并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置電抗器過(guò)電壓保護(hù)

詹廣振

1 事故經(jīng)過(guò)

2007年8月25日，隴海線寧陵?duì)恳冸娝娙菅a(bǔ)償裝置A相干式電抗器在運(yùn)行中著火；10月10日，該所電容補(bǔ)償裝置B相干式電抗器在運(yùn)行中著火；9月16日，隴海線開(kāi)封牽引變電所電容補(bǔ)償裝置A相干式電抗器在運(yùn)行中著火。在上述3起電抗器著火事故中，與之并聯(lián)的10 kV避雷器全部爆炸，且電容補(bǔ)償裝置的保護(hù)裝置均未動(dòng)作，全都是由值班人員發(fā)現(xiàn)電抗器著火后斷開(kāi)并聯(lián)補(bǔ)償裝置真空斷路器。事故造成3臺(tái)電抗器報(bào)廢，直接經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)20萬(wàn)元。

2 并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置保護(hù)的設(shè)置

運(yùn)行的并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置通常設(shè)置的過(guò)電壓、低電壓、差電壓、電流速斷、過(guò)電流和諧波過(guò)電流等保護(hù)裝置對(duì)運(yùn)行中電抗器起火起不到保護(hù)作用。隴海線5個(gè)牽引變電所電容補(bǔ)償裝置中，設(shè)計(jì)了與干式電抗器并聯(lián)的10 kV避雷器，用于保護(hù)電抗器承受的高電壓，但從現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況來(lái)看，實(shí)際保護(hù)效果并不明顯，甚至部分避雷器發(fā)生爆炸。焦枝線南陽(yáng)西牽引變電所，電抗器在運(yùn)行中也發(fā)生過(guò)同樣的事故，避雷器在爆炸前曾連續(xù)動(dòng)作4次。上述情況說(shuō)明，并聯(lián)補(bǔ)償裝置所設(shè)置的各種常規(guī)保護(hù)均不能對(duì)電抗器過(guò)電壓起到有效的保護(hù)作用。

3 電抗器電壓計(jì)算

以寧陵?duì)恳冸娝鵄相電容補(bǔ)償裝置為例。

已知：母線電壓U= 29 000 V，采用BWF-8.4-100-1電容器，補(bǔ)償容量為3 200 kV?A（4串8并），補(bǔ)償度α= 0.125，則：

單臺(tái)電容器的電容C=Q/2πfU2= 4.5μF

每臺(tái)容抗XC= 1/2πfC= 707.7 ?

總?cè)菘?ΣXC= 4XC/8 =353.85 ?

電抗器感抗XL=0.125×ΣXC= 44.23 ?

回路總阻抗X=XL-Σ XC=309.62 ?

回路電流I=U/X=93.66 A

電抗器電壓U=IXL=4 142.58 V

4 電抗器過(guò)電壓分析

4.1 并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置電壓關(guān)系

圖 1為并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置電壓關(guān)系示意圖。

圖1 并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置電壓關(guān)系示意圖

圖2 并聯(lián)補(bǔ)償裝置電壓相量圖

4.2 電抗器過(guò)電壓的形成

為了全面掌握并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置的運(yùn)行情況，在焦枝線南陽(yáng)西牽引變電所投入B相并聯(lián)補(bǔ)償裝置后分別錄制了投入瞬間和有無(wú)牽引負(fù)荷時(shí)的電壓、電流波形圖。

4.2.1 投入瞬間

（1）2段電容器組的電壓波形均為畸變的正弦波（圖略），2段電容器電壓和母線電壓瞬時(shí)值均為27 kV。原因是并聯(lián)補(bǔ)償裝置在投入時(shí)，電容器合閘涌流含有大量諧波，電容器電壓也含有大量諧波，波形發(fā)生嚴(yán)重畸變，在某一時(shí)刻會(huì)形成母線電壓不高而電容器電壓較高的情況。

（2）電抗器電壓波形為畸變的正弦波（圖略），電壓瞬時(shí)值為27 kV，可能會(huì)造成避雷器動(dòng)作，但很快電路就能進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，電抗器電壓恢復(fù)正常，短時(shí)的過(guò)電壓不足以破壞電抗器絕緣。幾次電抗器事故均發(fā)生在持續(xù)運(yùn)行中，投入并聯(lián)補(bǔ)償裝置時(shí)尚未發(fā)生過(guò)電抗器絕緣擊穿事故。

4.2.2 無(wú)牽引負(fù)荷時(shí)段

實(shí)測(cè)該時(shí)段的電壓、電流波形均為較規(guī)范的正弦波。

4.2.3 牽引負(fù)荷較大時(shí)段

2段電容器電壓波形如圖3所示。圖中顯示電容器最大電壓為21.5 kV。電抗器電壓波形如圖4所示，最大電壓為27 kV。

圖3 饋線有負(fù)荷時(shí)并聯(lián)補(bǔ)償裝置電壓波形圖

圖4 饋線有負(fù)荷時(shí)電抗器電壓波形圖

從圖3、圖4看出，電容器、電抗器電壓波形在每一周波固定時(shí)刻都出現(xiàn)較高的瞬時(shí)值，說(shuō)明該時(shí)刻并聯(lián)補(bǔ)償回路中含有大量的諧波電流。究其原因，一是母線電壓因牽引負(fù)荷諧波發(fā)生畸變；二是電容器電壓也因諧波電流發(fā)生畸變。兩者共同作用的結(jié)果可能也會(huì)出現(xiàn)在每一周波的某一時(shí)刻，母線電壓不高而電容器電壓較高的情況。

由此可見(jiàn)，形成電抗器過(guò)電壓的主要原因是電容器組在投入運(yùn)行的瞬間，合閘涌流和牽引負(fù)荷共同作用，引起母線和并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置電壓諧波含量增大波形畸變。

牽引負(fù)荷出現(xiàn)較大諧波含量的持續(xù)時(shí)間通常都比較長(zhǎng)，而且波形恒定，合成的電抗器電壓在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)衰減。因此，牽引負(fù)荷產(chǎn)生的諧波使并聯(lián)補(bǔ)償裝置電壓發(fā)生畸變，從而破壞了電抗器的絕緣性能。

5 電抗器過(guò)電壓保護(hù)的設(shè)置

5.1 保護(hù)方案

電抗器絕緣遭到破壞的最根本原因是電抗器所承受的電壓過(guò)高，超過(guò)其所能承受的電壓，使電抗器匝間絕緣遭到破壞。因此，直接以電抗器所承受的電壓作為保護(hù)動(dòng)作判斷的依據(jù)是防止電抗器因過(guò)電壓損壞最有效的途徑。

電抗器電壓可以通過(guò)母線電壓和電容器電壓合成得到，考慮到放電線圈變比通常和母線電壓互感器變比不一樣，本文將電壓折算到一次值，則電抗器電壓瞬時(shí)值為

式中，nFD為放電線圈變比；nY為母線電壓互感器變比；uC1(t)、uC2(t)分別為2段電容器的電壓瞬時(shí)值；u(t)為母線電壓瞬時(shí)值；t為采樣時(shí)間。

為防止瞬時(shí)值中的干擾脈沖造成保護(hù)裝置誤動(dòng)作，取電抗器電壓有效值作為保護(hù)的監(jiān)測(cè)量，即

式中：uL(k)為電抗器電壓第k點(diǎn)采樣值；N為每周波的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)。

電抗器過(guò)電壓保護(hù)裝置動(dòng)作判別式

式中，UL為電抗器過(guò)電壓保護(hù)裝置動(dòng)作值；ULZD為電抗器過(guò)電壓保護(hù)整定值；ULmax為電抗器所能承受的最高電壓；Kk為可靠系數(shù)，可取1.1～1.2。

同時(shí)，特別注意以下情況：

（1）27.5 kV母線失壓時(shí)，母線電壓突然降為0，而電容器電壓經(jīng)放電線圈未完全衰減，電抗器電壓等于電容器殘壓。

（2）當(dāng)并聯(lián)補(bǔ)償裝置未投入時(shí)，電容器和電抗器實(shí)際電壓均為0，但計(jì)算電抗器合成電壓等于母線電壓。

在上述2種情況中，電抗器合成電壓都可能大于電抗器過(guò)電壓保護(hù)整定值。為了防止該時(shí)刻電抗器過(guò)電壓保護(hù)裝置誤動(dòng)作，在保護(hù)方案中加入斷路器位置檢測(cè)條件，使斷路器處于分閘位置時(shí)不啟動(dòng)電抗器過(guò)電壓保護(hù)裝置，如圖5所示。

圖5 電抗器過(guò)電壓保護(hù)方案框圖

電抗器過(guò)電壓保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)限應(yīng)按躲過(guò)并聯(lián)補(bǔ)償裝置投入時(shí)的暫態(tài)過(guò)程持續(xù)時(shí)間，并大于低電壓保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)限整定。低電壓保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)限一般為0.5～1 s，電抗器過(guò)電壓保護(hù)裝置時(shí)限可取1～3 s。

5.2 保護(hù)裝置接線

如圖6所示，在保護(hù)裝置內(nèi)增加一個(gè)電壓變換器，分別測(cè)量2段電容器電壓，由邏輯部分來(lái)合成電容器差電壓值和電抗器過(guò)電壓值。

圖6 增加電抗器的并聯(lián)補(bǔ)償保護(hù)裝置電壓回路接線圖

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)綜合自動(dòng)化并聯(lián)電容保護(hù)裝置改造，在不需要增加任何一次設(shè)備的情況下，僅對(duì)二次設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)單地修改，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)電抗器的可靠保護(hù)，避免電抗器著火事故的發(fā)生。

[1]TB2009-87 牽引供電系統(tǒng)并聯(lián)電容無(wú)功補(bǔ)償?shù)挠?jì)算條件和方法[S].中華人民共和國(guó)鐵道部，1988.

[2]李群湛.電氣化鐵道并聯(lián)綜合補(bǔ)償及其應(yīng)用[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1993.

[3]周孔章.電路原理[M].北京：高等教育出版社.