并聯電抗器在長電纜電力貫通線電容電流補償中的應用

王學明 合寧鐵路有限公司

為提高對鐵路沿線用電負荷的供電可靠性，在鐵路沿線每40km～70km設置一座變、配電所，兩變、配電所間沿鐵路以電線路相連，該線路稱為電力貫通線。每條貫通線可分別由其兩端的變、配電所供電，通常一端主供，另一端備用。

1 問題的提出

配電線路按結構可分為兩大類：架空線路和電纜線路。長期以來，我國鐵路電力貫通線大都以架空為主。隨著國民經濟和城鎮建設的快速發展，使得架空電線路路徑受環境限制越來越大。加上電纜線路具有受環境影響小、安全性好、供電可靠性高、不占地面與空間、不暴露目標、美化城市環境等一系列優點，電纜在鐵路電力貫通線中比例不斷上升。在鐵路客運專線電力系統中，甚至采用了全電纜電力貫通線。

電纜具有較大的相間及相對地電容，故在正常運行和單相接地時，都有電容電流流過線路。與架空線路相比，電纜線路對地電容是架空線路的幾十倍。電纜比例的提高，甚至采用全電纜線路，顯著加大了供電系統的電容電流。

電容電流增大存在一系列弊端，主要有：

(1)正常情況下，長距離線路空載末端電壓超出額定電壓，空載切除線路會引起操作過電壓。

(2)電容電流增大，超出了隔離開關分段能力，不利于快速分段查找故障。

(3)發生單相接地時，接地電弧不易自行熄滅，容易造成相間短路，降低供電可靠性。

(4)單相接地故障易發生電弧接地過電壓。在一個工頻周期內，健全相過電壓可達正常相電壓的2.5倍～3.5倍，使系統內絕緣薄弱的設備被放電擊穿，造成設備損壞。

(5)電容電流過大與感性電流過大一樣，將導致系統的功率因數降低。一方面使供電系統內的電氣設備容量不能得到充分利用，另一方面增加電網中輸電線路上的有功功率損耗，還會增加用電企業的電費支出。

因此，合理補償電纜線路的電容電流，成為保證長電纜電力貫通線安全、穩定運行的關鍵。

2 電容電流的補償

2.1 補償原理

由電工學原理知道，在交流電路中，電感元件總是阻礙通過其電流的變化，使得電流滯后于電壓；電容元件總是阻礙其電壓的變化，使得電壓滯后于電流。純電感負荷L中的電流iL滯后端電壓90°，而電容C中的電流iC則超前端電壓90°，所以，電容器中的電流與電感負荷中的電流在相位上相差180°。如圖1，如果在電容兩端并聯電感，由于電感中的電流方向與電容中電流方向相反，就能減少接地電流，甚至完全抵消接地電流。適當選擇參數，可以使

圖1 電容和電感中的電流

若電路中電容C為已定，則按ωC=1/ωL確定的電感值，把它和電容并聯起來，兩個元件上的電流就相互補償，使線路中的無功電流為0，如圖2所示。

圖2 補償電容電流的方法

根據這一原理，實際應用中廣泛采用并聯電抗器補償電纜的電容電流，如圖3。

圖3 電抗器補償電容電流

2.2 電纜電容電流的規定

《鐵路電力設計規范》（TB10008-2006）8.4.5條規定，長電纜線路電容電流值超過隔離開關的分合能力時，宜采用電抗器進行補償，容性電流的補償度宜在50%～75%的范圍內，補償后的電容電流值不應超過5A。

2.3 電纜電容的計算

圖4為三芯電力電纜電容分布結構圖，圖5為其電容電流的等效電路。Cy為電纜線芯對地（鋼鎧）電容，Cx為線芯與線芯間電容,則一芯對中性點的電容為C=Cy+3Cx。單相電容電流為Ico=Icx+Icy=3ωCxLUφ+ωCyLUφ=ω(3Cx+Cy)LUφ=ωCLUφ。

式中：

ω--角速度，rad/s，ω=2πf=314rad/s；

L--電纜線路長度，km；

Uφ--線路相電壓，V；

Ico--線路始端電容電流，A；

Icx--導線間電容電流，A；

Icy--導線對地電容電流，A。

圖4 三芯電纜的電容分布

圖5 電容電流的等效電路

3 合寧鐵路電力貫通線電容電流的補償

3.1 合寧鐵路高壓供電系統方案

新建合寧鐵路高壓供電系統設計方案為：新建高里35/10kV變配電所和黃庵10kV配電所。全線新建2路10kV電力貫通線路，其中第1貫通線采用單芯全電纜（50mm2）；第2貫通線采用三芯電纜（70mm2）和架空混和方案。一貫接入既有合肥客站10kV配電所，二貫接入既有合肥東35/10kV變電所，如圖6所示。

圖6 合寧鐵路高壓供電系統示意圖

因系統電纜線路較長，貫通母線段采用諧振接地系統。考慮到一貫為全電纜線路，電容電流較大，而二貫為電纜架空混合線路，電容電流相對較小。為滿足電網供用電的相關規定，在新建黃庵配電所、高里變電所10kV一段母線上，設置容量可調式電抗器，取代常規設計中的固定式補償電容器柜。

3.2 電容電流的補償計算

以黃庵～高里一貫為例解析電纜電容電流的補償（因貫通母線段采用諧振接地，本例僅討論正常運行時的電容電流及其補償，不再討論單相接地時的情況）。

（1）單相電容電流計算

黃庵～高里一貫為單芯全電纜（YJV62－1×50mm2），全長 70km。根據出廠資料，電纜對地電容Cy=0.19μf/km。因為是單芯電纜，線芯間電容Cx可視為0。正常工作時，單相電容電流為Ico=ωCyLUφ=314×0.19×10-6×70×6000=25.06A。根據《鐵路電力設計規范》（TB10008-2006）8.4.5條規定，應加裝并聯電抗器進行補償。

（2）補償電抗器容量計算

單相電容無功功率：Q1=ωCyLUφ2=314×0.19×10-6×70×60002/1000=150.34kVar，三相容性無功功率Qc=3Q1=3×150.34=451.02kVar。按照 75%的補償度，并聯電抗器的容量為QL=0.75Qc=0.75×451.02=338.27kVar。為了預防長線路充電功率對合閘及線路電壓升高影響，工程中，在該貫通線首、末端，即黃庵配電所、高里變電所所外設200kVar干式并聯電抗器各1臺。

（3）電抗器補償后的殘流計算

圖7是補償后的電路等效圖。電抗器電感電流IL=Se/3Uφ=400/(3×6)=22.22A,補償后線路電流為：Ico-IL=25.06-22.22=2.86A＜5A，滿足《鐵路電力設計規范》（TB10008-2006）8.4.5條規定。

圖7 電抗器補償后的電流分布

（4）實際應用及效果

基于同樣道理，通過仿真計算確定：黃庵～高里二貫首、末端分別設150kVar固定電抗器各1臺；黃庵～合肥一貫首、末端（設置在羅崗線路所遠動箱變內）設200kVar固定電抗器各1臺；黃庵～合肥東二貫首、末端（設置在羅崗線路所遠動箱變內）設150kVar固定電抗器各1臺。考慮當合肥東所作為主供所向黃庵方向二貫供電，在三十里鋪1基站、肥東車站、肥東4基站處分別設置了76kVar的固定電抗器。圖8是合寧鐵路貫通線補償電抗器分布圖。

圖8 合寧鐵路電力貫通線電抗器分布圖

系統運行后，進行了空載試驗。一貫試驗結果如下：

① 全電纜分閘時，不會產生過電壓、過電流。

② 合閘時，產生沖擊電流。線路最長的黃庵～合肥一貫（90km）在電抗器全部投運時，沖擊電流達到38A，接近于所內整定值（42A）。故空載合閘時，配電所內開關不會產生彈跳。

③ 線路上帶有電抗器分閘，線路電壓在0.5195s內衰減到1.06kV；不帶電抗器分閘，線路電壓在0.28s內衰減到0.86kV，可滿足自動重合閘及相鄰配電所之間備自投的要求。

線路空載情況下黃庵配電所主供（可調電抗器投入）時一貫末端線路電壓情況如表1，滿足《鐵路電力管理規則》（鐵運[1999]103號）中關于10kV三相供電用戶受電端電壓不超過額定電壓±7%的要求。

表1 線路空載情況下黃庵配電所主供時一貫末端線路電壓

4 結束語

鐵路10kV配電網絡中電纜比例的不斷提高，電纜電容電流及其對配電網絡的影響越來越大。并聯電抗器可有效補償電纜網絡的電容電流，對吸收充電功率、降低工頻電壓、保證電壓質量、提高電網運行的穩定性和經濟性具有重要意義。隨著配電網絡的不斷擴大，電纜線路的大量使用，并聯電抗器在鐵路供電系統中會得到更加廣泛的使用。