电铁串联电容补偿装置短路过渡过程分析

魏存祥，陈 飞

0 引言

电气化铁道接触网单位阻抗大，当供电臂较长、机车负荷较大时，往往在接触网末端造成电压水平过低，影响列车的安全运行。采用在接触网回路中串联电容器组改变线路参数的方式可提高接触网末端网压，且具有负荷越大，补偿电压越髙的自动补偿特性，在电气化铁道牵引供电系统中得到广泛应用。

1 结构原理

电气化铁道用串联电容补偿装置（以下简称串补装置）由串联电容器组和成套保护设备2部分组成，结构原理如图1。C为串联电容器组，右侧的JX，DL，R，L组成串联电容器组的成套保护设备（以下简称为串补保护设备），其作用是避免串联电容器组因过电压绝缘击穿而损坏，其工作过程如下：当串补装置通过穿越性短路电流时，短路电流一般为电容器组额定电流的数倍，可在电容器组两端产生数倍电容器组额定电压的过电压，此时，串补保护设备的放电间隙（JX）被击穿，放电间隙与并联在一起的限流电阻（R）、限流电抗（L）相串联接入电容器组两端，与电容器组并联承受穿越性短路电流，并构成电容器组限流放电回路，使电容器组端电压迅速下降。同时串补保护设备使断路器（DL）合闸，旁路放电间隙，使放电间隙的电弧熄灭；待接触网馈线断路器保护动作切断短路电流后，旁路断路器经延时（可调定）在无电流情况下分闸，串补保护设备复归原况。

图1 电气化铁道用串补装置原理图

由此可见，串补保护设备各组成单元（JX，DL，R，L）在正常工况下并不通过电流，一旦串联电容器组出现过电压，则串补保护设备启动，串补保护设备各组成单元将承受串补装置短路过渡过程引发的髙电压，大电流。因此，在实际工程中，串补保护设备技术参数的确定，包括型式试验的技术参数选择，与一般电器设备截然不同，不应采用稳态值，而应采用瞬态最大值。

在电气化铁道串补装置的工程设计和应用测试中，笔者发现基于运营安全方面的考虑，很多牵引变电所的串联电容器组容量选择过大，不仅造成投资浪费，而且很难保证正常运行时对电压的补偿要求。因此，笔者对电气化铁道串补装置进行模拟计算，并给出仿真波形，为工程设计和产品选型提供参考依据。

2 计算及仿真

2.1 计算条件选择

选择串补装置的计算条件，力求涵盖大多数工程设计。

（1）最大故障（穿越短路）电流为8 kA。在本文中，设定牵引变电所主变压器为 Ynd-1l三相变压器，容量为40 000 kV·A，短路阻抗10.5%，不考虑电力系统阻抗，出口三相短路电流为7 998 A，取整为8 kA。

（2）串联电容器组额定电流为1 200 A。该数值依实际安装的串联电容器组额定电流而定。在本文中，按可能设计确定的较大串联电容器组额定电流计算。并根据GB/T6115的规定：电容器可承受每2 h出现10 min的过负荷倍数为1.5倍，这样，设定电容器组额定电流1 200 A，可承受10 min的1 800 A的牵引负荷电流，相当于6.7台SS3型电力机车同时启动电流。

（3）串联电容器组额定电压为4 kV。该数值依实际安装的串联电容器组额定电压而定。在本文中，按可能设计确定的较大串联电容器组额定电压计算。

（4）串联电容器组等效容抗为 3.33 Ω（C=0.956 mF）。

（5）限流阻尼电抗值为0.3 mL。

（6）限流阻尼电阻值为0.666 Ω。

（7）放电间隙动作电压为2.5UC= 10 kV。

2.2 计算及仿真

假定条件：短路发生前，串联电容器组电压忽略不计。

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接触网发生短路后，短路电流流过串联电容器组，对串联电容器组充电，电压达到放电间隙启动电压时，串补保护设备动作。整个短路过渡过程分析计算如下：

（1）不考虑短路电流影响，在放电间隙击穿瞬间，串联电容器组通过放电间隙放电电流。其等效电路如图2所示。

图2 串联电容器组放电等效电路图

有如下关系：

有KCL方程：iC=iL+iR，即：

将L、R、C的值代入式（1）—式（4），解上述方程，得

式中，衰减系数∂= -785.304；固有振荡角频率

可计算出通过电抗L的放电电流：

通过电阻R的放电电流

通过电容器组的放电电流：

（2）接触网短路且放电间隙击穿时，稳态短路电流在电容C、电抗L、电阻R并联回路中的分配。

在间隙击穿瞬间，等效电容和电阻、电抗形成并联回路，在工频情况下，短路等效电路图如图3所示，短路电流分配如下：

式中，Ik为接触网外部短路稳态总电流。

由此可见，放电间隙击穿后，通过串联电容器组的短路电流很小，仅占稳态短路电流的 2.4%，在仿真计算时，假设串补装置的外部短路电流全部流过放电间隙。这样，流过放电间隙的全部电流包括串联补偿电容器组的放电电流和外部短路电流（不考虑短路电流的非周期分量）。

流过放电间隙的全部电流：

流过电阻的全部电流：

流过电抗的全部电流：

通过仿真分析：在α取π/2时，iJL达最大值。

图3 短路等效电路图

（3）接触网短路时，各元件短路电流分配仿真分析。通过上述计算，采用MATLAB软件进行短路分析，得出通过放电间隙最大短路电流仿真波形和对应的电阻、电抗器短路电流仿真波形如图4所示。

从图 4可以得出，串补装置外部接触网短路时，串联电容器组放电电流一般时间较短，约5 ms即完成放电。在5 ms之后，短路电流趋于稳态，稳态短路电流基本上全部通过电抗器流过。

图4 外部短路通过串补保护设备元件的最大电流仿真图

3 结论

综上所述，可得出以下结论：

（1）由于电弧电阻远大于断路器的回路电阻，因此在设备选型时，对于旁路断路器，主要考虑其关合短路电流和热稳定校验，而不需要考虑动稳定校验和开断能力。但由于断路器的固有动作时间远远大于放电时间（5 ms），因此旁路断路器的关合短路电流能力主要按照稳态短路电流计算。

（2）对于限流电阻，只需考虑其5 ms的瞬时短路电流通过能力。

（3）对于限流电抗器选型，则需要考虑动稳定及热稳定。

（4）对于电气化铁道串补装置来说，外部短路时串联电容器组放电时间与电容、电阻和电感的选择有关，但总体差别不大。上述结论一般都是成立的。

希望本文所述分析过程和结论能在串联电容补偿装置的保护设备的设计选型方面提供一些参考。

[1]周开利，邓春辉.MATLAB基础及应用[M].北京：北京大学出版社.

[2]邱关源.电路分析[M].西安：西安交通大学大出版社.