楊建華，向 偉

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)和鐵路事業(yè)的飛速發(fā)展，車(chē)流密度和載重量顯著增加。當(dāng)牽引供電系統(tǒng)某供電區(qū)間運(yùn)行機(jī)車(chē)比較多或負(fù)荷較大時(shí)，牽引網(wǎng)上電壓迅速下降，末端電壓甚至低于機(jī)車(chē)允許的最低電壓，嚴(yán)重影響著電力機(jī)車(chē)的正常運(yùn)行。山區(qū)既有電氣化鐵道擴(kuò)能改造逐步上馬，而增設(shè)區(qū)間串聯(lián)電容補(bǔ)償（下文簡(jiǎn)稱(chēng)串補(bǔ)）裝置是改善牽引網(wǎng)末端電壓過(guò)低的有效辦法。

1 區(qū)間串補(bǔ)提高牽引網(wǎng)末端電壓

牽引供電回路抗雷圈、牽引網(wǎng)等屬于電阻性和電感性元件（設(shè)為R，XL），因此當(dāng)有牽引負(fù)荷（負(fù)荷電流設(shè)為I，電力機(jī)車(chē)在牽引供電系統(tǒng)中的功率因數(shù)角設(shè)為φ2）經(jīng)由牽引變電所饋線的抗雷圈、供電線、接觸網(wǎng)至機(jī)車(chē)受電弓受電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電壓降U1，造成電壓損失，當(dāng)牽引供電系統(tǒng)某供電區(qū)間運(yùn)行機(jī)車(chē)比較多或負(fù)荷較大時(shí)，電力機(jī)車(chē)受電電壓將難以達(dá)到技術(shù)要求。

未設(shè)區(qū)間串補(bǔ)裝置時(shí)的電壓損失為

在牽引網(wǎng)區(qū)間設(shè)置串補(bǔ)裝置（設(shè)為XC），可減少供電回路電壓損失，提高牽引網(wǎng)電力機(jī)車(chē)受電電壓，如圖1所示。

設(shè)有串補(bǔ)裝置時(shí)的電壓損失為

由于牽引供電回路設(shè)有區(qū)間串補(bǔ)裝置時(shí)的電壓損失ΔU2比未設(shè)區(qū)間串補(bǔ)裝置時(shí)的電壓損失ΔU1明顯減小，因此，串補(bǔ)裝置接入供電臂能直接有效地減小牽引供電系統(tǒng)電壓損失，提高接觸網(wǎng)電壓水平，并能改善牽引供電系統(tǒng)功率因數(shù)。

圖1 設(shè)置區(qū)間串補(bǔ)裝置時(shí)牽引供電示意圖

2 串補(bǔ)裝置主接線及運(yùn)行方式

2.1 區(qū)間串補(bǔ)裝置的構(gòu)成及主接線圖

區(qū)間串補(bǔ)裝置包括：集合式電容器C、串補(bǔ)旁路隔離開(kāi)關(guān)1QS、串補(bǔ)進(jìn)出線雙極隔離開(kāi)關(guān)2QS、串補(bǔ)旁路斷路器QF、放電間隙FJ、旁路開(kāi)關(guān)S、阻尼電抗器L、饋線電壓互感器TV、避雷器1F/2F。其主接線圖見(jiàn)圖2所示。

圖2 區(qū)間串補(bǔ)裝置主接線圖

2.2 變電所串補(bǔ)裝置的構(gòu)成及主接線圖

變電所串補(bǔ)裝置包括：饋線斷路器1QF/2QF、饋線隔離開(kāi)關(guān)3QS、集合式電容器C、串補(bǔ)旁路隔離開(kāi)關(guān)1QS、串補(bǔ)進(jìn)出線雙極隔離開(kāi)關(guān)2QS、串補(bǔ)旁路斷路器QF、放電間隙FJ、間隙電流互感器TA、阻尼電阻器R、阻尼電抗器L、饋線電壓互感器TV。其主接線圖見(jiàn)圖3所示。

圖3 變電所串補(bǔ)裝置主接線圖

2.3 區(qū)間串補(bǔ)裝置的運(yùn)行狀態(tài)分析

區(qū)間串補(bǔ)裝置在投入狀態(tài)時(shí)，1QS在分?jǐn)辔恢茫?QS在閉合位置，QF在分?jǐn)辔恢?；而區(qū)間串補(bǔ)裝置在退出狀態(tài)時(shí)，1QS在閉合位置，2QS在分?jǐn)辔恢?，QF在閉合位置。

2.4 區(qū)間串補(bǔ)隔離開(kāi)關(guān)閉鎖關(guān)系

（1）必須在2QS、QF均為閉合狀態(tài)時(shí)才能對(duì)1QS進(jìn)行分合閘操作。

（2）必須在1QS、QF均為閉合狀態(tài)時(shí)才能對(duì)2QS進(jìn)行分合閘操作。

（3）區(qū)間串補(bǔ)允許在接觸網(wǎng)帶電但不帶負(fù)荷的狀態(tài)下，對(duì)區(qū)間串補(bǔ)裝置進(jìn)行投入、退出操作。

3 區(qū)間串補(bǔ)的保護(hù)

3.1 區(qū)間串補(bǔ)保護(hù)組成

串補(bǔ)放電保護(hù)系統(tǒng)由放電間隙 FJ、阻尼電抗器 L、旁路開(kāi)關(guān) S構(gòu)成（見(jiàn)圖 4）。因區(qū)間串補(bǔ)裝置在牽引供電系統(tǒng)供電區(qū)間為室外布置，為了減小保護(hù)系統(tǒng)的復(fù)雜性，該裝置采用由放電間隙自動(dòng)控制的旁路開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)過(guò)電壓保護(hù)。

圖4 區(qū)間串補(bǔ)保護(hù)系統(tǒng)組成示意圖

3.2 區(qū)間串補(bǔ)保護(hù)過(guò)程

（1）當(dāng)接觸網(wǎng)末端至區(qū)間串補(bǔ)間出現(xiàn)故障時(shí)，電容器兩端電壓超過(guò)額定電壓的2.5倍，這時(shí)放電間隙FJ被擊穿，旁路開(kāi)關(guān)S自動(dòng)閉合（當(dāng)旁路開(kāi)關(guān)線圈M1、M2流過(guò)的接觸網(wǎng)故障電流與電容器放電電流大于400 A時(shí)，K閉合，旁路放電間隙FJ與線圈M2；旁路開(kāi)關(guān)額定耐受短路電流能力為10 kA，0.25 s。）

（2）當(dāng)電容器放電后且接觸網(wǎng)瞬間故障消失或饋線斷路器跳閘，則旁路開(kāi)關(guān)（在M1線圈電流小于200 A時(shí)）自動(dòng)分?jǐn)鄬㈦娙萜鞔?lián)投入使用。

3.3 保護(hù)放電間隙的組成及技術(shù)要求

放電間隙由 3個(gè)石墨球組成的 1個(gè)觸發(fā)間隙（啟動(dòng)間隙）和1個(gè)主間隙（燃燒間隙）構(gòu)成。

圖5 保護(hù)放電間隙組成示意圖

設(shè)置觸發(fā)電路板由觸發(fā)極輸出不小于 10 kV高壓連續(xù)觸發(fā)脈沖，啟動(dòng)觸發(fā)間隙。確保間隙擊穿電壓離散度小于±5%。

保護(hù)放電間隙的技術(shù)參數(shù)：間隙擊穿電壓?jiǎn)?dòng)值取2.5倍串聯(lián)電容器組額定電壓。

4 2種串補(bǔ)裝置的區(qū)別

4.1 設(shè)置位置及作用范圍不同

區(qū)間串補(bǔ)裝置在牽引變電所的供電臂的區(qū)間（基本上在供電臂的中間），補(bǔ)償范圍是區(qū)間串聯(lián)補(bǔ)償至供電臂的末端。而變電所串補(bǔ)裝置在牽引變電所內(nèi)的供電饋出線起點(diǎn)處，作用范圍為整個(gè)供電臂，補(bǔ)償距離是區(qū)間串補(bǔ)的2倍。當(dāng)供電臂末端上的機(jī)車(chē)數(shù)量過(guò)多或載重量過(guò)大時(shí)，變電所串補(bǔ)裝置因補(bǔ)償線路過(guò)長(zhǎng)接觸網(wǎng)的末端電壓很難達(dá)到提高機(jī)車(chē)運(yùn)行質(zhì)量的要求。

4.2 保護(hù)過(guò)程不同

區(qū)間串補(bǔ)因條件限制，保護(hù)方式為一次設(shè)備過(guò)電流保護(hù)，不設(shè)置綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。變電所串聯(lián)補(bǔ)償可通過(guò)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)保護(hù)。

變電所串聯(lián)補(bǔ)償保護(hù)系統(tǒng)由放電間隙 FJ、間隙電流互感器TA、阻尼電阻器R、阻尼電抗器L、旁路斷路器QF和微機(jī)電容器保護(hù)裝置構(gòu)成。其保護(hù)過(guò)程是：當(dāng)接觸網(wǎng)故障、電容器兩端電壓超過(guò)額定電壓2.5倍時(shí)，放電間隙FJ擊穿、間隙電流互感器TA流過(guò)接觸網(wǎng)故障電流及電容器放電電流—微機(jī)電容器保護(hù)裝置保護(hù)出口—旁路斷路器QF閉合：旁路放電間隙、可承受接觸網(wǎng)故障電流并構(gòu)成可靠的電容器放電回路—經(jīng)延時(shí)4 s（可設(shè)以躲開(kāi)饋線重合閘為基準(zhǔn)）檢測(cè)饋線斷路器為合閘位置，則分?jǐn)嗯月窋嗦菲鱍F、自動(dòng)將電容器串聯(lián)投入使用，否則旁路斷路器將保持合閘位置；經(jīng)延時(shí)25 s饋線斷路器若一直未重合成功，則不再自動(dòng)分?jǐn)嗯月窋嗦菲鱍F（在接觸網(wǎng)故障、而電容器兩端電壓未達(dá)到額定電壓2.5倍時(shí)，饋線斷路器已保護(hù)跳閘，則串補(bǔ)放電保護(hù)系統(tǒng)無(wú)須動(dòng)作）。

5 區(qū)間串補(bǔ)的使用效果

現(xiàn)以南昆線斑貓?bào)鋮^(qū)間串補(bǔ)為例說(shuō)明其對(duì)牽引網(wǎng)電壓的作用。

南昆線斑貓?bào)鋮^(qū)間串補(bǔ)所設(shè)置在石林南變電所 B相（石林南—宜良北）供電臂上。斑貓?bào)浯a(bǔ)裝置所在供電臂的電氣參數(shù)：最小運(yùn)行方式牽引網(wǎng)末端短路電流 IG為 1 773 A；牽引負(fù)荷阻抗角36.87°，功率因數(shù)cosφ2為0.8，區(qū)間串補(bǔ)最大負(fù)荷電流 Im設(shè)為 600 A，串聯(lián)電容器額定容量 Qc為1 800 kvar、額定電壓Uc為3 kV、額定電流Ic為602 A；區(qū)間串補(bǔ)放電間隙擊穿電壓為電容額定電壓的2.5倍，則擊穿電壓為7.5 kV。

最大負(fù)荷下區(qū)間串補(bǔ)的補(bǔ)償電壓為

即在最大負(fù)荷情況下，斑貓?bào)鋮^(qū)間串補(bǔ)對(duì)牽引網(wǎng)補(bǔ)償1 800 V容性無(wú)功電壓，1 800 V＜7.5 kV，在最大負(fù)荷下，串聯(lián)電容上的分壓不會(huì)造成放電間隙擊穿，而造成串補(bǔ)旁路開(kāi)關(guān)誤動(dòng)作。

最小短路電流下串聯(lián)電容器的電壓降為

即使在短路情況下，旁路開(kāi)關(guān)有足夠靈敏度動(dòng)作，保證可靠短接串聯(lián)電容器，并構(gòu)成短路電流的導(dǎo)通回路，不會(huì)影響到變電所饋線斷路器的正常保護(hù)動(dòng)作。

6 結(jié)論

在對(duì)串補(bǔ)工作原理作簡(jiǎn)單介紹的基礎(chǔ)上，通過(guò)具體區(qū)間串補(bǔ)所實(shí)例計(jì)算可以得出如下結(jié)論：

（1）區(qū)間串補(bǔ)能很好地改善牽引網(wǎng)末端電壓質(zhì)量；對(duì)牽引網(wǎng)的末端能補(bǔ)償1 800 V左右容性無(wú)功電壓。

（2）區(qū)間串補(bǔ)能改善牽引供電系統(tǒng)功率因數(shù)，提高供電質(zhì)量。

（3）在短路故障情況下，區(qū)間串補(bǔ)保護(hù)有足夠的靈敏系數(shù)保證串補(bǔ)自身的保護(hù)動(dòng)作，而不影響到相應(yīng)變電所饋線斷路器的保護(hù)動(dòng)作，保證了供電的安全性、可靠性。