電纜線路并聯(lián)補(bǔ)償電抗器合分閘暫態(tài)研究

孫彰林

0 引言

為保證工程不受惡劣自然氣候的影響，提高供電的可靠性，客運(yùn)專線鐵路電力供電系統(tǒng)一般采用全電纜供電線路。而電纜線路的容性容量遠(yuǎn)高于架空線路，在長距離送電時(shí)，電容效應(yīng)將導(dǎo)致功率因數(shù)為負(fù)值或引起電壓大幅升高，降低系統(tǒng)供電質(zhì)量，甚至威脅設(shè)備安全。這種情況下，一般采用設(shè)置并聯(lián)補(bǔ)償電抗器的措施，以抑制電纜線路的電容效應(yīng)，使系統(tǒng)絕緣水平、電壓水平、功率因數(shù)等指標(biāo)滿足規(guī)程規(guī)范要求。但是，在設(shè)置有并聯(lián)補(bǔ)償電抗器的電力供電系統(tǒng)中，需對(duì)合分閘并聯(lián)電抗器時(shí)的暫態(tài)絕緣水平進(jìn)行研究。

1 問題的提出

根據(jù)典型客運(yùn)專線電力供電假設(shè)模型（圖1），利用 ATP-EMTP電磁暫態(tài)仿真計(jì)算程序?qū)﹄娙菪?yīng)進(jìn)行模擬計(jì)算，得到計(jì)算結(jié)果：當(dāng)供電線路不設(shè)置并聯(lián)補(bǔ)償電抗器時(shí)，正常供電方向末端電壓和支援供電方向末端電壓升高分別為7.63%和7.56%，遠(yuǎn)高于《鐵路電力設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10008-2006）中規(guī)定的限制值5%；當(dāng)線路首末端均設(shè)置100 kVar電抗器后，供電線路電壓升高現(xiàn)象明顯改善，電壓升高分別降低為1.84%和1.81%，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。因此，通過并聯(lián)補(bǔ)償電抗器的方式來抑制電纜供電線路的電容效應(yīng)，取得了明顯的效果。

圖1 電力供電模型圖

在設(shè)置有并聯(lián)補(bǔ)償電抗器的電力供電系統(tǒng)中，合分閘并聯(lián)電抗器時(shí)操作的是感性負(fù)載，由于工作狀態(tài)發(fā)生突變，將產(chǎn)生充電再充電或能量轉(zhuǎn)換的過渡過程，電壓的強(qiáng)制分量疊加以暫態(tài)分量形成操作過電壓。而真空開關(guān)因其高速滅弧能力，在切斷電路時(shí)，往往在電流過零前被強(qiáng)行開斷，在斷弧瞬間儲(chǔ)藏在負(fù)載內(nèi)的電感與電容之間的電磁能量轉(zhuǎn)換將在負(fù)載上產(chǎn)生過電壓。該過電壓幅值高，上升陡度快，頻率高，無疑會(huì)對(duì)電抗器的絕緣水平造成極大威脅。因此，在工程實(shí)際應(yīng)用中，采用ATP-EMTP電磁暫態(tài)仿真計(jì)算程序?qū)戏珠l并聯(lián)電抗器的暫態(tài)進(jìn)行模擬計(jì)算，通過對(duì)模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析后，采取措施對(duì)并聯(lián)補(bǔ)償電抗器的操作過電壓進(jìn)行抑制，以提高系統(tǒng)供電的安全性和可靠性。

2 合閘電抗器模擬計(jì)算

當(dāng)開關(guān)合閘并聯(lián)補(bǔ)償電抗器時(shí)，可能會(huì)在電抗器上產(chǎn)生較大數(shù)值的合閘涌流。通過對(duì)電抗器合閘回路進(jìn)行求解可以得出，該電流值是由一個(gè)穩(wěn)態(tài)分量（電抗器的額定運(yùn)行分量）和一個(gè)按指數(shù)規(guī)律衰減的暫態(tài)分量（衰減由電抗器合閘回路時(shí)間常數(shù)決定）組成。對(duì)于已確定的電抗器，其合閘涌流的大小取決于負(fù)荷開關(guān)的合閘相角α。當(dāng)α = 0時(shí)，即在電源電壓過零點(diǎn)的瞬間開關(guān)合閘，電流的暫態(tài)分量最大，當(dāng)ωt =180°時(shí)，電流出現(xiàn)最大值。如果向空載線路合閘電抗器，在電抗器上產(chǎn)生的合閘涌流較負(fù)載時(shí)更為嚴(yán)重。

按照?qǐng)D1所示的電力供電模型，假設(shè)配電所1由配電所2供電，線路空載運(yùn)行，計(jì)及500 pF的電抗器雜散電容，并考慮三相合閘的不同期性。在電源電壓過零時(shí)刻，分別合閘首末端電抗器，通過ATP-EMTP電磁暫態(tài)仿真計(jì)算程序進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 合閘電抗器暫態(tài)計(jì)算結(jié)果表

同時(shí)，仿真模擬計(jì)算還給出了合閘首端電抗器時(shí)，線路首末端的電壓波形（圖2和圖3）和線路首末端電抗器的電流波形（圖4和圖5）。

圖2 線路首端電壓波形圖

圖3 線路末端電壓波形圖

圖4 線路首端電抗器電流波形圖

圖5 線路末端電抗器電流波形圖

通過仿真模擬計(jì)算結(jié)果可以看出，合閘并聯(lián)電抗器時(shí)，首端電抗器合閘涌流最大為28.5 A，為額定電流值8.55 A的3.33倍。開關(guān)對(duì)電抗器的合閘操作不會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生過電壓。

3 分閘電抗器模擬計(jì)算

在電力供電系統(tǒng)中，當(dāng)開關(guān)分閘并聯(lián)補(bǔ)償電抗器時(shí)，由于開關(guān)強(qiáng)制熄弧（截流）而產(chǎn)生高幅值的過電壓。

同樣按照?qǐng)D1所示電力供電模型，假設(shè)配電所1由配電所2供電，線路空載運(yùn)行，線路首末端電抗器均投入，開關(guān)分閘首端電抗器，開關(guān)分閘截流取0.5 A并計(jì)及500 pF的電抗器雜散電容，通過ATP-EMTP電磁暫態(tài)計(jì)算程序進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 分閘首端電抗器暫態(tài)計(jì)算結(jié)果表

同時(shí)，模擬計(jì)算程序還給出了分閘首端電抗器時(shí)，首端電抗器的電壓波形（圖6）和線路首末端電抗器的電流波形（圖7和圖8）。

圖6 線路首端電抗器電壓波形圖

圖7 線路首端電抗器電流波形圖

圖8 線路末端電抗器電流波形圖

通過模擬計(jì)算結(jié)果可以看出，分閘首端電抗器時(shí)，電抗器上的過電壓倍數(shù)為4.89 p.u.，且需經(jīng)過近1 s的時(shí)間，過電壓倍數(shù)才降至1.00 p.u.，超過了設(shè)備的承受能力。

4 增設(shè)避雷器后分閘電抗器模擬計(jì)算

通過以上模擬計(jì)算可以看出，分閘并聯(lián)補(bǔ)償電抗器時(shí)，產(chǎn)生的過電壓超過了設(shè)備的承受能力。因此，有必要采取措施限制分閘并聯(lián)電抗器的操作過電壓。在工程實(shí)施中，一般有以下幾種方法：（1）選用帶分閘并聯(lián)電阻的斷路器；（2）在開關(guān)與并聯(lián)電抗器之間裝設(shè)避雷器；（3）在并聯(lián)電抗器前不裝設(shè)開關(guān)，把并聯(lián)電抗器視作線路的一部分。

根據(jù)客運(yùn)專線電力供電線路實(shí)際運(yùn)行情況，一般選擇方法（2），在開關(guān)與電抗器之間裝設(shè)一組氧化鋅避雷器，限制分閘并聯(lián)電抗器的操作過電壓。

因此，在開關(guān)與電抗器之間裝設(shè)氧化鋅避雷器后，通過 ATP-EMTP電磁暫態(tài)計(jì)算程序進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表3所示。

同時(shí)，在裝設(shè)氧化鋅避雷器后，模擬程序還給出了分閘首端電抗器時(shí)，首端電抗器的電壓波形，見圖9所示。

表3 分閘首端電抗器暫態(tài)計(jì)算結(jié)果表

圖9 線路首端電抗器電壓波形圖（裝設(shè)避雷器）

由模擬計(jì)算結(jié)果可以看出，在裝設(shè)氧化鋅避雷器后，分閘首端電抗器時(shí)，電抗器上的過電壓倍數(shù)為4.01p.u.，但在近0.1 s內(nèi)，電抗器上的過電壓倍數(shù)便降至1.00 p.u.以內(nèi)，處于設(shè)備的過電壓承受能力范圍之內(nèi)。

5 結(jié)論

（1）客運(yùn)專線電力供電系統(tǒng)采用長大電纜供電線路時(shí)，為補(bǔ)償電纜線路的容性無功，需在線路上裝設(shè)固定并聯(lián)電抗器。

（2）合閘并聯(lián)電抗器時(shí)不會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生操作過電壓，且合閘涌流也在設(shè)備可承受范圍之內(nèi)。

（3）分閘并聯(lián)電抗器時(shí)產(chǎn)生的操作過電壓超出了電抗器的承受范圍，通過在開關(guān)及電抗器之間裝設(shè)氧化鋅避雷器，可將操作過電壓抑制在設(shè)備可承受范圍之內(nèi)。

[1] TB10008-2006 鐵路電力設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 周凡.石太客運(yùn)專線電纜貫通線路補(bǔ)償和接地方案研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2009，（12）：65-67.

[3] 劉卓輝.鐵路貫通電纜容性參數(shù)及仿真的研究[J].電氣化鐵道，2009，（2）：5-9.

[4] 廖芳芳.鄭西客運(yùn)專線全電纜貫通線路的研究與設(shè)計(jì)[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2010，（4）：71-75.