電纜線路并聯補償電抗器合分閘暫態研究

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，客運專線鐵路電力供電系統一般采用全電纜供電線路。而電纜線路的容性容量遠高于架空線路，在長距離送電時，電容效應將導致功率因數為負值或引起電壓大幅升高，降低系統供電質量，甚至威脅設備安全。這種情況下，一般采用設置并聯補償電抗器的措施，以抑制電纜線路的電容效應，使系統絕緣水平、電壓水平、功率因數等指標滿足規程規范要求。但是，在設置有并聯補償電抗器的電力供電系統中，需對合分閘并聯電抗器時的暫態絕緣水平進行研究。

1 問題的提出

根據典型客運專線電力供電假設模型（圖1），利用 ATP-EMTP電磁暫態仿真計算程序對電容效應進行模擬計算，得到計算結果：當供電線路不設置并聯補償電抗器時，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%，遠高于《鐵路電力設計規范》（TB10008-2006）中規定的限制值5%；當線路首末端均設置100 kVar電抗器后，供電線路電壓升高現象明顯改善，電壓升高分別降低為1.84%和1.81%，滿足設計規范的要求。因此，通過并聯補償電抗器的方式來抑制電纜供電線路的電容效應，取得了明顯的效果。

圖1 電力供電模型圖

在設置有并聯補償電抗器的電力供電系統中，合分閘并聯電抗器時操作的是感性負載，由于工作狀態發生突變，將產生充電再充電或能量轉換的過渡過程，電壓的強制分量疊加以暫態分量形成操作過電壓。而真空開關因其高速滅弧能力，在切斷電路時，往往在電流過零前被強行開斷，在斷弧瞬間儲藏在負載內的電感與電容之間的電磁能量轉換將在負載上產生過電壓。該過電壓幅值高，上升陡度快，頻率高，無疑會對電抗器的絕緣水平造成極大威脅。因此，在工程實際應用中，采用ATP-EMTP電磁暫態仿真計算程序對合分閘并聯電抗器的暫態進行模擬計算，通過對模擬計算結果進行分析后，采取措施對并聯補償電抗器的操作過電壓進行抑制，以提高系統供電的安全性和可靠性。

2 合閘電抗器模擬計算

當開關合閘并聯補償電抗器時，可能會在電抗器上產生較大數值的合閘涌流。通過對電抗器合閘回路進行求解可以得出，該電流值是由一個穩態分量（電抗器的額定運行分量）和一個按指數規律衰減的暫態分量（衰減由電抗器合閘回路時間常數決定）組成。對于已確定的電抗器，其合閘涌流的大小取決于負荷開關的合閘相角α。當α = 0時，即在電源電壓過零點的瞬間開關合閘，電流的暫態分量最大，當ωt =180°時，電流出現最大值。如果向空載線路合閘電抗器，在電抗器上產生的合閘涌流較負載時更為嚴重。

按照圖1所示的電力供電模型，假設配電所1由配電所2供電，線路空載運行，計及500 pF的電抗器雜散電容，并考慮三相合閘的不同期性。在電源電壓過零時刻，分別合閘首末端電抗器，通過ATP-EMTP電磁暫態仿真計算程序進行模擬計算，計算結果見表1。

表1 合閘電抗器暫態計算結果表

同時，仿真模擬計算還給出了合閘首端電抗器時，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

通過仿真模擬計算結果可以看出，合閘并聯電抗器時，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。開關對電抗器的合閘操作不會對系統產生過電壓。

3 分閘電抗器模擬計算

在電力供電系統中，當開關分閘并聯補償電抗器時，由于開關強制熄弧（截流）而產生高幅值的過電壓。

同樣按照圖1所示電力供電模型，假設配電所1由配電所2供電，線路空載運行，線路首末端電抗器均投入，開關分閘首端電抗器，開關分閘截流取0.5 A并計及500 pF的電抗器雜散電容，通過ATP-EMTP電磁暫態計算程序進行模擬計算，計算結果見表2。

表2 分閘首端電抗器暫態計算結果表

同時，模擬計算程序還給出了分閘首端電抗器時，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

通過模擬計算結果可以看出，分閘首端電抗器時，電抗器上的過電壓倍數為4.89 p.u.，且需經過近1 s的時間，過電壓倍數才降至1.00 p.u.，超過了設備的承受能力。

4 增設避雷器后分閘電抗器模擬計算

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

根據客運專線電力供電線路實際運行情況，一般選擇方法（2），在開關與電抗器之間裝設一組氧化鋅避雷器，限制分閘并聯電抗器的操作過電壓。

因此，在開關與電抗器之間裝設氧化鋅避雷器后，通過 ATP-EMTP電磁暫態計算程序進行模擬計算，計算結果見表3所示。

同時，在裝設氧化鋅避雷器后，模擬程序還給出了分閘首端電抗器時，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計算結果表

圖9 線路首端電抗器電壓波形圖（裝設避雷器）

由模擬計算結果可以看出，在裝設氧化鋅避雷器后，分閘首端電抗器時，電抗器上的過電壓倍數為4.01p.u.，但在近0.1 s內，電抗器上的過電壓倍數便降至1.00 p.u.以內，處于設備的過電壓承受能力范圍之內。

5 結論

（1）客運專線電力供電系統采用長大電纜供電線路時，為補償電纜線路的容性無功，需在線路上裝設固定并聯電抗器。

（2）合閘并聯電抗器時不會對系統產生操作過電壓，且合閘涌流也在設備可承受范圍之內。

（3）分閘并聯電抗器時產生的操作過電壓超出了電抗器的承受范圍，通過在開關及電抗器之間裝設氧化鋅避雷器，可將操作過電壓抑制在設備可承受范圍之內。

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