黎湛鐵路電力線路電容電流分析與研究

胡金東

（南寧鐵路局供電處，工程師，廣西 南寧 530029）

黎湛鐵路電力線路電容電流分析與研究

胡金東

（南寧鐵路局供電處，工程師，廣西 南寧 530029）

本文針對黎湛鐵路貫通（自閉）線樹害嚴重地區，采用電力架空線改為電力電纜后引起電力線路對地電容電流和相間電容電流增大的技術難題，提出在沿線適當位置設置三相補償電抗器，計算補償電抗器容量，使架空線電纜混合模式電力線路電容電流得到適當補償，確保行車安全運行。

架空線改電纜；電容電流；補償容量

10.13572/j.cnki.tdyy.2015.01.004

電力貫通（自閉）線作為鐵路配電系統的重要組成部分，肩負著向鐵路車站和沿線的全部非牽引電氣設備（包括動力和照明）供電，對供電可靠性要求非常高。10 kV配電系統采用中性點不接地方式運行，即中性點對地絕緣，結構簡單，運行方便，不需任何附加設備。這種不接地方式的優點是發生單相接地故障后，一般不會破壞系統的對稱性，可以帶故障連續繼續運行1～2 h，從而獲得排除故障時間，相對地提高了供電的可靠性〔1〕。

南寧鐵路局黎湛鐵路貫通（自閉）線以架空方式為主，但部分電力線路處于經濟林木（桉樹）種植區，受南方臺風氣候或人為砍伐不當影響，經濟林木經常倒壓在鐵路電力線路上，造成斷桿斷線，搶通難度大，嚴重干擾了正常的運輸生產。同時，因經濟林木數量多及當地農民的阻礙，砍伐極其困難。相對架空線方式，電力電纜具有占地少、受外力破壞小（如鳥害、機械碰撞等）、抗擊自然災害能力強（如雷擊、風害、覆冰等）、運行可靠、供電安全、不需頻繁巡檢、維護工作量少等優點。因此，南寧鐵路局從2007年開始，下達專項資金對黎湛鐵路貫通（自閉）線樹害嚴重地區進行電力架空線改電力電纜整治，保證了鐵路電力線路不受環境影響。但改造后架空線電纜混合電力線路相間及相對地電容電流顯著地加大了配電系統的電容電流，為此，研究如何對黎湛鐵路架空線電纜混合電力線路電容電流進行合理補償，克服電纜電容電流過大的危害，以保證黎湛鐵路電力貫通（自閉）線安全、穩定運行就顯得十分必要。

1 存在問題

改造后架空線電纜混合電力線路相間及相對地電容電流是架空線路的30～100倍，隨著近幾年架空線改電纜比例的提高，顯著地加大了配電系統的電容電流，主要帶來了以下弊端〔2，3〕：

1）電力線路空載末端電壓超出額定電壓，空載切除線路會引起操作過電壓。

2）線路電容電流增大，超出了隔離開關分段能力，不利于快速分段查找故障。

3）發生單相接地時，接地電弧不易自行熄滅，容易造成相間短路，引起故障擴大，降低供電可靠性；尤其是黎湛鐵路三芯電纜和架空結合的混合線路，架空線路通過林區遇刮風、下雨時單相故障演變成相間短路，造成停電事故。

4）單相接地故障時易發生電弧接地過電壓，非故障相過電壓可達正常相電壓的3.5倍，使整個配電系統內絕緣薄弱設備放電擊穿，造成設備損壞。

5）電容電流過大導致系統的功率因數降低。一方面使供電系統內的電氣設備容量不能得到充分利用，另一方面增加電網中輸電線路上的有功功率損耗，增加鐵路電費成本支出。

2 電容電流分析

由于電力電纜相間及相對地電容電流遠遠大于架空線路，因此黎湛鐵路架空線電纜混合電力線路只分析架空線改電纜區段電容電流，既有架空線路電容電流忽略不計。目前，黎湛鐵路貫通（自閉）線架空線改電纜基本采用YJLV22-3*70、YJLV22-3* 95三相高壓電纜。YJLV型三芯電纜電容分布如圖1所示，正常工況下（未接地）電纜電容電流等效電路如圖2所示。其中Cy（F／km）為單芯電纜對鉛包的電容，Cx（F/km）為芯對芯間的電容，則一芯對中性點的電容C=Cy+3Cx（F/km）〔4，5〕。

圖1 YJLV型三芯電纜電容分布

圖2 YJLV型三芯電纜等效電路

由圖2可知，芯對地的電容電流（Icy）導線間的電容電流（Icx）線路始端的電容電流（Ic0）

式中：L為電力電纜線路長度（kM）；

ω為角速度（ω=2πf=314）；

Uφ為相電壓（V）。

當電力電纜線路發生單相接地故障時，其電容電流分布如圖3所示。

圖3 單相接地YJLV型三芯電纜電容電流分布圖

接地相始端的電容電流（ICD）

一般電力電纜對地電容Cy和線間電容3Cx近似相等，即Cy≈3Cx，對比正常工況下（公式3）和單相接地故障下（公式5）的電容電流，ICD=2Ic0。

3 電抗器補償原理分析

《鐵路電力設計規范》（TB10008-2006）規定，電力電纜線路電流值超過隔離開關的分合能力時，宜采用并聯電抗器進行補償，容性電流的補償度宜在50%～75%的范圍內。鑒于補償電抗器既要補償電纜線路正常工況電容電流（Ic0），又要補償單相接地故障時電容電流（ICD），三相補償電抗器選擇Y型接線方式進行補償，并在黎湛鐵路沿線分散設置增強補償效果〔6，7〕。

電力電纜線路安裝三相并聯電抗器補償后，正常工況下的電流分布如圖4所示。

圖4 補償后正常電流分布

在正常工況下電抗器產生的補償電流IL與Ic0方向相反，補償后的殘流為Ic0-IL。裝設補償電抗器后，當發生單相接地故障時，非接地故障相由線電壓產生補償電流電流分布如圖5所示。則流過接地點的補償電流為方向與接地相的始端電容電流ICD相反，補償后的始端殘流為ILD-ICD=3IL-IC。

電力電纜單相接地故障情況下接地相的始端殘流ILD-ICD＞0，線路呈感性，容易產生振蕩，不宜選用。一般電抗器補償采用ILD-ICD＜0，線路呈容性，適當補償電纜線路中電容電流，同時防止保護及斷路器誤動〔8〕。

圖5 補償后單相接地故障電流分布

4 實例計算

根據以上對電纜電容電流及電抗器補償原理分析，黎湛鐵路架空線電纜混合電力線路中，配電所供電臂應根據貫通（自閉）線架空線改電纜長度，在適當位置設置三相補償電抗器，使貫通（自閉）線電容電流得到適當補償。以黎湛鐵路河唇配至文里配貫通（自閉）線為例，兩個配電所之間供電臂長約51.5 km，樹害嚴重地區架空線改電纜完成9.58 km，如圖6所示。

根據廠家提供型號為YJLV22-3*95電纜參數：Cy=3Cx=0.24（F/km）。由公式（3）得，正常工況下線路始端的電容電流為Ic0=8.75 A，按照最佳補償度75%補償，最佳補償電流應為75%Ic0=8.75=6.56 A。經計算，該區段共需設3組補償電抗器，每組電抗器容量38 kvar。正常工況下，線路始端的容性殘流Ic0-IL= 2.18A＜5A，滿足《鐵路電力設計規范》（TB10008-2006）8.4.5條規定。因此該區段架空線改電纜后應在電力線路上安裝3組BKS-38/10戶外高壓油侵式補償電抗器，考慮電力電纜改造位置及補償電抗器防盜因素，3組電抗器分別安裝于佛子嶺站、山尾站貫通綜合變房、文里至文地貫通178#桿，使電力線路電容電流得到更好補償〔9，10〕。

圖6 河唇配至文里配架空線電纜混合線路

5 結論

本文對黎湛鐵路架空線電纜混合電力線路中電容電流進行分析，并提出改進措施，以河唇配至文里配為例進行補償容量計算，在電纜改造位置分散安裝并聯補償電抗器。實施效果證明，安裝補償電抗器提高了配電所功率因數，保證了電力線路供電可靠性，減少了由于容性電流引起操作過電壓和諧振過電壓。隨著黎湛鐵路電力貫通（自閉）線電力電纜比例不斷提高，采用高性能補償電抗器將成為解決配電系統電容電流的重要措施，對提高鐵路電力系統穩定性和經濟性具有重要意義，該方案必將在黎湛鐵路架空線電纜混合電力線路中得到廣泛的應用。

〔1〕孫建明.貫通線全電纜線路中性點接地方式的選擇〔J〕.鐵道工程學報，2010（6）：87-90.

〔2〕劉敬.10 kV電力貫通線的電容效應問題〔J〕.福建電力與電工，1995，15（2）16-17

〔3〕白俊.大—準電氣化鐵路10kV配電系統電容電流分析〔J〕.內蒙古電力技術，2003，21（3）：43-44.

〔4〕L.Heinhold，R.Stubbe.電力電纜及電線〔M〕.門漢文，崔國璋，王海 譯.北京：中國電力出版社，2001：402.

〔5〕陳國林.鐵路10 kV電力貫通線的實踐與分析〔J〕.山西電力技術，1997，17（3）：21-24.

〔6〕TB100008-2006，鐵路電力設計規范〔S〕.中國鐵道出版社，2007.

〔7〕王學明.并聯電抗器在長電纜電力貫通線電容電流補償中的應用〔J〕.上海鐵道科技，2010，32（1）：122-123．

〔8〕王顥，等.青藏鐵路電纜貫通線并聯電抗器補償方式研究〔J〕.鐵道工程學報，2008（8）：67-70.

〔9〕顏秋容，劉欣等.鐵路10 kV電纜貫通線電容電流補償度研究〔J〕.鐵道學報，2006（2）：85-88.

〔10〕江南，謝聿琳，等.電纜架空線混合線路重合閘投切方式〔J〕.電力系統自動化，2010，34（3）：112-114.

U228.4

B

1006-8686（2015）0009-03