1 800 kvar、額定電壓Uc為3 kV、額定電流Ic為602 A；區(qū)間串補放電間隙擊穿電壓為電容額定電壓的2.5倍，則擊穿電壓為7.5 kV。

最大負荷下區(qū)間串補的補償電壓為

即在最大負荷情況下，斑貓箐區(qū)間串補對牽引網(wǎng)補償1 800 V容性無功電壓，1 800 V＜7.5 kV，在最大負荷下，串聯(lián)電容上的分壓不會造成放電間隙擊穿，而造成串補旁路開關(guān)誤動作。

最小短路電流下串聯(lián)電容器的電壓降為

即使在短路情況下，旁路開關(guān)有足夠靈敏度動作，保證可靠短接串聯(lián)電容器，并構(gòu)成短路電流的導(dǎo)通回路，不會影響到變電所饋線斷路器的正常保護動作。

6 結(jié)論

在對串補工作原理作簡單介紹的基礎(chǔ)上，通過具體區(qū)間串補所實例計算可以得出如下結(jié)論：

（1）區(qū)間串補能很好地改善牽引網(wǎng)末端電壓質(zhì)量；對牽引網(wǎng)的末端能補償1 800 V左右容性無功電壓。

（2）區(qū)間串補能改善牽引供電系統(tǒng)功率因數(shù)，提高供電質(zhì)量。

（3）在短路故障情況下，區(qū)間串補保護有足夠的靈敏系數(shù)保證串補自身的保護動作，而不影響到相應(yīng)變電所饋線斷路器的保護動作，保證了供電的安全性、可靠性。