一種新型電氣化鐵路串聯電容器保護間隙

于 波

(中鐵二院工程集團有限責任公司電氣化設計研究院,四川成都 610031)

一種新型電氣化鐵路串聯電容器保護間隙

于 波

(中鐵二院工程集團有限責任公司電氣化設計研究院,四川成都 610031)

隨著電氣化鐵路的不斷發展,串聯電容器補償裝置在牽引供電系統中得到廣泛應用,而電容器的過壓能力較弱.提出了一種新型保護間隙裝置,當發生過電壓時,通過觸發電路迅速啟動.本裝置能較好的滿足電容器的過壓保護要求,并在實際運行中取得了較好效果.

電氣化鐵路;串聯電容器;過壓保護;保護間隙;觸發電路

0 引 言

在電氣化鐵路牽引供電系統中,為了解決牽引網電壓低下和網壓波動影響機車運行的問題,科研人員采用了在牽引變電所饋線中串聯電容器組的方法,通過集中的容抗抵消變壓器內部感抗和接觸網感抗,從而達到改善牽引網電壓的目的[1].在牽引饋線或牽引網中的電容器組進行串聯,必須針對電容器可能遭受的過電壓進行保護,以確保在串聯電容器將要出現危險過電壓時,能夠及時地把串聯電容器組旁路.

筆者依據大量工程經驗,通過認真的理論分析與試驗,并結合電子技術、新材料的發展開發出新一代串聯電容器過電壓保護裝置.該保護裝置采用帶觸發回路,并由兩個不同定值的單保護火花間隙組成雙間隙系統,其可靠性和靈敏性相對于傳統火花間隙有了很大的提高,并可滿足不同參數系統的特定要求.

1 保護間隙工作原理

當電氣化鐵路牽引供電系統接觸網饋線發生故障,或非正常電力牽引運行情況產生的故障短路電流,或非正常牽引負荷電流流過接觸網饋線首端安裝的串聯電容補償裝置,導致在串聯電容器組兩端產生危險過電壓時,該過電壓將加在間隙的外接端子4、5間[1-3](見圖1),即加在主啟動間隙、燃燒間隙和電壓互感器一次側端子上,而電壓互感器二次側成比例地反映串聯電容器組兩端電壓,一旦電壓達到保護間隙整定值(有效值),觸發電路板起動,經R C平波回路輸出直流高壓,或不小于12 kV的連續觸發脈沖,將觸發電極與可調球極間構成的間隙擊穿,進而在串聯電容器組過電壓的作用下啟動間隙擊穿,保護間隙進入工作狀態.隨后,在電磁力及熾熱空氣向上動力作用下電弧過渡到燃燒間隙,直到旁路斷路器合閘,保護間隙被旁路,或接觸網饋線斷路器保護分閘,保護間隙電弧熄滅,從而完成一次保護動作[4,5].串聯電容器保護間隙裝置的結構示意圖如圖2所示.

圖1 保護間隙電路原理圖

圖2 保護間隙結構示意圖

經過大量實驗證實：采用觸發回路可以提高保護間隙動作的精度,使之不受氣候條件的影響,以及經多次動作后啟動間隙狀況變化的影響;采用燃燒間隙可減輕電弧對啟動間隙的燒損,確保啟動間隙長期穩定的啟動.

2 保護間隙構成

圖3 觸發電路板原理圖

2.1 保護球極

2.1.1 材料選擇.

考慮到保護球隙的精度要求不高,但需要通過短路電流的次數較高,而采用銅電極常引起球極表面的燒損.石墨由于其特殊結構而具有耐高溫,良好的導電、導熱性,化學穩定性,以及抗熱震性,故本保護間隙采用石墨作為球極材料.

2.1.2 球極尺寸.

一般情況下,均勻和稍不均勻電場能較準確地測量出球極之間的高電壓,其測量誤差可達±3%.由于在串聯電容補償裝置中,球隙保護的電容器額定電壓在1～6 kV,球隙距離很小[4,5].因此,我們采用的主球極和輔助球極為一對外徑相同的石墨球.經過實驗證明,當球極外徑為10 cm時,能滿足球間隙在1 cm時,產生的電場為均勻場或稍不均勻場[6].這樣,可以較準確地根據擊穿電壓,確定球間隙距離.同時,通過設置放電尖端和可調球極,使空氣介質預電離,從而降低球隙擊穿的額定電壓.

2.2 觸發電路板

當電壓互感器二次繞組電壓達到整定值時,觸發板經過小于10 ms的電路固有延時,輸出不低于12 kV的高壓觸發脈沖,其工作原理如圖3所示.

本裝置電壓互感器有兩路輸出,分別為測量級和保護級.測量級用于與整定值比較,保護級用于為控制板提供電源和產生高壓.定時器用于產生直流脈沖信號.回掃變壓器即通常意義上的高壓包,用于產生直流高壓.通過整定值的設置,使當電壓互感器采集到高壓時啟動回路(即觸發回路).此外,觸發電路板由電壓互感器二次繞組供電,由于采用了大功率MOS管,其工作電壓范圍可達20～250 V.

3 結 論

本串聯電容器保護間隙經過大量工程試運行表明,由于采用了可調觸發電路,本裝置能保證準確、快速的動作,并與微機保護系統一起構成了完善的串聯電容器保護裝置,保證了電氣化鐵路串聯補償設備的可靠運行.

[1]曹建猷.電氣化鐵道供電系統[M].北京：中國鐵道出版社,1987.

[2]賀威俊,簡克良.電氣化鐵道供變電工程[M].北京：中國鐵道出版社,1986.

[3]李群湛,賀建閩.牽引供電系統分析[M].成都：西南交通大學出版社,2007.

[4]張利民.串聯電容器補償技術在電氣化鐵道擴能改造中的應用[R].成都：西鐵科技,1995.

[5]韋庭三,韋 鐵.南昆線接觸網區間串補過電壓保護的改進[J].鐵道運營技術,2007,13(4)：45-46.

A New Type of Protection G ap of Series Capacitor Compensation of Electrified Railway

YU Bo

(Institute of Electrization Design,China Railway Eryuan Engineering Group CO.Ltd,Chendu 610031,China)

With the development of electrified railway,the device of series capacitor compensation is widely applied in traction power supply system.But capacitor’s over voltage capability is not effective enough.A new type of protection gap was proposed,when over voltage occurs,it quickly starts by trigger circuit.This device meets the demand of OVP better and receives good result in practice.

electrified railway;series capacitor;OVP;protection gap;trigger circuit

U223.5

：A

1004-5422(2010)02-0157-02

2009-12-25.

于 波(1977—),男,工程師,從事鐵道電氣化技術研究.