牵引供电系统区间串联补偿装置分析

2010-06-22杨建华

电气化铁道 2010年1期

杨建华，向伟

0 引言

近年来，随着我国国民经济的快速增长和铁路事业的飞速发展，车流密度和载重量显著增加。当牵引供电系统某供电区间运行机车比较多或负荷较大时，牵引网上电压迅速下降，末端电压甚至低于机车允许的最低电压，严重影响着电力机车的正常运行。山区既有电气化铁道扩能改造逐步上马，而增设区间串联电容补偿（下文简称串补）装置是改善牵引网末端电压过低的有效办法。

1 区间串补提高牵引网末端电压

牵引供电回路抗雷圈、牵引网等属于电阻性和电感性元件（设为R，XL），因此当有牵引负荷（负荷电流设为I，电力机车在牵引供电系统中的功率因数角设为φ2）经由牵引变电所馈线的抗雷圈、供电线、接触网至机车受电弓受电时，会产生电压降U1，造成电压损失，当牵引供电系统某供电区间运行机车比较多或负荷较大时，电力机车受电电压将难以达到技术要求。

未设区间串补装置时的电压损失为

在牵引网区间设置串补装置（设为XC），可减少供电回路电压损失，提高牵引网电力机车受电电压，如图1所示。

设有串补装置时的电压损失为

由于牵引供电回路设有区间串补装置时的电压损失ΔU2比未设区间串补装置时的电压损失ΔU1明显减小，因此，串补装置接入供电臂能直接有效地减小牵引供电系统电压损失，提高接触网电压水平，并能改善牵引供电系统功率因数。

图1 设置区间串补装置时牵引供电示意图

2 串补装置主接线及运行方式

2.1 区间串补装置的构成及主接线图

区间串补装置包括：集合式电容器C、串补旁路隔离开关1QS、串补进出线双极隔离开关2QS、串补旁路断路器QF、放电间隙FJ、旁路开关S、阻尼电抗器L、馈线电压互感器TV、避雷器1F/2F。其主接线图见图2所示。

图2 区间串补装置主接线图

2.2 变电所串补装置的构成及主接线图

变电所串补装置包括：馈线断路器1QF/2QF、馈线隔离开关3QS、集合式电容器C、串补旁路隔离开关1QS、串补进出线双极隔离开关2QS、串补旁路断路器QF、放电间隙FJ、间隙电流互感器TA、阻尼电阻器R、阻尼电抗器L、馈线电压互感器TV。其主接线图见图3所示。

图3 变电所串补装置主接线图

2.3 区间串补装置的运行状态分析

区间串补装置在投入状态时，1QS在分断位置，2QS在闭合位置，QF在分断位置；而区间串补装置在退出状态时，1QS在闭合位置，2QS在分断位置，QF在闭合位置。

2.4 区间串补隔离开关闭锁关系

（1）必须在2QS、QF均为闭合状态时才能对1QS进行分合闸操作。

（2）必须在1QS、QF均为闭合状态时才能对2QS进行分合闸操作。

（3）区间串补允许在接触网带电但不带负荷的状态下，对区间串补装置进行投入、退出操作。

3 区间串补的保护

3.1 区间串补保护组成

串补放电保护系统由放电间隙 FJ、阻尼电抗器 L、旁路开关 S构成（见图 4）。因区间串补装置在牵引供电系统供电区间为室外布置，为了减小保护系统的复杂性，该装置采用由放电间隙自动控制的旁路开关实现过电压保护。

图4 区间串补保护系统组成示意图

3.2 区间串补保护过程

（1）当接触网末端至区间串补间出现故障时，电容器两端电压超过额定电压的2.5倍，这时放电间隙FJ被击穿，旁路开关S自动闭合（当旁路开关线圈M1、M2流过的接触网故障电流与电容器放电电流大于400 A时，K闭合，旁路放电间隙FJ与线圈M2；旁路开关额定耐受短路电流能力为10 kA，0.25 s。）

（2）当电容器放电后且接触网瞬间故障消失或馈线断路器跳闸，则旁路开关（在M1线圈电流小于200 A时）自动分断将电容器串联投入使用。

3.3 保护放电间隙的组成及技术要求

放电间隙由 3个石墨球组成的 1个触发间隙（启动间隙）和1个主间隙（燃烧间隙）构成。

图5 保护放电间隙组成示意图

设置触发电路板由触发极输出不小于 10 kV高压连续触发脉冲，启动触发间隙。确保间隙击穿电压离散度小于±5%。

保护放电间隙的技术参数：间隙击穿电压启动值取2.5倍串联电容器组额定电压。

4 2种串补装置的区别

4.1 设置位置及作用范围不同

区间串补装置在牵引变电所的供电臂的区间（基本上在供电臂的中间），补偿范围是区间串联补偿至供电臂的末端。而变电所串补装置在牵引变电所内的供电馈出线起点处，作用范围为整个供电臂，补偿距离是区间串补的2倍。当供电臂末端上的机车数量过多或载重量过大时，变电所串补装置因补偿线路过长接触网的末端电压很难达到提高机车运行质量的要求。

4.2 保护过程不同

区间串补因条件限制，保护方式为一次设备过电流保护，不设置综合自动化系统。变电所串联补偿可通过综合自动化系统实现保护。

变电所串联补偿保护系统由放电间隙 FJ、间隙电流互感器TA、阻尼电阻器R、阻尼电抗器L、旁路断路器QF和微机电容器保护装置构成。其保护过程是：当接触网故障、电容器两端电压超过额定电压2.5倍时，放电间隙FJ击穿、间隙电流互感器TA流过接触网故障电流及电容器放电电流—微机电容器保护装置保护出口—旁路断路器QF闭合：旁路放电间隙、可承受接触网故障电流并构成可靠的电容器放电回路—经延时4 s（可设以躲开馈线重合闸为基准）检测馈线断路器为合闸位置，则分断旁路断路器QF、自动将电容器串联投入使用，否则旁路断路器将保持合闸位置；经延时25 s馈线断路器若一直未重合成功，则不再自动分断旁路断路器QF（在接触网故障、而电容器两端电压未达到额定电压2.5倍时，馈线断路器已保护跳闸，则串补放电保护系统无须动作）。

5 区间串补的使用效果

现以南昆线斑猫箐区间串补为例说明其对牵引网电压的作用。

南昆线斑猫箐区间串补所设置在石林南变电所 B相（石林南—宜良北）供电臂上。斑猫箐串补装置所在供电臂的电气参数：最小运行方式牵引网末端短路电流 IG为 1 773 A；牵引负荷阻抗角36.87°，功率因数cosφ2为0.8，区间串补最大负荷电流 Im设为 600 A，串联电容器额定容量 Qc为1 800 kvar、额定电压Uc为3 kV、额定电流Ic为602 A；区间串补放电间隙击穿电压为电容额定电压的2.5倍，则击穿电压为7.5 kV。