電鐵串聯電容補償裝置短路過渡過程分析

魏存祥，陳 飛

0 引言

電氣化鐵道接觸網單位阻抗大，當供電臂較長、機車負荷較大時，往往在接觸網末端造成電壓水平過低，影響列車的安全運行。采用在接觸網回路中串聯電容器組改變線路參數的方式可提高接觸網末端網壓，且具有負荷越大，補償電壓越髙的自動補償特性，在電氣化鐵道牽引供電系統中得到廣泛應用。

1 結構原理

電氣化鐵道用串聯電容補償裝置（以下簡稱串補裝置）由串聯電容器組和成套保護設備2部分組成，結構原理如圖1。C為串聯電容器組，右側的JX，DL，R，L組成串聯電容器組的成套保護設備（以下簡稱為串補保護設備），其作用是避免串聯電容器組因過電壓絕緣擊穿而損壞，其工作過程如下：當串補裝置通過穿越性短路電流時，短路電流一般為電容器組額定電流的數倍，可在電容器組兩端產生數倍電容器組額定電壓的過電壓，此時，串補保護設備的放電間隙（JX）被擊穿，放電間隙與并聯在一起的限流電阻（R）、限流電抗（L）相串聯接入電容器組兩端，與電容器組并聯承受穿越性短路電流，并構成電容器組限流放電回路，使電容器組端電壓迅速下降。同時串補保護設備使斷路器（DL）合閘，旁路放電間隙，使放電間隙的電弧熄滅；待接觸網饋線斷路器保護動作切斷短路電流后，旁路斷路器經延時（可調定）在無電流情況下分閘，串補保護設備復歸原況。

圖1 電氣化鐵道用串補裝置原理圖

由此可見，串補保護設備各組成單元（JX，DL，R，L）在正常工況下并不通過電流，一旦串聯電容器組出現過電壓，則串補保護設備啟動，串補保護設備各組成單元將承受串補裝置短路過渡過程引發的髙電壓，大電流。因此，在實際工程中，串補保護設備技術參數的確定，包括型式試驗的技術參數選擇，與一般電器設備截然不同，不應采用穩態值，而應采用瞬態最大值。

在電氣化鐵道串補裝置的工程設計和應用測試中，筆者發現基于運營安全方面的考慮，很多牽引變電所的串聯電容器組容量選擇過大，不僅造成投資浪費，而且很難保證正常運行時對電壓的補償要求。因此，筆者對電氣化鐵道串補裝置進行模擬計算，并給出仿真波形，為工程設計和產品選型提供參考依據。

2 計算及仿真

2.1 計算條件選擇

選擇串補裝置的計算條件，力求涵蓋大多數工程設計。

（1）最大故障（穿越短路）電流為8 kA。在本文中，設定牽引變電所主變壓器為 Ynd-1l三相變壓器，容量為40 000 kV·A，短路阻抗10.5%，不考慮電力系統阻抗，出口三相短路電流為7 998 A，取整為8 kA。

（2）串聯電容器組額定電流為1 200 A。該數值依實際安裝的串聯電容器組額定電流而定。在本文中，按可能設計確定的較大串聯電容器組額定電流計算。并根據GB/T6115的規定：電容器可承受每2 h出現10 min的過負荷倍數為1.5倍，這樣，設定電容器組額定電流1 200 A，可承受10 min的1 800 A的牽引負荷電流，相當于6.7臺SS3型電力機車同時啟動電流。

（3）串聯電容器組額定電壓為4 kV。該數值依實際安裝的串聯電容器組額定電壓而定。在本文中，按可能設計確定的較大串聯電容器組額定電壓計算。

（4）串聯電容器組等效容抗為 3.33 Ω（C=0.956 mF）。

（5）限流阻尼電抗值為0.3 mL。

（6）限流阻尼電阻值為0.666 Ω。

（7）放電間隙動作電壓為2.5UC= 10 kV。

2.2 計算及仿真

假定條件：短路發生前，串聯電容器組電壓忽略不計。

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接觸網發生短路后，短路電流流過串聯電容器組，對串聯電容器組充電，電壓達到放電間隙啟動電壓時，串補保護設備動作。整個短路過渡過程分析計算如下：

（1）不考慮短路電流影響，在放電間隙擊穿瞬間，串聯電容器組通過放電間隙放電電流。其等效電路如圖2所示。

圖2 串聯電容器組放電等效電路圖

有如下關系：

有KCL方程：iC=iL+iR，即：

將L、R、C的值代入式（1）—式（4），解上述方程，得

式中，衰減系數?= -785.304；固有振蕩角頻率

可計算出通過電抗L的放電電流：

通過電阻R的放電電流

通過電容器組的放電電流：

（2）接觸網短路且放電間隙擊穿時，穩態短路電流在電容C、電抗L、電阻R并聯回路中的分配。

在間隙擊穿瞬間，等效電容和電阻、電抗形成并聯回路，在工頻情況下，短路等效電路圖如圖3所示，短路電流分配如下：

式中，Ik為接觸網外部短路穩態總電流。

由此可見，放電間隙擊穿后，通過串聯電容器組的短路電流很小，僅占穩態短路電流的 2.4%，在仿真計算時，假設串補裝置的外部短路電流全部流過放電間隙。這樣，流過放電間隙的全部電流包括串聯補償電容器組的放電電流和外部短路電流（不考慮短路電流的非周期分量）。

流過放電間隙的全部電流：

流過電阻的全部電流：

流過電抗的全部電流：

通過仿真分析：在α取π/2時，iJL達最大值。

圖3 短路等效電路圖

（3）接觸網短路時，各元件短路電流分配仿真分析。通過上述計算，采用MATLAB軟件進行短路分析，得出通過放電間隙最大短路電流仿真波形和對應的電阻、電抗器短路電流仿真波形如圖4所示。

從圖 4可以得出，串補裝置外部接觸網短路時，串聯電容器組放電電流一般時間較短，約5 ms即完成放電。在5 ms之后，短路電流趨于穩態，穩態短路電流基本上全部通過電抗器流過。

圖4 外部短路通過串補保護設備元件的最大電流仿真圖

3 結論

綜上所述，可得出以下結論：

（1）由于電弧電阻遠大于斷路器的回路電阻，因此在設備選型時，對于旁路斷路器，主要考慮其關合短路電流和熱穩定校驗，而不需要考慮動穩定校驗和開斷能力。但由于斷路器的固有動作時間遠遠大于放電時間（5 ms），因此旁路斷路器的關合短路電流能力主要按照穩態短路電流計算。

（2）對于限流電阻，只需考慮其5 ms的瞬時短路電流通過能力。

（3）對于限流電抗器選型，則需要考慮動穩定及熱穩定。

（4）對于電氣化鐵道串補裝置來說，外部短路時串聯電容器組放電時間與電容、電阻和電感的選擇有關，但總體差別不大。上述結論一般都是成立的。

希望本文所述分析過程和結論能在串聯電容補償裝置的保護設備的設計選型方面提供一些參考。

[1]周開利，鄧春輝.MATLAB基礎及應用[M].北京：北京大學出版社.

[2]邱關源.電路分析[M].西安：西安交通大學大出版社.