王欢
北京全路通信信号研究设计院集团有限公司
摘要：铁路电力供电系统中关键技术难点旨在选择10kV电力贯通线路接地方式及选取恰当的无功补偿措施。本文根据不同工程项目特点，对贯通线路多种接地方式和无功补偿方案进行分析、归纳、总结，并针对中性点经消弧线圈的接地方式和无功补偿方案计算过程进行深入分析，最后得到较为完善的方案。
关键词：铁路；贯通线路；接地方式；中性点
1 概述
如今我国在新建高铁项目中，电力专业应在压降要求范围内的区段合理设置10kV配电所，且配电所10kV进线电源应由地方供电局的两个变、配电站或同一变、配电站的不同母线段接引。
同一供电臂下的2座10kV铁路配电所馈出的电力贯通线路敷设方式可选择全电缆线路或架空电缆混合线路，无论选择哪种敷设方式，都要解决贯通线路电容电流的问题，其中最重要的便是合理选择贯通线路接地方式和无功补偿方案。
2 10kV电力贯通线路电容电流计算
2.1 正常工况下电容电流计算
根据《工业与民用供配电设计手册》（第四版）中记载，正常工况下电缆电容电流计算公式如下所示：
Ic=w(Cy+3Cx)L×Uφ
式中：Ic——电容电流，A；
w——角速度，取314rad/s；
Cy——每芯电缆对金属护层的电容，F/km；
Cx——芯与芯之间的电容，F/km；
L——线路长度，km；
Uφ——相电压，kV。
2.2 单相接地故障下电容电流计算
在10kV电力贯通线路发生单相接地故障时，贯通母线段上所有回路流入故障点的电流总和即为单相接地故障电容电流。电力供电系统内的电容电流总和为母线、贯通线路及各类型一次设备的电容电流总和，计算公式如下：
Ic=ΣIt +ΣIline
式中：Ic——电容电流总和，A；
It——母线及其他一次设备电容电流，A；
Iline——线路电容电流，A。
单相接地故障电容电流可采用估算方法，分为公式法与查表法 [2]，其中公式法是将架空线路和电缆线路的每公里电容电流参数值、线路长度代入，即得到对应结果。
2.2.1 架空线路单相接地电容电流计算
架空线路单相接地电容电流计算公式如下：
Ic=1.1×2.7×U×L×10-3
式中：U——额定线电压，kV；
L——线路长度，km。
根据以上公式，并考虑其他现场实际情况影响因素如下：
（1）10kV双回电力贯通线路的电容电流较于单回路提升0.4倍；
（2）夏季比冬季电容电流增值提高10%；
（3）10kV配电所中电力设备引起电容电流增值约为16%。
架空线路发生单相接地故障时，电容电流估算公式如下：
Ic=UL/350
2.2.2 电力电缆单相接地电容电流计算
电力电缆线路发生单相接地故障时，电容电流计算公式如下：
Ic=(95+2.48S)×UL/(2200+0.23S)
式中：U——额定线电压，kV；
L——线路长度，km；
S——电缆芯线的标称截面，mm2。
上述公式中的常数参数是根据油浸纸电力电缆特性得出，但目前铁路电力供电系统内大多选择聚乙烯交联电缆或是聚氯乙烯电缆，针对这两种类型的电力电缆对应单相接地故障时的电容电流，根据现场实际测量经验，应在上式的计算结果提高1.2倍左右。
以上公式计算结果可作为选择10kV电力贯通线路接地方式的参照依据，如需要精确结果，应考虑其他因素的影响，例如区间内T接线路电容电流数值、配电所内调压器容量的影响、谐波等因素。文献[3]针对这类情况提出电容电流校正计算公式，将末端配电设备影响与电力供电系统设计冗余容量换算为校正系数，使得铁路10kV电力贯通线路电容电流计算精度得到一定提升。
3 10kV电力贯通线路接地方式及无功补偿方案概述
目前国内外10kV及35kV中压等级配电网络均采用经消弧线圈接地或低电阻接地，其中俄罗斯、法国、德国等国家采用消弧线圈接地方式，美国以及我国一线城市均采用低电阻接地方式，国内其他城市大多采用消弧线圈接地[4,5]。
《TB 10621-2014 高速铁路设计规范》和《TB 10008-2015 铁路电力设计规范》规定：
（1）当系统单相接地电容电流不大于10A时，应采用不接地系统。
（2）当系统单相接地电容电流不大于150A时，可采用低电阻接地方式或消弧线圈接地方式；单相接地电容电流大于150A时，宜采用低电阻接地方式。
（3）全电缆线路宜采用低电阻接地方式。
根据以上规范要求，结合目前常用的10kV电力贯通线路接地方式及无功补偿方案，可分为3类，以下对其分别进行概述、分析及总结。
3.1 中性点不接地结合配电所电容补偿
根据规范要求及现场实际情况，单相接地故障情况下，电容电流不大于10A时，一般采用中性点不接地系统结合配电所内电容补偿方式，此类方案一般运用于普速铁路的电力供电系统设计，并多以10kV架空线路为主及铁路运行等级较低的情况，主要特点是在发生单相接地故障时，电力供电系统不主动跳闸，并带电运行2小时，保障供电可靠性及铁路运行的稳定性[6,7]。该系统主要缺点如下：
（1）因供电系统内单相接地，其余两相对地电压抬升，导致系统内电气设备绝缘性能降低。
（2）中性点不接地系统内发生单相接地故障时，应由零序电流互感器采集对应回路信息并及时报警，否则接地电弧易发展为弧光接地过电压，造成相间短路，引起线路主动跳闸，扩大事故范围，影响区段内一、二级负荷正常用电。
3.2 中性点消弧线圈接地方式结合集中、分散补偿
消弧线圈装置安装于10kV配电所内调压器中性点，其原理是在系统内发生单相接地故障时，由消弧线圈产生的感性电流与线路内的容性电流相互抵消，进而减小系统内单相接地故障电容电流，使整个电力供电系统保持稳定，并尽量减小故障电流对电气设备的损害。此类接地方式中，可根据消弧线圈容量大小分为全补偿、欠补偿与过补偿。结合铁路10kV电力贯通线路的运行方式及特点，多数选择过补偿方式，计算消弧线圈容量时应预留裕量，从而避免电路谐振[8]。
此类接地方式的主要特点如下：
（1）发生单相接地故障时，电气设备能够带电运行至多2小时。
（2）能够熄灭接地电弧，极大地提高了故障情况下的供电可靠性。
（3）通过消弧线圈减小故障电容电流，进而保护电气设备绝缘。
3.3 中性点小电阻接地方式配合集中、分散补偿
目前我国建成投运及在建的高铁中，10kV电力贯通线路均选择全电缆线路，接地方式采用小电阻接地方式，并在区段内设置箱式电抗器（分散补偿）、10kV配电所内设置动态无功补偿装置（集中补偿）[9]。
此类接地方式的主要特点如下：
（1）某一回路发生单相接地故障时，可迅速跳闸，防止事故扩大化。
（2）故障电流经小电阻泄放，降低故障电流对电气设备绝缘的影响。
（3）可限制谐振过电压。
3.4 中性点经消弧线圈接地与经小电阻接地对比
（1）消弧线圈接地可中和抵消接地故障电流，可降至最低；小电阻接地故障电流一般控制在100-1000A。
（2）两种接地型式均可避免暂态弧光接地过电压，可控制操作过电压。
（3）消弧线圈接地可抑制暂态接地故障扩大为双重故障；小电阻接地将暂态接地故障转化为短路，可快速跳闸切除故障。
（4）消弧线圈接地可避免单相接地故障对设备的损害；小电阻接地可降低单相接地故障对设备的损害。
（5）接地故障继电保护：消弧线圈接地可自动消弧；小电阻接地采用接地保护，可迅速切除故障。
（6）消弧线圈接地在发生单相接地故障时，电气设备能够带电运行2小时，供电可靠性高；小电阻接地在发生单相接地故障时，会快速跳闸，供电可靠性较低。
（7）因接地故障电流比消弧线圈接地大，因此小电阻接地接近故障点时对生命的危险更大。
（8）消弧线圈接地装置比小电阻接地装置投资较高。
4 实例分析
4.1 项目介绍
本项目设计运行时速为120公里/小时，线路类型为客货共用，10kV电力贯通线路为架空线路与电缆线路混合，无功补偿方式为配电所内设置动态无功补偿装置（集中补偿）与箱式电抗器（分散补偿）。
正常运行时，各区间线路情况及其电容电流数值如下表所示：
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由上表得，A至D区间为单独供电臂，供电臂内正常电容电流值为19.31A。
经计算，两端10kV配电所的整个供电臂内单相接地故障电容电流为28.89A。若远期供电臂内改为全电缆线路，单相接地故障电容电流为34.37A。
根据以上计算结果，并结合3种接地方式的特性及其优劣势，本项目中10kV电力贯通线路接地方式选取中性点经消弧线圈接地。
4.2 消弧线圈类型选择及容量计算
消弧线圈可分为：可控硅调节式、调匝式、调直流偏磁式、调气隙式、调容式及相控式消弧线圈等。
本项目根据线路特点及设备运营管理单位建议，选取调匝式自动跟踪补偿消弧线圈，其主要特点是预调式的调节方式，即为在单相接地故障发生前或者发生时，消弧线圈装置已按照系统内当前电容电流数值调整至过补偿状态，并且响应时间为可控硅短接阻尼电阻时间，其响应时间较短，补偿效果较佳。
消弧线圈的容量计算应结合电容电流计算结果而定，容量宜留有裕量，应考虑配电网络未来的发展，计算公式如下：
Q=S′×Ic×U/
式中：S′——容量加装系数，选择1.35～1.60；
Ic——电容电流，A；
U——电网的额定线电压，kV。
经计算，本项目消弧线圈容量为315kVA。
4.3 接地变压器容量计算
消弧线圈装置应安装于配电所内调压器中性点，若直接相连，一般会引起调压器中性点位移，在发生单相接地故障时，零序功率增大，会造成调压器发热量陡增，极大缩短调压器使用寿命，且计算消弧线圈容量时应符合以下要求：
（1）消弧线圈容量应大于调压器容量的50%。
（2）消弧线圈容量应小于调压器每一个绕组的容量。
根据以上要求，若更换调压器，会增加项目投资与施工难度，故10kV电力贯通线路接地方式选取中性点经消弧线圈时，应采用接地变压器构成中性点，再接引至消弧线圈装置。
经计算，本项目接地变压器容量为315kVA。
本项目竣工完成后，通过设备运营管理单位的故障测试，补偿后单相接地故障情况下电容电流数值小于3A，线路内能够做到自动熄灭接地电弧，同时能够避免电压互感器谐振等问题。
5 结语
本文首先分析正常工作情况下电容电流的计算以及单相接地故障情况下电容电流的计算，并针对3种铁路系统内常用的接地方式及无功补偿方案进行了深入的分析与总结，最后结合某工程设计项目，重点研究了该项目10kV电力贯通线路的中性点接地方式及集中、分散结合的无功补偿方案，为后续相关工程设计提供部分参考以及建议。
参考文献
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