电缆线路并联补偿电抗器合分闸暂态研究

孙彰林

0 引言

为保证工程不受恶劣自然气候的影响，提高供电的可靠性，客运专线铁路电力供电系统一般采用全电缆供电线路。而电缆线路的容性容量远高于架空线路，在长距离送电时，电容效应将导致功率因数为负值或引起电压大幅升高，降低系统供电质量，甚至威胁设备安全。这种情况下，一般采用设置并联补偿电抗器的措施，以抑制电缆线路的电容效应，使系统绝缘水平、电压水平、功率因数等指标满足规程规范要求。但是，在设置有并联补偿电抗器的电力供电系统中，需对合分闸并联电抗器时的暂态绝缘水平进行研究。

1 问题的提出

根据典型客运专线电力供电假设模型（图1），利用 ATP-EMTP电磁暂态仿真计算程序对电容效应进行模拟计算，得到计算结果：当供电线路不设置并联补偿电抗器时，正常供电方向末端电压和支援供电方向末端电压升高分别为7.63%和7.56%，远高于《铁路电力设计规范》（TB10008-2006）中规定的限制值5%；当线路首末端均设置100 kVar电抗器后，供电线路电压升高现象明显改善，电压升高分别降低为1.84%和1.81%，满足设计规范的要求。因此，通过并联补偿电抗器的方式来抑制电缆供电线路的电容效应，取得了明显的效果。

图1 电力供电模型图

在设置有并联补偿电抗器的电力供电系统中，合分闸并联电抗器时操作的是感性负载，由于工作状态发生突变，将产生充电再充电或能量转换的过渡过程，电压的强制分量叠加以暂态分量形成操作过电压。而真空开关因其高速灭弧能力，在切断电路时，往往在电流过零前被强行开断，在断弧瞬间储藏在负载内的电感与电容之间的电磁能量转换将在负载上产生过电压。该过电压幅值高，上升陡度快，频率高，无疑会对电抗器的绝缘水平造成极大威胁。因此，在工程实际应用中，采用ATP-EMTP电磁暂态仿真计算程序对合分闸并联电抗器的暂态进行模拟计算，通过对模拟计算结果进行分析后，采取措施对并联补偿电抗器的操作过电压进行抑制，以提高系统供电的安全性和可靠性。

2 合闸电抗器模拟计算

当开关合闸并联补偿电抗器时，可能会在电抗器上产生较大数值的合闸涌流。通过对电抗器合闸回路进行求解可以得出，该电流值是由一个稳态分量（电抗器的额定运行分量）和一个按指数规律衰减的暂态分量（衰减由电抗器合闸回路时间常数决定）组成。对于已确定的电抗器，其合闸涌流的大小取决于负荷开关的合闸相角α。当α = 0时，即在电源电压过零点的瞬间开关合闸，电流的暂态分量最大，当ωt =180°时，电流出现最大值。如果向空载线路合闸电抗器，在电抗器上产生的合闸涌流较负载时更为严重。

按照图1所示的电力供电模型，假设配电所1由配电所2供电，线路空载运行，计及500 pF的电抗器杂散电容，并考虑三相合闸的不同期性。在电源电压过零时刻，分别合闸首末端电抗器，通过ATP-EMTP电磁暂态仿真计算程序进行模拟计算，计算结果见表1。

表1 合闸电抗器暂态计算结果表

同时，仿真模拟计算还给出了合闸首端电抗器时，线路首末端的电压波形（图2和图3）和线路首末端电抗器的电流波形（图4和图5）。

图2 线路首端电压波形图

图3 线路末端电压波形图

图4 线路首端电抗器电流波形图

图5 线路末端电抗器电流波形图

通过仿真模拟计算结果可以看出，合闸并联电抗器时，首端电抗器合闸涌流最大为28.5 A，为额定电流值8.55 A的3.33倍。开关对电抗器的合闸操作不会对系统产生过电压。

3 分闸电抗器模拟计算

在电力供电系统中，当开关分闸并联补偿电抗器时，由于开关强制熄弧（截流）而产生高幅值的过电压。

同样按照图1所示电力供电模型，假设配电所1由配电所2供电，线路空载运行，线路首末端电抗器均投入，开关分闸首端电抗器，开关分闸截流取0.5 A并计及500 pF的电抗器杂散电容，通过ATP-EMTP电磁暂态计算程序进行模拟计算，计算结果见表2。

表2 分闸首端电抗器暂态计算结果表

同时，模拟计算程序还给出了分闸首端电抗器时，首端电抗器的电压波形（图6）和线路首末端电抗器的电流波形（图7和图8）。

图6 线路首端电抗器电压波形图

图7 线路首端电抗器电流波形图

图8 线路末端电抗器电流波形图

通过模拟计算结果可以看出，分闸首端电抗器时，电抗器上的过电压倍数为4.89 p.u.，且需经过近1 s的时间，过电压倍数才降至1.00 p.u.，超过了设备的承受能力。

4 增设避雷器后分闸电抗器模拟计算

通过以上模拟计算可以看出，分闸并联补偿电抗器时，产生的过电压超过了设备的承受能力。因此，有必要采取措施限制分闸并联电抗器的操作过电压。在工程实施中，一般有以下几种方法：（1）选用带分闸并联电阻的断路器；（2）在开关与并联电抗器之间装设避雷器；（3）在并联电抗器前不装设开关，把并联电抗器视作线路的一部分。

根据客运专线电力供电线路实际运行情况，一般选择方法（2），在开关与电抗器之间装设一组氧化锌避雷器，限制分闸并联电抗器的操作过电压。

因此，在开关与电抗器之间装设氧化锌避雷器后，通过 ATP-EMTP电磁暂态计算程序进行模拟计算，计算结果见表3所示。

同时，在装设氧化锌避雷器后，模拟程序还给出了分闸首端电抗器时，首端电抗器的电压波形，见图9所示。

表3 分闸首端电抗器暂态计算结果表

图9 线路首端电抗器电压波形图（装设避雷器）

由模拟计算结果可以看出，在装设氧化锌避雷器后，分闸首端电抗器时，电抗器上的过电压倍数为4.01p.u.，但在近0.1 s内，电抗器上的过电压倍数便降至1.00 p.u.以内，处于设备的过电压承受能力范围之内。

5 结论

（1）客运专线电力供电系统采用长大电缆供电线路时，为补偿电缆线路的容性无功，需在线路上装设固定并联电抗器。

（2）合闸并联电抗器时不会对系统产生操作过电压，且合闸涌流也在设备可承受范围之内。

（3）分闸并联电抗器时产生的操作过电压超出了电抗器的承受范围，通过在开关及电抗器之间装设氧化锌避雷器，可将操作过电压抑制在设备可承受范围之内。

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