并聯(lián)電抗器在長(zhǎng)電纜電力貫通線(xiàn)電容電流補(bǔ)償中的應(yīng)用

王學(xué)明 合寧鐵路有限公司

為提高對(duì)鐵路沿線(xiàn)用電負(fù)荷的供電可靠性，在鐵路沿線(xiàn)每40km～70km設(shè)置一座變、配電所，兩變、配電所間沿鐵路以電線(xiàn)路相連，該線(xiàn)路稱(chēng)為電力貫通線(xiàn)。每條貫通線(xiàn)可分別由其兩端的變、配電所供電，通常一端主供，另一端備用。

1 問(wèn)題的提出

配電線(xiàn)路按結(jié)構(gòu)可分為兩大類(lèi)：架空線(xiàn)路和電纜線(xiàn)路。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)鐵路電力貫通線(xiàn)大都以架空為主。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和城鎮(zhèn)建設(shè)的快速發(fā)展，使得架空電線(xiàn)路路徑受環(huán)境限制越來(lái)越大。加上電纜線(xiàn)路具有受環(huán)境影響小、安全性好、供電可靠性高、不占地面與空間、不暴露目標(biāo)、美化城市環(huán)境等一系列優(yōu)點(diǎn)，電纜在鐵路電力貫通線(xiàn)中比例不斷上升。在鐵路客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)電力系統(tǒng)中，甚至采用了全電纜電力貫通線(xiàn)。

電纜具有較大的相間及相對(duì)地電容，故在正常運(yùn)行和單相接地時(shí)，都有電容電流流過(guò)線(xiàn)路。與架空線(xiàn)路相比，電纜線(xiàn)路對(duì)地電容是架空線(xiàn)路的幾十倍。電纜比例的提高，甚至采用全電纜線(xiàn)路，顯著加大了供電系統(tǒng)的電容電流。

電容電流增大存在一系列弊端，主要有：

(1)正常情況下，長(zhǎng)距離線(xiàn)路空載末端電壓超出額定電壓，空載切除線(xiàn)路會(huì)引起操作過(guò)電壓。

(2)電容電流增大，超出了隔離開(kāi)關(guān)分段能力，不利于快速分段查找故障。

(3)發(fā)生單相接地時(shí)，接地電弧不易自行熄滅，容易造成相間短路，降低供電可靠性。

(4)單相接地故障易發(fā)生電弧接地過(guò)電壓。在一個(gè)工頻周期內(nèi)，健全相過(guò)電壓可達(dá)正常相電壓的2.5倍～3.5倍，使系統(tǒng)內(nèi)絕緣薄弱的設(shè)備被放電擊穿，造成設(shè)備損壞。

(5)電容電流過(guò)大與感性電流過(guò)大一樣，將導(dǎo)致系統(tǒng)的功率因數(shù)降低。一方面使供電系統(tǒng)內(nèi)的電氣設(shè)備容量不能得到充分利用，另一方面增加電網(wǎng)中輸電線(xiàn)路上的有功功率損耗，還會(huì)增加用電企業(yè)的電費(fèi)支出。

因此，合理補(bǔ)償電纜線(xiàn)路的電容電流，成為保證長(zhǎng)電纜電力貫通線(xiàn)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。

2 電容電流的補(bǔ)償

2.1 補(bǔ)償原理

由電工學(xué)原理知道，在交流電路中，電感元件總是阻礙通過(guò)其電流的變化，使得電流滯后于電壓；電容元件總是阻礙其電壓的變化，使得電壓滯后于電流。純電感負(fù)荷L中的電流iL滯后端電壓90°，而電容C中的電流iC則超前端電壓90°，所以，電容器中的電流與電感負(fù)荷中的電流在相位上相差180°。如圖1，如果在電容兩端并聯(lián)電感，由于電感中的電流方向與電容中電流方向相反，就能減少接地電流，甚至完全抵消接地電流。適當(dāng)選擇參數(shù)，可以使

圖1 電容和電感中的電流

若電路中電容C為已定，則按ωC=1/ωL確定的電感值，把它和電容并聯(lián)起來(lái)，兩個(gè)元件上的電流就相互補(bǔ)償，使線(xiàn)路中的無(wú)功電流為0，如圖2所示。

圖2 補(bǔ)償電容電流的方法

根據(jù)這一原理，實(shí)際應(yīng)用中廣泛采用并聯(lián)電抗器補(bǔ)償電纜的電容電流，如圖3。

圖3 電抗器補(bǔ)償電容電流

2.2 電纜電容電流的規(guī)定

《鐵路電力設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10008-2006）8.4.5條規(guī)定，長(zhǎng)電纜線(xiàn)路電容電流值超過(guò)隔離開(kāi)關(guān)的分合能力時(shí)，宜采用電抗器進(jìn)行補(bǔ)償，容性電流的補(bǔ)償度宜在50%～75%的范圍內(nèi)，補(bǔ)償后的電容電流值不應(yīng)超過(guò)5A。

2.3 電纜電容的計(jì)算

圖4為三芯電力電纜電容分布結(jié)構(gòu)圖，圖5為其電容電流的等效電路。Cy為電纜線(xiàn)芯對(duì)地（鋼鎧）電容，Cx為線(xiàn)芯與線(xiàn)芯間電容,則一芯對(duì)中性點(diǎn)的電容為C=Cy+3Cx。單相電容電流為Ico=Icx+Icy=3ωCxLUφ+ωCyLUφ=ω(3Cx+Cy)LUφ=ωCLUφ。

式中：

ω--角速度，rad/s，ω=2πf=314rad/s；

L--電纜線(xiàn)路長(zhǎng)度，km；

Uφ--線(xiàn)路相電壓，V；

Ico--線(xiàn)路始端電容電流，A；

Icx--導(dǎo)線(xiàn)間電容電流，A；

Icy--導(dǎo)線(xiàn)對(duì)地電容電流，A。

圖4 三芯電纜的電容分布

圖5 電容電流的等效電路

3 合寧鐵路電力貫通線(xiàn)電容電流的補(bǔ)償

3.1 合寧鐵路高壓供電系統(tǒng)方案

新建合寧鐵路高壓供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案為：新建高里35/10kV變配電所和黃庵10kV配電所。全線(xiàn)新建2路10kV電力貫通線(xiàn)路，其中第1貫通線(xiàn)采用單芯全電纜（50mm2）；第2貫通線(xiàn)采用三芯電纜（70mm2）和架空混和方案。一貫接入既有合肥客站10kV配電所，二貫接入既有合肥東35/10kV變電所，如圖6所示。

圖6 合寧鐵路高壓供電系統(tǒng)示意圖

因系統(tǒng)電纜線(xiàn)路較長(zhǎng)，貫通母線(xiàn)段采用諧振接地系統(tǒng)。考慮到一貫為全電纜線(xiàn)路，電容電流較大，而二貫為電纜架空混合線(xiàn)路，電容電流相對(duì)較小。為滿(mǎn)足電網(wǎng)供用電的相關(guān)規(guī)定，在新建黃庵配電所、高里變電所10kV一段母線(xiàn)上，設(shè)置容量可調(diào)式電抗器，取代常規(guī)設(shè)計(jì)中的固定式補(bǔ)償電容器柜。

3.2 電容電流的補(bǔ)償計(jì)算

以黃庵～高里一貫為例解析電纜電容電流的補(bǔ)償（因貫通母線(xiàn)段采用諧振接地，本例僅討論正常運(yùn)行時(shí)的電容電流及其補(bǔ)償，不再討論單相接地時(shí)的情況）。

（1）單相電容電流計(jì)算

黃庵～高里一貫為單芯全電纜（YJV62－1×50mm2），全長(zhǎng) 70km。根據(jù)出廠(chǎng)資料，電纜對(duì)地電容Cy=0.19μf/km。因?yàn)槭菃涡倦娎|，線(xiàn)芯間電容Cx可視為0。正常工作時(shí)，單相電容電流為Ico=ωCyLUφ=314×0.19×10-6×70×6000=25.06A。根據(jù)《鐵路電力設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10008-2006）8.4.5條規(guī)定，應(yīng)加裝并聯(lián)電抗器進(jìn)行補(bǔ)償。

（2）補(bǔ)償電抗器容量計(jì)算

單相電容無(wú)功功率：Q1=ωCyLUφ2=314×0.19×10-6×70×60002/1000=150.34kVar，三相容性無(wú)功功率Qc=3Q1=3×150.34=451.02kVar。按照 75%的補(bǔ)償度，并聯(lián)電抗器的容量為QL=0.75Qc=0.75×451.02=338.27kVar。為了預(yù)防長(zhǎng)線(xiàn)路充電功率對(duì)合閘及線(xiàn)路電壓升高影響，工程中，在該貫通線(xiàn)首、末端，即黃庵配電所、高里變電所所外設(shè)200kVar干式并聯(lián)電抗器各1臺(tái)。

（3）電抗器補(bǔ)償后的殘流計(jì)算

圖7是補(bǔ)償后的電路等效圖。電抗器電感電流IL=Se/3Uφ=400/(3×6)=22.22A,補(bǔ)償后線(xiàn)路電流為：Ico-IL=25.06-22.22=2.86A＜5A，滿(mǎn)足《鐵路電力設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10008-2006）8.4.5條規(guī)定。

圖7 電抗器補(bǔ)償后的電流分布

（4）實(shí)際應(yīng)用及效果

基于同樣道理，通過(guò)仿真計(jì)算確定：黃庵～高里二貫首、末端分別設(shè)150kVar固定電抗器各1臺(tái)；黃庵～合肥一貫首、末端（設(shè)置在羅崗線(xiàn)路所遠(yuǎn)動(dòng)箱變內(nèi)）設(shè)200kVar固定電抗器各1臺(tái)；黃庵～合肥東二貫首、末端（設(shè)置在羅崗線(xiàn)路所遠(yuǎn)動(dòng)箱變內(nèi)）設(shè)150kVar固定電抗器各1臺(tái)。考慮當(dāng)合肥東所作為主供所向黃庵方向二貫供電，在三十里鋪1基站、肥東車(chē)站、肥東4基站處分別設(shè)置了76kVar的固定電抗器。圖8是合寧鐵路貫通線(xiàn)補(bǔ)償電抗器分布圖。

圖8 合寧鐵路電力貫通線(xiàn)電抗器分布圖

系統(tǒng)運(yùn)行后，進(jìn)行了空載試驗(yàn)。一貫試驗(yàn)結(jié)果如下：

① 全電纜分閘時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓、過(guò)電流。

② 合閘時(shí)，產(chǎn)生沖擊電流。線(xiàn)路最長(zhǎng)的黃庵～合肥一貫（90km）在電抗器全部投運(yùn)時(shí)，沖擊電流達(dá)到38A，接近于所內(nèi)整定值（42A）。故空載合閘時(shí)，配電所內(nèi)開(kāi)關(guān)不會(huì)產(chǎn)生彈跳。

③ 線(xiàn)路上帶有電抗器分閘，線(xiàn)路電壓在0.5195s內(nèi)衰減到1.06kV；不帶電抗器分閘，線(xiàn)路電壓在0.28s內(nèi)衰減到0.86kV，可滿(mǎn)足自動(dòng)重合閘及相鄰配電所之間備自投的要求。

線(xiàn)路空載情況下黃庵配電所主供（可調(diào)電抗器投入）時(shí)一貫?zāi)┒司€(xiàn)路電壓情況如表1，滿(mǎn)足《鐵路電力管理規(guī)則》（鐵運(yùn)[1999]103號(hào)）中關(guān)于10kV三相供電用戶(hù)受電端電壓不超過(guò)額定電壓±7%的要求。

表1 線(xiàn)路空載情況下黃庵配電所主供時(shí)一貫?zāi)┒司€(xiàn)路電壓

4 結(jié)束語(yǔ)

鐵路10kV配電網(wǎng)絡(luò)中電纜比例的不斷提高，電纜電容電流及其對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)的影響越來(lái)越大。并聯(lián)電抗器可有效補(bǔ)償電纜網(wǎng)絡(luò)的電容電流，對(duì)吸收充電功率、降低工頻電壓、保證電壓質(zhì)量、提高電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。隨著配電網(wǎng)絡(luò)的不斷擴(kuò)大，電纜線(xiàn)路的大量使用，并聯(lián)電抗器在鐵路供電系統(tǒng)中會(huì)得到更加廣泛的使用。