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(duì)黎湛鐵路貫通（自閉）線樹害嚴(yán)重地區(qū)，采用電力架空線改為電力電纜后引起電力線路對(duì)地電容電流和相間電容電流增大的技術(shù)難題，提出在沿線適當(dāng)位置設(shè)置三相補(bǔ)償電抗器，計(jì)算補(bǔ)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(dāng)補(bǔ)償，確保行車安全運(yùn)行。

架空線改電纜；電容電流；補(bǔ)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(tǒng)的重要組成部分，肩負(fù)著向鐵路車站和沿線的全部非牽引電氣設(shè)備（包括動(dòng)力和照明）供電，對(duì)供電可靠性要求非常高。10 kV配電系統(tǒng)采用中性點(diǎn)不接地方式運(yùn)行，即中性點(diǎn)對(duì)地絕緣，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行方便，不需任何附加設(shè)備。這種不接地方式的優(yōu)點(diǎn)是發(fā)生單相接地故障后，一般不會(huì)破壞系統(tǒng)的對(duì)稱性，可以帶故障連續(xù)繼續(xù)運(yùn)行1～2 h，從而獲得排除故障時(shí)間，相對(duì)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(jīng)濟(jì)林木（桉樹）種植區(qū)，受南方臺(tái)風(fēng)氣候或人為砍伐不當(dāng)影響，經(jīng)濟(jì)林木經(jīng)常倒壓在鐵路電力線路上，造成斷桿斷線，搶通難度大，嚴(yán)重干擾了正常的運(yùn)輸生產(chǎn)。同時(shí)，因經(jīng)濟(jì)林木數(shù)量多及當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的阻礙，砍伐極其困難。相對(duì)架空線方式，電力電纜具有占地少、受外力破壞?。ㄈ瑛B害、機(jī)械碰撞等）、抗擊自然災(zāi)害能力強(qiáng)（如雷擊、風(fēng)害、覆冰等）、運(yùn)行可靠、供電安全、不需頻繁巡檢、維護(hù)工作量少等優(yōu)點(diǎn)。因此，南寧鐵路局從2007年開始，下達(dá)專項(xiàng)資金對(duì)黎湛鐵路貫通（自閉）線樹害嚴(yán)重地區(qū)進(jìn)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(huán)境影響。但改造后架空線電纜混合電力線路相間及相對(duì)地電容電流顯著地加大了配電系統(tǒng)的電容電流，為此，研究如何對(duì)黎湛鐵路架空線電纜混合電力線路電容電流進(jìn)行合理補(bǔ)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(wěn)定運(yùn)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(duì)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(tǒng)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(huì)引起操作過電壓。

2）線路電容電流增大，超出了隔離開關(guān)分段能力，不利于快速分段查找故障。

3）發(fā)生單相接地時(shí)，接地電弧不易自行熄滅，容易造成相間短路，引起故障擴(kuò)大，降低供電可靠性；尤其是黎湛鐵路三芯電纜和架空結(jié)合的混合線路，架空線路通過林區(qū)遇刮風(fēng)、下雨時(shí)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(shí)易發(fā)生電弧接地過電壓，非故障相過電壓可達(dá)正常相電壓的3.5倍，使整個(gè)配電系統(tǒng)內(nèi)絕緣薄弱設(shè)備放電擊穿，造成設(shè)備損壞。

5）電容電流過大導(dǎo)致系統(tǒng)的功率因數(shù)降低。一方面使供電系統(tǒng)內(nèi)的電氣設(shè)備容量不能得到充分利用，另一方面增加電網(wǎng)中輸電線路上的有功功率損耗，增加鐵路電費(fèi)成本支出。

2 電容電流分析

由于電力電纜相間及相對(duì)地電容電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(qū)段電容電流，既有架空線路電容電流忽略不計(jì)。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(duì)鉛包的電容，Cx（F/km）為芯對(duì)芯間的電容，則一芯對(duì)中性點(diǎn)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(duì)地的電容電流（Icy）導(dǎo)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(zhǎng)度（kM）；

ω為角速度（ω=2πf=314）；

Uφ為相電壓（V）。

當(dāng)電力電纜線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，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(duì)地電容Cy和線間電容3Cx近似相等，即Cy≈3Cx，對(duì)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(bǔ)償原理分析

《鐵路電力設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10008-2006）規(guī)定，電力電纜線路電流值超過隔離開關(guān)的分合能力時(shí)，宜采用并聯(lián)電抗器進(jìn)行補(bǔ)償，容性電流的補(bǔ)償度宜在50%～75%的范圍內(nèi)。鑒于補(bǔ)償電抗器既要補(bǔ)償電纜線路正常工況電容電流（Ic0），又要補(bǔ)償單相接地故障時(shí)電容電流（ICD），三相補(bǔ)償電抗器選擇Y型接線方式進(jìn)行補(bǔ)償，并在黎湛鐵路沿線分散設(shè)置增強(qiáng)補(bǔ)償效果〔6，7〕。

電力電纜線路安裝三相并聯(lián)電抗器補(bǔ)償后，正常工況下的電流分布如圖4所示。

圖4 補(bǔ)償后正常電流分布

在正常工況下電抗器產(chǎn)生的補(bǔ)償電流IL與Ic0方向相反，補(bǔ)償后的殘流為Ic0-IL。裝設(shè)補(bǔ)償電抗器后，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，非接地故障相由線電壓產(chǎn)生補(bǔ)償電流電流分布如圖5所示。則流過接地點(diǎn)的補(bǔ)償電流為方向與接地相的始端電容電流ICD相反，補(bǔ)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(chǎn)生振蕩，不宜選用。一般電抗器補(bǔ)償采用ILD-ICD＜0，線路呈容性，適當(dāng)補(bǔ)償電纜線路中電容電流，同時(shí)防止保護(hù)及斷路器誤動(dòng)〔8〕。

圖5 補(bǔ)償后單相接地故障電流分布

4 實(shí)例計(jì)算

根據(jù)以上對(duì)電纜電容電流及電抗器補(bǔ)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(yīng)根據(jù)貫通（自閉）線架空線改電纜長(zhǎng)度，在適當(dāng)位置設(shè)置三相補(bǔ)償電抗器，使貫通（自閉）線電容電流得到適當(dāng)補(bǔ)償。以黎湛鐵路河唇配至文里配貫通（自閉）線為例，兩個(gè)配電所之間供電臂長(zhǎng)約51.5 km，樹害嚴(yán)重地區(qū)架空線改電纜完成9.58 km，如圖6所示。

根據(jù)廠家提供型號(hào)為YJLV22-3*95電纜參數(shù)：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(bǔ)償度75%補(bǔ)償，最佳補(bǔ)償電流應(yīng)為75%Ic0=8.75=6.56 A。經(jīng)計(jì)算，該區(qū)段共需設(shè)3組補(bǔ)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(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10008-2006）8.4.5條規(guī)定。因此該區(qū)段架空線改電纜后應(yīng)在電力線路上安裝3組BKS-38/10戶外高壓油侵式補(bǔ)償電抗器，考慮電力電纜改造位置及補(bǔ)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(bǔ)償〔9，10〕。

圖6 河唇配至文里配架空線電纜混合線路

5 結(jié)論

本文對(duì)黎湛鐵路架空線電纜混合電力線路中電容電流進(jìn)行分析，并提出改進(jìn)措施，以河唇配至文里配為例進(jìn)行補(bǔ)償容量計(jì)算，在電纜改造位置分散安裝并聯(lián)補(bǔ)償電抗器。實(shí)施效果證明，安裝補(bǔ)償電抗器提高了配電所功率因數(shù)，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(bǔ)償電抗器將成為解決配電系統(tǒng)電容電流的重要措施，對(duì)提高鐵路電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)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(yīng)用。

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

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

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

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

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

〔6〕TB100008-2006，鐵路電力設(shè)計(jì)規(guī)范〔S〕.中國(guó)鐵道出版社，2007.

〔7〕王學(xué)明.并聯(lián)電抗器在長(zhǎng)電纜電力貫通線電容電流補(bǔ)償中的應(yīng)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(lián)電抗器補(bǔ)償方式研究〔J〕.鐵道工程學(xué)報(bào)，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(bǔ)償度研究〔J〕.鐵道學(xué)報(bào)，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(tǒng)自動(dòng)化，2010，34（3）：112-114.

U228.4

B

1006-8686（2015）0009-03