一種新型電氣化鐵路串聯(lián)電容器保護(hù)間隙

于 波

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司電氣化設(shè)計(jì)研究院,四川成都 610031)

一種新型電氣化鐵路串聯(lián)電容器保護(hù)間隙

于 波

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司電氣化設(shè)計(jì)研究院,四川成都 610031)

隨著電氣化鐵路的不斷發(fā)展,串聯(lián)電容器補(bǔ)償裝置在牽引供電系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用,而電容器的過壓能力較弱.提出了一種新型保護(hù)間隙裝置,當(dāng)發(fā)生過電壓時(shí),通過觸發(fā)電路迅速啟動(dòng).本裝置能較好的滿足電容器的過壓保護(hù)要求,并在實(shí)際運(yùn)行中取得了較好效果.

電氣化鐵路;串聯(lián)電容器;過壓保護(hù);保護(hù)間隙;觸發(fā)電路

0 引 言

在電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)中,為了解決牽引網(wǎng)電壓低下和網(wǎng)壓波動(dòng)影響機(jī)車運(yùn)行的問題,科研人員采用了在牽引變電所饋線中串聯(lián)電容器組的方法,通過集中的容抗抵消變壓器內(nèi)部感抗和接觸網(wǎng)感抗,從而達(dá)到改善牽引網(wǎng)電壓的目的[1].在牽引饋線或牽引網(wǎng)中的電容器組進(jìn)行串聯(lián),必須針對(duì)電容器可能遭受的過電壓進(jìn)行保護(hù),以確保在串聯(lián)電容器將要出現(xiàn)危險(xiǎn)過電壓時(shí),能夠及時(shí)地把串聯(lián)電容器組旁路.

筆者依據(jù)大量工程經(jīng)驗(yàn),通過認(rèn)真的理論分析與試驗(yàn),并結(jié)合電子技術(shù)、新材料的發(fā)展開發(fā)出新一代串聯(lián)電容器過電壓保護(hù)裝置.該保護(hù)裝置采用帶觸發(fā)回路,并由兩個(gè)不同定值的單保護(hù)火花間隙組成雙間隙系統(tǒng),其可靠性和靈敏性相對(duì)于傳統(tǒng)火花間隙有了很大的提高,并可滿足不同參數(shù)系統(tǒng)的特定要求.

1 保護(hù)間隙工作原理

當(dāng)電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)饋線發(fā)生故障,或非正常電力牽引運(yùn)行情況產(chǎn)生的故障短路電流,或非正常牽引負(fù)荷電流流過接觸網(wǎng)饋線首端安裝的串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置,導(dǎo)致在串聯(lián)電容器組兩端產(chǎn)生危險(xiǎn)過電壓時(shí),該過電壓將加在間隙的外接端子4、5間[1-3](見圖1),即加在主啟動(dòng)間隙、燃燒間隙和電壓互感器一次側(cè)端子上,而電壓互感器二次側(cè)成比例地反映串聯(lián)電容器組兩端電壓,一旦電壓達(dá)到保護(hù)間隙整定值(有效值),觸發(fā)電路板起動(dòng),經(jīng)R C平波回路輸出直流高壓,或不小于12 kV的連續(xù)觸發(fā)脈沖,將觸發(fā)電極與可調(diào)球極間構(gòu)成的間隙擊穿,進(jìn)而在串聯(lián)電容器組過電壓的作用下啟動(dòng)間隙擊穿,保護(hù)間隙進(jìn)入工作狀態(tài).隨后,在電磁力及熾熱空氣向上動(dòng)力作用下電弧過渡到燃燒間隙,直到旁路斷路器合閘,保護(hù)間隙被旁路,或接觸網(wǎng)饋線斷路器保護(hù)分閘,保護(hù)間隙電弧熄滅,從而完成一次保護(hù)動(dòng)作[4,5].串聯(lián)電容器保護(hù)間隙裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示.

圖1 保護(hù)間隙電路原理圖

圖2 保護(hù)間隙結(jié)構(gòu)示意圖

經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)證實(shí)：采用觸發(fā)回路可以提高保護(hù)間隙動(dòng)作的精度,使之不受氣候條件的影響,以及經(jīng)多次動(dòng)作后啟動(dòng)間隙狀況變化的影響;采用燃燒間隙可減輕電弧對(duì)啟動(dòng)間隙的燒損,確保啟動(dòng)間隙長(zhǎng)期穩(wěn)定的啟動(dòng).

2 保護(hù)間隙構(gòu)成

圖3 觸發(fā)電路板原理圖

2.1 保護(hù)球極

2.1.1 材料選擇.

考慮到保護(hù)球隙的精度要求不高,但需要通過短路電流的次數(shù)較高,而采用銅電極常引起球極表面的燒損.石墨由于其特殊結(jié)構(gòu)而具有耐高溫,良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性,化學(xué)穩(wěn)定性,以及抗熱震性,故本保護(hù)間隙采用石墨作為球極材料.

2.1.2 球極尺寸.

一般情況下,均勻和稍不均勻電場(chǎng)能較準(zhǔn)確地測(cè)量出球極之間的高電壓,其測(cè)量誤差可達(dá)±3%.由于在串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置中,球隙保護(hù)的電容器額定電壓在1～6 kV,球隙距離很小[4,5].因此,我們采用的主球極和輔助球極為一對(duì)外徑相同的石墨球.經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明,當(dāng)球極外徑為10 cm時(shí),能滿足球間隙在1 cm時(shí),產(chǎn)生的電場(chǎng)為均勻場(chǎng)或稍不均勻場(chǎng)[6].這樣,可以較準(zhǔn)確地根據(jù)擊穿電壓,確定球間隙距離.同時(shí),通過設(shè)置放電尖端和可調(diào)球極,使空氣介質(zhì)預(yù)電離,從而降低球隙擊穿的額定電壓.

2.2 觸發(fā)電路板

當(dāng)電壓互感器二次繞組電壓達(dá)到整定值時(shí),觸發(fā)板經(jīng)過小于10 ms的電路固有延時(shí),輸出不低于12 kV的高壓觸發(fā)脈沖,其工作原理如圖3所示.

本裝置電壓互感器有兩路輸出,分別為測(cè)量級(jí)和保護(hù)級(jí).測(cè)量級(jí)用于與整定值比較,保護(hù)級(jí)用于為控制板提供電源和產(chǎn)生高壓.定時(shí)器用于產(chǎn)生直流脈沖信號(hào).回掃變壓器即通常意義上的高壓包,用于產(chǎn)生直流高壓.通過整定值的設(shè)置,使當(dāng)電壓互感器采集到高壓時(shí)啟動(dòng)回路(即觸發(fā)回路).此外,觸發(fā)電路板由電壓互感器二次繞組供電,由于采用了大功率MOS管,其工作電壓范圍可達(dá)20～250 V.

3 結(jié) 論

本串聯(lián)電容器保護(hù)間隙經(jīng)過大量工程試運(yùn)行表明,由于采用了可調(diào)觸發(fā)電路,本裝置能保證準(zhǔn)確、快速的動(dòng)作,并與微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)一起構(gòu)成了完善的串聯(lián)電容器保護(hù)裝置,保證了電氣化鐵路串聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備的可靠運(yùn)行.

[1]曹建猷.電氣化鐵道供電系統(tǒng)[M].北京：中國鐵道出版社,1987.

[2]賀威俊,簡(jiǎn)克良.電氣化鐵道供變電工程[M].北京：中國鐵道出版社,1986.

[3]李群湛,賀建閩.牽引供電系統(tǒng)分析[M].成都：西南交通大學(xué)出版社,2007.

[4]張利民.串聯(lián)電容器補(bǔ)償技術(shù)在電氣化鐵道擴(kuò)能改造中的應(yīng)用[R].成都：西鐵科技,1995.

[5]韋庭三,韋 鐵.南昆線接觸網(wǎng)區(qū)間串補(bǔ)過電壓保護(hù)的改進(jìn)[J].鐵道運(yùn)營技術(shù),2007,13(4)：45-46.

A New Type of Protection G ap of Series Capacitor Compensation of Electrified Railway

YU Bo

(Institute of Electrization Design,China Railway Eryuan Engineering Group CO.Ltd,Chendu 610031,China)

With the development of electrified railway,the device of series capacitor compensation is widely applied in traction power supply system.But capacitor’s over voltage capability is not effective enough.A new type of protection gap was proposed,when over voltage occurs,it quickly starts by trigger circuit.This device meets the demand of OVP better and receives good result in practice.

electrified railway;series capacitor;OVP;protection gap;trigger circuit

U223.5

：A

1004-5422(2010)02-0157-02

2009-12-25.

于 波(1977—),男,工程師,從事鐵道電氣化技術(shù)研究.