電鐵串聯(lián)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(lián)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(tǒng)中得到廣泛應用。

1 結構原理

電氣化鐵道用串聯(lián)電容補償裝置（以下簡稱串補裝置）由串聯(lián)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(lián)電容器組，右側的JX，DL，R，L組成串聯(lián)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(lián)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(lián)在一起的限流電阻（R）、限流電抗（L）相串聯(lián)接入電容器組兩端，與電容器組并聯(lián)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(lián)電容器組出現(xiàn)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(fā)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(wěn)態(tài)值，而應采用瞬態(tài)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(fā)現(xiàn)基于運營安全方面的考慮，很多牽引變電所的串聯(lián)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(tǒng)阻抗，出口三相短路電流為7 998 A，取整為8 kA。

（2）串聯(lián)電容器組額定電流為1 200 A。該數值依實際安裝的串聯(lián)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(lián)電容器組額定電流計算。并根據GB/T6115的規(guī)定：電容器可承受每2 h出現(xiàn)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(lián)電容器組額定電壓為4 kV。該數值依實際安裝的串聯(lián)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(lián)電容器組額定電壓計算。

（4）串聯(lián)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(fā)生前，串聯(lián)電容器組電壓忽略不計。

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接觸網發(fā)生短路后，短路電流流過串聯(lián)電容器組，對串聯(lián)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(lián)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(lián)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(wěn)態(tài)短路電流在電容C、電抗L、電阻R并聯(lián)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(lián)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(wěn)態(tài)總電流。

由此可見，放電間隙擊穿后，通過串聯(lián)電容器組的短路電流很小，僅占穩(wěn)態(tài)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(lián)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(lián)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(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)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(wěn)定校驗，而不需要考慮動穩(wěn)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(wěn)態(tài)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(wěn)定及熱穩(wěn)定。

（4）對于電氣化鐵道串補裝置來說，外部短路時串聯(lián)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(lián)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.