黎湛铁路电力线路电容电流分析与研究

胡金东

（南宁铁路局供电处，工程师，广西 南宁 530029）

黎湛铁路电力线路电容电流分析与研究

胡金东

（南宁铁路局供电处，工程师，广西 南宁 530029）

本文针对黎湛铁路贯通（自闭）线树害严重地区，采用电力架空线改为电力电缆后引起电力线路对地电容电流和相间电容电流增大的技术难题，提出在沿线适当位置设置三相补偿电抗器，计算补偿电抗器容量，使架空线电缆混合模式电力线路电容电流得到适当补偿，确保行车安全运行。

架空线改电缆；电容电流；补偿容量

10.13572/j.cnki.tdyy.2015.01.004

电力贯通（自闭）线作为铁路配电系统的重要组成部分，肩负着向铁路车站和沿线的全部非牵引电气设备（包括动力和照明）供电，对供电可靠性要求非常高。10 kV配电系统采用中性点不接地方式运行，即中性点对地绝缘，结构简单，运行方便，不需任何附加设备。这种不接地方式的优点是发生单相接地故障后，一般不会破坏系统的对称性，可以带故障连续继续运行1～2 h，从而获得排除故障时间，相对地提高了供电的可靠性〔1〕。

南宁铁路局黎湛铁路贯通（自闭）线以架空方式为主，但部分电力线路处于经济林木（桉树）种植区，受南方台风气候或人为砍伐不当影响，经济林木经常倒压在铁路电力线路上，造成断杆断线，抢通难度大，严重干扰了正常的运输生产。同时，因经济林木数量多及当地农民的阻碍，砍伐极其困难。相对架空线方式，电力电缆具有占地少、受外力破坏小（如鸟害、机械碰撞等）、抗击自然灾害能力强（如雷击、风害、覆冰等）、运行可靠、供电安全、不需频繁巡检、维护工作量少等优点。因此，南宁铁路局从2007年开始，下达专项资金对黎湛铁路贯通（自闭）线树害严重地区进行电力架空线改电力电缆整治，保证了铁路电力线路不受环境影响。但改造后架空线电缆混合电力线路相间及相对地电容电流显著地加大了配电系统的电容电流，为此，研究如何对黎湛铁路架空线电缆混合电力线路电容电流进行合理补偿，克服电缆电容电流过大的危害，以保证黎湛铁路电力贯通（自闭）线安全、稳定运行就显得十分必要。

1 存在问题

改造后架空线电缆混合电力线路相间及相对地电容电流是架空线路的30～100倍，随着近几年架空线改电缆比例的提高，显著地加大了配电系统的电容电流，主要带来了以下弊端〔2，3〕：

1）电力线路空载末端电压超出额定电压，空载切除线路会引起操作过电压。

2）线路电容电流增大，超出了隔离开关分段能力，不利于快速分段查找故障。

3）发生单相接地时，接地电弧不易自行熄灭，容易造成相间短路，引起故障扩大，降低供电可靠性；尤其是黎湛铁路三芯电缆和架空结合的混合线路，架空线路通过林区遇刮风、下雨时单相故障演变成相间短路，造成停电事故。

4）单相接地故障时易发生电弧接地过电压，非故障相过电压可达正常相电压的3.5倍，使整个配电系统内绝缘薄弱设备放电击穿，造成设备损坏。

5）电容电流过大导致系统的功率因数降低。一方面使供电系统内的电气设备容量不能得到充分利用，另一方面增加电网中输电线路上的有功功率损耗，增加铁路电费成本支出。

2 电容电流分析

由于电力电缆相间及相对地电容电流远远大于架空线路，因此黎湛铁路架空线电缆混合电力线路只分析架空线改电缆区段电容电流，既有架空线路电容电流忽略不计。目前，黎湛铁路贯通（自闭）线架空线改电缆基本采用YJLV22-3*70、YJLV22-3* 95三相高压电缆。YJLV型三芯电缆电容分布如图1所示，正常工况下（未接地）电缆电容电流等效电路如图2所示。其中Cy（F／km）为单芯电缆对铅包的电容，Cx（F/km）为芯对芯间的电容，则一芯对中性点的电容C=Cy+3Cx（F/km）〔4，5〕。

图1 YJLV型三芯电缆电容分布

图2 YJLV型三芯电缆等效电路

由图2可知，芯对地的电容电流（Icy）导线间的电容电流（Icx）线路始端的电容电流（Ic0）

式中：L为电力电缆线路长度（kM）；

ω为角速度（ω=2πf=314）；

Uφ为相电压（V）。

当电力电缆线路发生单相接地故障时，其电容电流分布如图3所示。

图3 单相接地YJLV型三芯电缆电容电流分布图

接地相始端的电容电流（ICD）

一般电力电缆对地电容Cy和线间电容3Cx近似相等，即Cy≈3Cx，对比正常工况下（公式3）和单相接地故障下（公式5）的电容电流，ICD=2Ic0。

3 电抗器补偿原理分析

《铁路电力设计规范》（TB10008-2006）规定，电力电缆线路电流值超过隔离开关的分合能力时，宜采用并联电抗器进行补偿，容性电流的补偿度宜在50%～75%的范围内。鉴于补偿电抗器既要补偿电缆线路正常工况电容电流（Ic0），又要补偿单相接地故障时电容电流（ICD），三相补偿电抗器选择Y型接线方式进行补偿，并在黎湛铁路沿线分散设置增强补偿效果〔6，7〕。

电力电缆线路安装三相并联电抗器补偿后，正常工况下的电流分布如图4所示。

图4 补偿后正常电流分布

在正常工况下电抗器产生的补偿电流IL与Ic0方向相反，补偿后的残流为Ic0-IL。装设补偿电抗器后，当发生单相接地故障时，非接地故障相由线电压产生补偿电流电流分布如图5所示。则流过接地点的补偿电流为方向与接地相的始端电容电流ICD相反，补偿后的始端残流为ILD-ICD=3IL-IC。

电力电缆单相接地故障情况下接地相的始端残流ILD-ICD＞0，线路呈感性，容易产生振荡，不宜选用。一般电抗器补偿采用ILD-ICD＜0，线路呈容性，适当补偿电缆线路中电容电流，同时防止保护及断路器误动〔8〕。

图5 补偿后单相接地故障电流分布

4 实例计算

根据以上对电缆电容电流及电抗器补偿原理分析，黎湛铁路架空线电缆混合电力线路中，配电所供电臂应根据贯通（自闭）线架空线改电缆长度，在适当位置设置三相补偿电抗器，使贯通（自闭）线电容电流得到适当补偿。以黎湛铁路河唇配至文里配贯通（自闭）线为例，两个配电所之间供电臂长约51.5 km，树害严重地区架空线改电缆完成9.58 km，如图6所示。

根据厂家提供型号为YJLV22-3*95电缆参数：Cy=3Cx=0.24（F/km）。由公式（3）得，正常工况下线路始端的电容电流为Ic0=8.75 A，按照最佳补偿度75%补偿，最佳补偿电流应为75%Ic0=8.75=6.56 A。经计算，该区段共需设3组补偿电抗器，每组电抗器容量38 kvar。正常工况下，线路始端的容性残流Ic0-IL= 2.18A＜5A，满足《铁路电力设计规范》（TB10008-2006）8.4.5条规定。因此该区段架空线改电缆后应在电力线路上安装3组BKS-38/10户外高压油侵式补偿电抗器，考虑电力电缆改造位置及补偿电抗器防盗因素，3组电抗器分别安装于佛子岭站、山尾站贯通综合变房、文里至文地贯通178#杆，使电力线路电容电流得到更好补偿〔9，10〕。

图6 河唇配至文里配架空线电缆混合线路

5 结论

本文对黎湛铁路架空线电缆混合电力线路中电容电流进行分析，并提出改进措施，以河唇配至文里配为例进行补偿容量计算，在电缆改造位置分散安装并联补偿电抗器。实施效果证明，安装补偿电抗器提高了配电所功率因数，保证了电力线路供电可靠性，减少了由于容性电流引起操作过电压和谐振过电压。随着黎湛铁路电力贯通（自闭）线电力电缆比例不断提高，采用高性能补偿电抗器将成为解决配电系统电容电流的重要措施，对提高铁路电力系统稳定性和经济性具有重要意义，该方案必将在黎湛铁路架空线电缆混合电力线路中得到广泛的应用。

〔1〕孙建明.贯通线全电缆线路中性点接地方式的选择〔J〕.铁道工程学报，2010（6）：87-90.

〔2〕刘敬.10 kV电力贯通线的电容效应问题〔J〕.福建电力与电工，1995，15（2）16-17

〔3〕白俊.大—准电气化铁路10kV配电系统电容电流分析〔J〕.内蒙古电力技术，2003，21（3）：43-44.

〔4〕L.Heinhold，R.Stubbe.电力电缆及电线〔M〕.门汉文，崔国璋，王海 译.北京：中国电力出版社，2001：402.

〔5〕陈国林.铁路10 kV电力贯通线的实践与分析〔J〕.山西电力技术，1997，17（3）：21-24.

〔6〕TB100008-2006，铁路电力设计规范〔S〕.中国铁道出版社，2007.

〔7〕王学明.并联电抗器在长电缆电力贯通线电容电流补偿中的应用〔J〕.上海铁道科技，2010，32（1）：122-123．

〔8〕王颢，等.青藏铁路电缆贯通线并联电抗器补偿方式研究〔J〕.铁道工程学报，2008（8）：67-70.

〔9〕颜秋容，刘欣等.铁路10 kV电缆贯通线电容电流补偿度研究〔J〕.铁道学报，2006（2）：85-88.

〔10〕江南，谢聿琳，等.电缆架空线混合线路重合闸投切方式〔J〕.电力系统自动化，2010，34（3）：112-114.

U228.4

B

1006-8686（2015）0009-03