孫彰林
為保證工程不受惡劣自然氣候的影響,提高供電的可靠性,客運(yùn)專線鐵路電力供電系統(tǒng)一般采用全電纜供電線路。而電纜線路的容性容量遠(yuǎn)高于架空線路,在長距離送電時(shí),電容效應(yīng)將導(dǎo)致功率因數(shù)為負(fù)值或引起電壓大幅升高,降低系統(tǒng)供電質(zhì)量,甚至威脅設(shè)備安全。這種情況下,一般采用設(shè)置并聯(lián)補(bǔ)償電抗器的措施,以抑制電纜線路的電容效應(yīng),使系統(tǒng)絕緣水平、電壓水平、功率因數(shù)等指標(biāo)滿足規(guī)程規(guī)范要求。但是,在設(shè)置有并聯(lián)補(bǔ)償電抗器的電力供電系統(tǒng)中,需對(duì)合分閘并聯(lián)電抗器時(shí)的暫態(tài)絕緣水平進(jìn)行研究。
根據(jù)典型客運(yùn)專線電力供電假設(shè)模型(圖1),利用 ATP-EMTP電磁暫態(tài)仿真計(jì)算程序?qū)﹄娙菪?yīng)進(jìn)行模擬計(jì)算,得到計(jì)算結(jié)果:當(dāng)供電線路不設(shè)置并聯(lián)補(bǔ)償電抗器時(shí),正常供電方向末端電壓和支援供電方向末端電壓升高分別為7.63%和7.56%,遠(yuǎn)高于《鐵路電力設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10008-2006)中規(guī)定的限制值5%;當(dāng)線路首末端均設(shè)置100 kVar電抗器后,供電線路電壓升高現(xiàn)象明顯改善,電壓升高分別降低為1.84%和1.81%,滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。因此,通過并聯(lián)補(bǔ)償電抗器的方式來抑制電纜供電線路的電容效應(yīng),取得了明顯的效果。
圖1 電力供電模型圖
在設(shè)置有并聯(lián)補(bǔ)償電抗器的電力供電系統(tǒng)中,合分閘并聯(lián)電抗器時(shí)操作的是感性負(fù)載,由于工作狀態(tài)發(fā)生突變,將產(chǎn)生充電再充電或能量轉(zhuǎn)換的過渡過程,電壓的強(qiáng)制分量疊加以暫態(tài)分量形成操作過電壓。而真空開關(guān)因其高速滅弧能力,在切斷電路時(shí),往往在電流過零前被強(qiáng)行開斷,在斷弧瞬間儲(chǔ)藏在負(fù)載內(nèi)的電感與電容之間的電磁能量轉(zhuǎn)換將在負(fù)載上產(chǎn)生過電壓。該過電壓幅值高,上升陡度快,頻率高,無疑會(huì)對(duì)電抗器的絕緣水平造成極大威脅。因此,在工程實(shí)際應(yīng)用中,采用ATP-EMTP電磁暫態(tài)仿真計(jì)算程序?qū)戏珠l并聯(lián)電抗器的暫態(tài)進(jìn)行模擬計(jì)算,通過對(duì)模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析后,采取措施對(duì)并聯(lián)補(bǔ)償電抗器的操作過電壓進(jìn)行抑制,以提高系統(tǒng)供電的安全性和可靠性。
當(dāng)開關(guān)合閘并聯(lián)補(bǔ)償電抗器時(shí),可能會(huì)在電抗器上產(chǎn)生較大數(shù)值的合閘涌流。通過對(duì)電抗器合閘回路進(jìn)行求解可以得出,該電流值是由一個(gè)穩(wěn)態(tài)分量(電抗器的額定運(yùn)行分量)和一個(gè)按指數(shù)規(guī)律衰減的暫態(tài)分量(衰減由電抗器合閘回路時(shí)間常數(shù)決定)組成。對(duì)于已確定的電抗器,其合閘涌流的大小取決于負(fù)荷開關(guān)的合閘相角α。當(dāng)α = 0時(shí),即在電源電壓過零點(diǎn)的瞬間開關(guān)合閘,電流的暫態(tài)分量最大,當(dāng)ωt =180°時(shí),電流出現(xiàn)最大值。如果向空載線路合閘電抗器,在電抗器上產(chǎn)生的合閘涌流較負(fù)載時(shí)更為嚴(yán)重。
按照?qǐng)D1所示的電力供電模型,假設(shè)配電所1由配電所2供電,線路空載運(yùn)行,計(jì)及500 pF的電抗器雜散電容,并考慮三相合閘的不同期性。在電源電壓過零時(shí)刻,分別合閘首末端電抗器,通過ATP-EMTP電磁暫態(tài)仿真計(jì)算程序進(jìn)行模擬計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見表1。
表1 合閘電抗器暫態(tài)計(jì)算結(jié)果表
同時(shí),仿真模擬計(jì)算還給出了合閘首端電抗器時(shí),線路首末端的電壓波形(圖2和圖3)和線路首末端電抗器的電流波形(圖4和圖5)。
圖2 線路首端電壓波形圖
圖3 線路末端電壓波形圖
圖4 線路首端電抗器電流波形圖
圖5 線路末端電抗器電流波形圖
通過仿真模擬計(jì)算結(jié)果可以看出,合閘并聯(lián)電抗器時(shí),首端電抗器合閘涌流最大為28.5 A,為額定電流值8.55 A的3.33倍。開關(guān)對(duì)電抗器的合閘操作不會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生過電壓。
在電力供電系統(tǒng)中,當(dāng)開關(guān)分閘并聯(lián)補(bǔ)償電抗器時(shí),由于開關(guān)強(qiáng)制熄弧(截流)而產(chǎn)生高幅值的過電壓。
同樣按照?qǐng)D1所示電力供電模型,假設(shè)配電所1由配電所2供電,線路空載運(yùn)行,線路首末端電抗器均投入,開關(guān)分閘首端電抗器,開關(guān)分閘截流取0.5 A并計(jì)及500 pF的電抗器雜散電容,通過ATP-EMTP電磁暫態(tài)計(jì)算程序進(jìn)行模擬計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見表2。
表2 分閘首端電抗器暫態(tài)計(jì)算結(jié)果表
同時(shí),模擬計(jì)算程序還給出了分閘首端電抗器時(shí),首端電抗器的電壓波形(圖6)和線路首末端電抗器的電流波形(圖7和圖8)。
圖6 線路首端電抗器電壓波形圖
圖7 線路首端電抗器電流波形圖
圖8 線路末端電抗器電流波形圖
通過模擬計(jì)算結(jié)果可以看出,分閘首端電抗器時(shí),電抗器上的過電壓倍數(shù)為4.89 p.u.,且需經(jīng)過近1 s的時(shí)間,過電壓倍數(shù)才降至1.00 p.u.,超過了設(shè)備的承受能力。
通過以上模擬計(jì)算可以看出,分閘并聯(lián)補(bǔ)償電抗器時(shí),產(chǎn)生的過電壓超過了設(shè)備的承受能力。因此,有必要采取措施限制分閘并聯(lián)電抗器的操作過電壓。在工程實(shí)施中,一般有以下幾種方法:(1)選用帶分閘并聯(lián)電阻的斷路器;(2)在開關(guān)與并聯(lián)電抗器之間裝設(shè)避雷器;(3)在并聯(lián)電抗器前不裝設(shè)開關(guān),把并聯(lián)電抗器視作線路的一部分。
根據(jù)客運(yùn)專線電力供電線路實(shí)際運(yùn)行情況,一般選擇方法(2),在開關(guān)與電抗器之間裝設(shè)一組氧化鋅避雷器,限制分閘并聯(lián)電抗器的操作過電壓。
因此,在開關(guān)與電抗器之間裝設(shè)氧化鋅避雷器后,通過 ATP-EMTP電磁暫態(tài)計(jì)算程序進(jìn)行模擬計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見表3所示。
同時(shí),在裝設(shè)氧化鋅避雷器后,模擬程序還給出了分閘首端電抗器時(shí),首端電抗器的電壓波形,見圖9所示。
表3 分閘首端電抗器暫態(tài)計(jì)算結(jié)果表
圖9 線路首端電抗器電壓波形圖(裝設(shè)避雷器)
由模擬計(jì)算結(jié)果可以看出,在裝設(shè)氧化鋅避雷器后,分閘首端電抗器時(shí),電抗器上的過電壓倍數(shù)為4.01p.u.,但在近0.1 s內(nèi),電抗器上的過電壓倍數(shù)便降至1.00 p.u.以內(nèi),處于設(shè)備的過電壓承受能力范圍之內(nèi)。
(1)客運(yùn)專線電力供電系統(tǒng)采用長大電纜供電線路時(shí),為補(bǔ)償電纜線路的容性無功,需在線路上裝設(shè)固定并聯(lián)電抗器。
(2)合閘并聯(lián)電抗器時(shí)不會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生操作過電壓,且合閘涌流也在設(shè)備可承受范圍之內(nèi)。
(3)分閘并聯(lián)電抗器時(shí)產(chǎn)生的操作過電壓超出了電抗器的承受范圍,通過在開關(guān)及電抗器之間裝設(shè)氧化鋅避雷器,可將操作過電壓抑制在設(shè)備可承受范圍之內(nèi)。
[1] TB10008-2006 鐵路電力設(shè)計(jì)規(guī)范[S].
[2] 周凡.石太客運(yùn)專線電纜貫通線路補(bǔ)償和接地方案研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2009,(12):65-67.
[3] 劉卓輝.鐵路貫通電纜容性參數(shù)及仿真的研究[J].電氣化鐵道,2009,(2):5-9.
[4] 廖芳芳.鄭西客運(yùn)專線全電纜貫通線路的研究與設(shè)計(jì)[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2010,(4):71-75.