倍，但线电压不变、保护装置动作于信号，可带故障运行2 h，具有停电次数少、供电持续性高的特征。所以铁路电力供配电系统多采用中性点不接地方式。但在高速铁路的供配电系统中，贯通线使用全电缆方案情况下，电容电流大幅提高，单相接地故障情况下电弧不能自熄，间歇性(或稳定的)弧光接地过电压持续时间长，对供配电系统的安全运行构成威胁，需要改变系统的中性点接地方式。张凉永
(中铁二院工程集团有限责任公司， 成都610031)
摘 要：在高速铁路电力供配电系统中，采用全电缆贯通线方案供电系统可靠性得以大幅提高的同时，电容电流过大会带来末端电压超标、容性无功增加、系统效率降低、操作过电压、单相接地故障下的电弧过电压等一系列问题。文章针对高速铁路电力贯通线的常见配置，在正常运行和单项接地故障情况下，对电缆线路电容电流分布及其参数水平予以分析。并通过对单芯电缆和三芯电缆方案的电容电流水平差异进行理论分析和比较，得出全线路单芯电缆敷设方案在可靠性上具备明显优势的结论。并提出了在工程设计中的电抗器补偿容量计算、补偿后电容电流的校验以及供配电系统中性点接地方式选择的建议。
关键词：电容电流;容性无功;电抗器;中性点
目前，在高速铁路路网快速扩张的过程中，由于技术标准提高、负荷特征改变、可靠性要求提高，铁路电力供配电系统电缆线路的使用量也大幅提高，系统的电容电流、容性无功、单相接地故障电容电流大幅增加，导致的容性无功补偿、中性点接地方式改变等问题日益突显。
铁路电力供配电系统，是指向电力机车牵引负荷之外的其他所有铁路用电负荷供电的中压供电系统，多为10 kV(或35 kV)等级。该系统的主要构成情况为:沿铁路正线每间隔40～60 km设置若干个铁路变(配)电所，由城市供配电网络接取电源之后经专用10/10 kV调压器隔离调压之后馈出10 kV线路，10 kV线路沿铁路架设直至下一个铁路变(配)电所。这些位于各铁路变(配)电所之间的10 kV供电臂沿铁路通长架设、分段接续、覆盖铁路全线，向沿线车站、桥梁隧道、区间的各类铁路负荷提供电源。该10kV线路称为贯通线。贯通线长达40～60 km的供电臂长度远高于城市供配电系统的同等级线路，这是铁路电力供配电系统区别于城市供配电系统的主要特征之一。
铁路变(配)电所设10/10 kV专用调压器的目的，是由于贯通线所带负载中的通信、信号等用电设备的负荷等级高、可靠性要求高。经10/10 kV有载调压改善电源质量的同时，将重要设备电源与其他负荷相互隔离，降低其故障率，提高可靠性。
在以往普速铁路的电力供配电系统中，贯通线主要以架空线路为主，仅个别困难区段短距离使用电缆，线路容抗很大，单相接地故障电容电流很小(大多在10 A以下)，发生单相接地故障时，虽然相对地电压升高倍，但线电压不变、保护装置动作于信号，可带故障运行2 h，具有停电次数少、供电持续性高的特征。所以铁路电力供配电系统多采用中性点不接地方式。但在高速铁路的供配电系统中，贯通线使用全电缆方案情况下，电容电流大幅提高，单相接地故障情况下电弧不能自熄，间歇性(或稳定的)弧光接地过电压持续时间长，对供配电系统的安全运行构成威胁，需要改变系统的中性点接地方式。
本文就高速铁路电力供配电系统全电缆贯通线的电容电流水平、补偿电抗器容量、补偿后电容电流的校验予以分析，并就贯通线全电缆方式下中性点不接地系统和谐振接地系统的差异、消弧线圈容量等问题进行探讨。
高速铁路的供配电系统中通常设2条贯通线。一条专供通信信号等一级负荷，称一级负荷贯通线;另一条供沿线其他铁路负荷，称综合贯通线。电缆线路的具体设置方式中，采用3条单芯电缆或单根三芯电缆的情况都有。以下就这2种敷设方式空载情况下电容电流的情况予以分析。
2．1 正常工况电容电流
图1为三芯电缆电容分布情况，在电缆芯线导体之间以及导体和电缆外皮之间都存在电容。Cx为单位长度导体之间电容，Cy为单位长度导体与电缆外皮之间的电容。Cx和Cy参数可由生产商提供。图2为“Y－△”变换后的等效电路。
A相单位长度单位电容为(B相、C相参数与此相同):
式中:Ca——单位长度a相等效对地电容(F/km);
Cx——单位长度相电缆芯线之间的电容(F/km);
Cy——单位长度电缆芯线与电缆外皮之间的电容(F/km)。
图1 电容分布情况
图2 等效电路
在正常运行且贯通线空载情况下，线路电容电流分布的情况如图3所示，线路首端电容电流(以A相为例)为相间电容电流和相对地电容电流之和。
图3 贯通线空载运行情况下电容电流分布
式中:ω——角速度(rad/s);
Ica——A相电容电流(A);
Icax——相间电容电流在A相的等效电流(A);
Icay——A相对地电容电流(A);
L——贯通线供电臂电缆线路长度(km);
Ua——相电压(V)。
高速铁路的一级负荷贯通线或综合贯通线，常有使用3根单芯电缆的情况，因各条单芯电缆外皮接地，此时相间电容电流(图3中的)为零，流过线路首端电容电流为(以A相为例，B、C相电容电流与此相同):
高速铁路一级负荷贯通线使用YJLV22－10 kV，50～95 mm2单芯电缆、空载的情况下，贯通线供电臂长度为40～90 km，按式(3)求得电容电流理论值如表1所示。
表1 贯通线(3根单芯电缆)空载情况电容电流(A)
2．2 中性点不接地系统单相接地故障情况下电容电流
图4为三芯电缆线路C相发生单相接地故障(完全接地)情况下电压、电流矢量关系，图5为此情况下的全电缆贯通线路的电容电流分布情况。
图4 单项接地故障情况参数矢量关系
图5 贯通线单相接地情况下电容电流分布
此时:
非故障相对地电容电流分别为:
流过故障点的电容电流为:
故障相线路始端电容电流为:
在高速铁路一级负荷贯通线或综合贯通线使用3根单芯电缆的情况下，不存在相间电容，此时线路首端电容电流和流过故障点的电容电流相同。
以上各式中:
U'ao、U'bo——非故障相对地电压(V);
I'cax、I'cbx——相间电容电流(A);
I'cay、I'cby——非故障相对地电容电流(A);
I'c——流过故障点的电容电流(A);
U'co——故障相始端电容电流(A)。
高速铁路贯通线使用YJLV－50～95 mm2单芯电缆、单项完全接地的情况下，以贯通线供电臂长度50～70 km，按式(6)求得流过故障点的电容电流理论值如表2所示。
由电缆制造商提供的规格参数，对于三芯胶联电缆通常情况下有3Cx=Cy;单芯交联电缆和三芯交联电缆的Cy参数一致。据此:
(1)由以上式(2)和式(3)之比有:贯通线全电缆方案下，采用3根单芯电缆，其电容电流会明显低于采用三芯电缆，空载情况的理论值仅为一半，显然采用3根单芯电缆的方式具备明显优势。在解决了外铠装涡流以及金属屏蔽层交变电场感应电动势等问题后，单芯电缆方案应为首选。这也是德国等西欧国家在高速铁路全电缆供电方案中采用单芯电缆的原因之一。
(2)在使用三芯电缆情况下，线路空载运行和单项接地故障情况电容电流的比较，由式(2)和式(5)之比有:
I'co=2I'ca
即，使用三芯胶联电缆在单相完全接地故障情况下，故障相首端(或配电所故障相母线上)的电容电流是线路空载运行时电容电流的2倍。
表2 贯通线(3根单芯电缆)单相接地情况电容电流(A)
(3)在使用3根单芯电缆情况下，线路空载运行和单项接地故障情况电容电流的比较由式(3)和式(6)之比有:
I'co=3I'ca
即，使用3根单芯电缆在单相完全接地故障情况下，故障相首端(或配电所故障相母线上)的电容电流是线路空载运行时电容电流的3倍。
显然，在使用三芯电缆情况下，单相接地故障电容电流明显高于以上表2所列单芯电缆方式下的电容电流参数。
由于贯通线的供电臂长达40～70 km，极端情况下甚至可能越区供电，远高于城市供配电系统一般情况下15～20 km的供电半径，高速铁路电力供配电系统在贯通线采用全电缆方案时，其线路上的电容电流水平会明显高于城市供配电系统。
上述全电缆贯通线空载运行情况以及单相接地故障情况下的电容电流分析，均是在不考虑负载影响时的理论参数。贯通线接入的通信、信号、隧道照明等负荷多为感性负载，在带负荷的实际运行过程中，线路正常运行或单相接地故障情况的电容电流会低于上述理论值。工程设计中，为获得更加接近实际情况的电容电流参数，可基于上述分析，在纳入铁路变配电所、贯通线各类负载参数后，利用仿真软件平台建立高速铁路电力供电系统的仿真模型，进行仿真运行测试。
3．1 电容电流过大带来的问题
高速铁路贯通线长距离电缆线路中高达数十安培的电容电流，会给铁路电力供配电系统带来诸多问题，甚至直接威胁系统安全运行。这与城市供配电网络近年来大量使用电力电缆取代架空线路，电容电流大幅度上升导致网压升高、损耗增大等问题相类似。
(1)正常运行情况下线路末端电压升高，超过规范限定的允许值。这在不设电抗器补偿、线路空载情况下尤为突出。合宁铁路一级负荷贯通线使用单芯50 mm2全电缆线路，用MATLAB/simulink仿真软件以分布参数模型计算的仿真测试结果为10%，在不设电抗器补偿、带负载情况下为7%［2］。
(2)空载投入或切除线路时导致操作过电压。
(3)单相接地故障情况下，接地电弧不易自灭。在中性点不接地系统中由于可带此类故障运行2 h，非故障相长时间持续的过电压可能损坏绝缘导致相间短路。而且，2～3倍Ue的电弧接地过电压对系统绝缘薄弱环节的冲击也有可能击穿设备绝缘。这对通信、信号等与高速铁路运营直接相关联的重要设备的安全稳定运行构成威胁。
(4)过大电容电流导致的容性无功损耗明显降低了供电系统的效率，这和感性负载导致的系统功率因数过低情况相似。
3．2 电抗器补偿度和补偿后的电容电流
在贯通线(即铁路区间)上，铁路变配电所设置电抗器补偿后，正常运行情况下因电抗器感性电流和电容电流反向，对冲后流入系统的电容电流和系统容性无功都将大幅度减少。在单相接地故障情况下，因对冲以及部分电容电流经过设于该项(即故障相)的电感线圈形成回路，流过故障点的电容电流和线路首端(变配电所母线)的电容电流都会明显降低。图6为MATLAB/simulink仿真测试电抗器补偿后单项接地故障情况下，流过故障点电容电流衰减过程典型情况的示意图，测试结果表明，设补偿电抗器后，在单相接地情况下，流过故障点的电容电流在故障瞬间冲击之后，会在大约0.15 s之内快速衰减并趋于补偿后的稳定值。
图6 补偿后故障点电容电流的衰减情况
规范要求容性电流的补偿度50%～75%，补偿后的电容电流不大于5 A(TB 10008－2007《铁路电力设计规范》第8．4．5条)。这些要求可以通过电抗器容量选择来实现。
(1)在贯通线使用三芯电缆情况下，补偿度按75%计(具体工程设计中补偿度应视贯通线接入的感性负载情况选择)，并联电抗器总容量为:
据此确定电抗器选型，补偿后的电容电流以式(8)校验:
此时的单相接地故障电容电流为:
(2)在贯通线使用3根单芯电缆情况下，补偿度按75%计，并联电抗器总容量为:
据此确定电抗器选型，补偿后的电容电流以式(11)校验:
此时的单相接地故障电容电流为:
设电抗器补偿应该达到以下几个目的:①按上述式(8)、式(11)校验的补偿后，电容电流要求小于5 A;②抑制贯通线长距离电缆线路末端电压抬升，将其限定在规范允许范围内;③降低单相接地故障情况下流过故障点的电容电流，以利接地电弧自熄;④在系统运行过程中，负载的变化会导致电容电流参数和容性无功功率的变化，应当对其进行动态跟踪补偿，补偿后的系统功率因数应该介于0．9～1．0之间。
在工程设计中，可视贯通线供电臂长度及其负载情况来确定电抗器的设置方式。如果2条贯通线都是全电缆，或者一级负荷贯通线全电缆、综合贯通线上电缆的占比很高，需要补偿的总容量QL较大，即可将固定电抗器和可调电抗器联合设置。部分补偿容量以固定电抗器的方式分组，并尽可能沿贯通线均匀分布设置，剩余部分补偿容量在铁路变(配)电所内设置可调电抗器以取代原有普速铁路中通常使用的电容自动补偿装置。设置可调电抗器，在提高功率因数补偿精度的同时，还解决了电容电流参数变化时的动态跟踪补偿问题。
不同的中性点接地方式，对系统的可靠性和安全运行极为重要。以往普速铁路的供配电系统中电力线路以架空方式为主，电容电流很小，多采用中性点不接地系统。这种方式在单相接地故障情况下可以2 h内带故障运行，并在许多瞬时性单相接地故障情况下避免断路器的不必要跳闸，大幅减少断路器分闸次数，迎合铁路电力供配电系统可靠性要求高的需求。而且铁路变配电所贯通母线上的馈出回路很少，中性点不接地系统的灵敏度低、选择性差的问题并不突出。但在高速铁路电力供配电系统电缆线路大量使用的情况下，电容电流大幅度提升，过压对系统安全性的影响、容性无功、电压超标等问题突显，中性点不接地系统不再适合。
小电阻接地系统在发生单相接地故障时，由于流过故障线路的电流较大，过流保护装置有很高的灵敏度，便于甄别和检出接地故障线路，适用于出线回路数很多的大型供配电系统。但是，当发生单相接地故障时，无论是永久性的还是非永久性的，均作用于跳闸，使线路的跳闸次数大大增加，系统的供电可靠性明显降低，这和高速铁路电力供配电系统可靠性高的需求是矛盾的。
目前国内供配电系统中性点接地方式的选择依据，主要还是DL/T 620－1997《交流电气装置过电压保护和绝缘配合》。其中第3．1．3条要求:3～10 kV等级，以架空线路构成的系统单项接地故障电容电流小于10 A、以电缆线路构成的系统单项接地故障电容电流小于30 A时，采用中性点不接地系统。当单项接地故障电容电流超过规定值，而且又需在接地故障条件下运行时，应采用消弧线圈接地方式。由上文电容电流的计算分析及表2中参数，在高速铁路电力供电系统中，只要贯通线采用全电缆方案，无论选用单芯电缆还是三芯电缆，其单项接地故障电容电流都会超过上述允许值，系统中性点都应经消弧线圈接地。
试验研究证实:“故障电流不超过10 A时，然弧时间较短，电弧能在开关分闸之前熄灭。”而且“在中心点不接地方式下，故障电流为10 A的电弧自熄概率为91.67%～95%。采用消弧线圈补偿接地方式运行时，故障电流为10 A时，电弧自熄概率达到100%［3］”。
由于从地方电网引入的10 kV(或35 kV)电源为中性点不接地系统，而且铁路电力供配电系统中贯通线10 kV电源通常经10/10 kV调压器有载调压之后馈出，故可选用Dyn接线方式的调压变压器，由其副边引出系统中性点。也可按DL/T6 20－1997《交流电气装置过电压保护和绝缘配合》第3．1．6条第4款要求在配电所贯通母线上装设专用接地变压器。并且在设计中，还可以考虑专用接地变压器和配电所所用变压器合一设置［2］。
消弧线圈的容量按《交流电气装置过电压保护和绝缘配合》第3．1．6条的要求，以接地故障情况的电容电流为基础计算确定:
式中:W——消弧线圈的容量(kVA);
Ic——接地电容电流(A);
Un——系统标称电压(kV)。
近年来，在城市供配电网络的扩张和发展过程中，电缆使用量大幅度增加，电容电流及其导致的相关问题也日益突出，基于可控电抗器的自动跟踪补偿，消弧线圈成套装置得以推广使用，由于可实时检测系统电容电流自动跟踪调节消弧线圈，在瞬时性单相接地故障发生时可实现快速补偿，在持续性单相接地故障情况下，可以快速甄别选出故障线路并动作于跳闸，其补偿效果好、针对性强、适应性强。在位于高速铁路路网重要节点上的大型铁路枢纽，若其铁路中心变电站具有出现回路数多，电容电流较大等特征，亦可以考虑采用自动跟踪补偿消弧线圈成套装置。
高速铁路电力供电系统中，全电缆方式长距离敷设的电力贯通线会产生很高的电容电流，导致线路末端电压抬升、容性无功增加系统效率降低、操作过电压、电弧接地过电压等诸多问题，对系统的运行安全产生重要影响。采取在区间贯通线路上设置补偿电抗器、变配电所内设置可调电抗器这些措施可以非常有效地将系统电容电流降低至允许值以下，以确保高速铁路电力供电系统的可靠运行。全电缆贯通线方式下的系统中性点接地方式，从系统可靠性的角度看，采用谐振接地系统应该优于小电阻接地系统。针对位于高速铁路网节点上大型铁路枢纽的中心变电站，其中性点接地方式还可以考虑采用自动跟踪补偿消弧线圈成套装置。
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Analysis of Capacitive Current and Capacitive Reactive Compensation in the Medium-voltage of All-cable Through Line on High-speed Railway
ZHANG Liangyong
(China Railway Eryuan Engineering Group Co．，Ltd．，Chengdu 610031，China)
Abstract：Though the reliability of power supply system with all-cable through line is improved greatly，a series of problems occur，such as terminal overvoltage，increasing of capacitive reactive power，lower system efficiency，switching overvoltage and arc overvoltage under single-phase grounding fault due to excessive capacitive current in the power supply system of high-speed railway．According to common configuration of power through line on high-speed railway，an analysis is made on distribution and parameter level of capacitive current of cable line under normal working conditions and single-phase grounding fault．The theoretical analysis and comparison are made on horizontal difference of capacitive current between single-core cable and three-core cable，through analysis and comparison，it is concluded that single-core cable is more reliable than three-core cable．Suggestions are given for calculation of reactor compensating capacity，verification of compensated capacitive current and selection of neutral point grounding mode in the engineering design．
Key words：capacitive current;capacitive reactive power;reactor;neutral point
中图分类号：U223.5+2
文献标志码：A
文章编号：1674—8247(2015)01—0027—05
收稿日期：2014-10-28
作者简介：张凉永(1964-)，男，工程师，国家注册电气工程师。