王連生

0 引言

蘭新鐵路是國內(nèi)規(guī)劃中“四橫四縱”的重要干線鐵路，是連接中國西部至東部的交通大動(dòng)脈。嘉峪關(guān)不僅是蘭新線上行車裝備的重要檢修基地，也是西部地區(qū)鐵路運(yùn)輸樞紐之一。嘉峪關(guān)設(shè)置有大型客車站、貨站、機(jī)務(wù)段、車務(wù)段、工務(wù)段以及供電、電務(wù)、車輛等多個(gè)車間，涉及鐵路生產(chǎn)生活有關(guān)人口5萬多人。該鐵路設(shè)施及其周邊地區(qū)的生產(chǎn)生活用電均由嘉峪關(guān)中心變配電所提供。

嘉峪關(guān)變配電所原為10 kV配電所，2006年隨著武嘉鐵路電氣化進(jìn)行了相應(yīng)的升級(jí)擴(kuò)容改造。新擴(kuò)建的嘉峪關(guān)變配電所于2006年7月27日投運(yùn)，但是，2006年8月8日就開始發(fā)生設(shè)備絕緣擊穿故障，至本研究的治理之前，開關(guān)柜內(nèi)觸頭盒等絕緣件燒損、電纜頭擊穿等故障次數(shù)已經(jīng)高達(dá)40多次，平均每月發(fā)生一次，嚴(yán)重時(shí)一天發(fā)生 2次。頻繁的跳閘、系統(tǒng)倒換、停電檢修作業(yè)，影響了行車電源的可靠供電和鐵路地區(qū)的正常生活。

為此，嘉峪關(guān)變配電所采取了更換開關(guān)柜觸頭盒、電壓互感器、穿墻套管等部件，添加避雷器、消諧器，加裝復(fù)合絕緣隔板，改變無功補(bǔ)償和系統(tǒng)運(yùn)行方式等措施。但都未能從根本上解決嘉峪關(guān)變配電所設(shè)備絕緣放電和擊穿問題。嘉峪關(guān)變配電所頻發(fā)的絕緣故障引起各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)的高度重視，為此立項(xiàng)進(jìn)行研究。

1 故障原因分析

高壓設(shè)備運(yùn)行實(shí)踐表明，除了外力作用可以直接引起電氣設(shè)備損壞外，造成電氣設(shè)備絕緣放電擊穿的主要原因：一是絕緣老化和缺陷使設(shè)備承受電壓的能力降低；二是過電壓，它超過了設(shè)備額定承受能力。

擴(kuò)建的嘉峪關(guān)變配電所中設(shè)備都是新投運(yùn)的，每次故障后更換的設(shè)備或部件也都嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)和鐵道部頒布的技術(shù)規(guī)程進(jìn)行了絕緣試驗(yàn)，因此，可以認(rèn)定：設(shè)備放電擊穿的原因不是絕緣下降或老化所致，只能是過電壓產(chǎn)生的結(jié)果。

從過電壓理論上看，過電壓是一種電磁暫態(tài)現(xiàn)象，發(fā)生過電壓必須要有外部的電磁沖擊干擾，或者系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)能量較大的“激勵(lì)”（例如：系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行方式變化引起的能量重新分配等）?，F(xiàn)場調(diào)查和分析嘉峪關(guān)變配電所歷次發(fā)生的設(shè)備擊穿故障，發(fā)現(xiàn)每次故障都很突然。故障發(fā)生時(shí)天氣晴朗，沒有雷雨，可以排除雷電過電壓侵入。故障發(fā)生前，系統(tǒng)運(yùn)行正常穩(wěn)定，沒有任何倒閘操作，系統(tǒng)中也沒有其他短路等突發(fā)故障，也可以排除操作過電壓。由于系統(tǒng)運(yùn)行方式?jīng)]有變化，負(fù)荷較小且穩(wěn)定，沒有大的擾動(dòng)，可以排除鐵路供電系統(tǒng)內(nèi)部原因產(chǎn)生電磁諧振的可能性。所以，筆者認(rèn)為嘉峪關(guān)變配電所絕緣放電故障是一種異常過電壓產(chǎn)生的結(jié)果。

嘉峪關(guān)變配電所主接線如圖 1所示，有 2條35 kV高壓進(jìn)線（祁鐵線、新鐵線）。進(jìn)線中插入多段三芯和單芯電纜，考慮35 kV架空線、電纜線路、高壓室母線的相間電容、對(duì)地等效電容、線路等值電感、所用變壓器的等值電感、電壓互感器的等值電感、主變壓器的等值電感，這是一個(gè)復(fù)雜的多網(wǎng)孔L-C參數(shù)電路。根據(jù)電工理論，每一個(gè)L-C網(wǎng)孔都存在一個(gè)固有的諧振頻率，都可能構(gòu)成一個(gè)固有的諧振。由于L-C參數(shù)的復(fù)雜性，其諧振頻率可以是高頻的，也可以是低頻、分頻率的，是否發(fā)生諧振，依賴于電路中可能出現(xiàn)的電磁擾動(dòng)。祁鐵線和新鐵線都是從地方110 kV變配電所的 35 kV母線上引出，母線上帶有多條其他的負(fù)荷線路，其中有酒泉鋼廠的電源線路。鋼鐵企業(yè)的變流設(shè)備、軋鋼沖擊等，存在非常寬范圍的頻率，這些寬頻率的電磁沖擊或擾動(dòng)，對(duì)大容量的地方110 kV變配電所而言，相對(duì)能量較小，不足以引起過電壓，但是，對(duì)連接在同一母線上的嘉峪關(guān)變配電所而言，由于本身負(fù)荷輕，架空線路與電纜線路交替相連，呈復(fù)雜的L-C網(wǎng)絡(luò)，在來自電源方面的寬頻率電磁沖擊或擾動(dòng)作用下，就可能誘發(fā)諧振，使嘉峪關(guān)變配電所在沒有雷電、沒有操作、系統(tǒng)穩(wěn)定的情況，突然發(fā)生異常過電壓，導(dǎo)致設(shè)備放電擊穿。

圖1 嘉峪關(guān)變配電所主接線及故障部位示意圖

2 異常過電壓仿真

2.1 嘉峪關(guān)變配電所設(shè)備及負(fù)荷情況

所用變壓器：SC9-50/35GY，4 000 kV · A。

電流互感器：35 kV 側(cè)：150/5（LDJ1-35/300S）；10 kV 側(cè) 300/5（LZZB19-10C2）。

斷路器：35 kV側(cè) ZN12-40.5/1250-25；10 kV側(cè) ZN28-12/1250-25。

母線電壓互感器：JDZX9-35/0.1。

最大負(fù)荷時(shí)段：32 A（9：00～11：00），cosφ= 0.9。

最小負(fù)荷時(shí)段：21 A（2：00～6：00），cosφ=0.93。

2.2 等值電路與仿真

由于嘉峪關(guān)變配電所的新鐵電源和祈鐵電源獨(dú)立，線路結(jié)構(gòu)基本對(duì)稱，仿真計(jì)算只需考慮一邊。新鐵線系統(tǒng)的等值電路如圖2所示，其中鋼鐵企業(yè)的電磁干擾等效為幅值和頻率都是隨機(jī)發(fā)生的沖擊擾動(dòng)，用i(t)cj表示。

假設(shè)與新鐵線連接在同一母線上的諧波沖擊源i(t)cj如圖3所示，其最大峰值為30 A，等值有效值大約為 21 A；按照傅立葉級(jí)數(shù)分解方法，可以計(jì)算出各次諧波含量百分比如圖4所示。

圖2 嘉峪關(guān)變配電所新鐵線系統(tǒng)等值電路圖

圖3 諧波沖擊源i(t)cj波形圖

圖4 i(t)cj諧波含量百分比圖

按照嘉峪關(guān)變配電所設(shè)備實(shí)際參數(shù)，在計(jì)算機(jī)仿真過程中改變不同的諧波沖擊時(shí)刻和諧波含量的組合，按照疊加方式繪制的嘉峪關(guān)所入口處出現(xiàn)的諧波諧振過電壓分布如圖5所示。可以看到：隨著諧波干擾源的諧波含量增加，過電壓總趨勢呈增加勢態(tài)，在諧波含量為13%～21%時(shí)，過電壓接近200 kV；諧波含量為50%的情況下，過電壓峰值可高達(dá) 380 kV。嘉峪關(guān)變配電所的設(shè)備絕緣無法承受如此高的過電壓，必須進(jìn)行限制，才能夠保證嘉峪關(guān)電力所的運(yùn)行安全。

圖5 諧波諧振過電壓分布圖

3 過電壓治理運(yùn)用效果

電工理論表明：當(dāng)系統(tǒng)中的容性參數(shù)C等于或者接近系統(tǒng)的感性參數(shù)L時(shí)，即：2πfC=1/(2πfL)就會(huì)發(fā)生諧振。對(duì)供電系統(tǒng)而言，系統(tǒng)的容性參數(shù)C是線性不變的；系統(tǒng)的感性參數(shù)L在變壓器、互感器等鐵磁設(shè)備的工作電壓不超過其額定電壓時(shí)也是線性不變的；因此，從上式可以看到：引發(fā)系統(tǒng)諧振的關(guān)鍵因素是頻率f。

上述分析已經(jīng)表明嘉峪關(guān)變配電所的過電壓屬于鐵路系統(tǒng)外的強(qiáng)電磁干擾（非工頻f）侵入所致，只要在嘉峪關(guān)變電所入口處吸收消滅掉來自鋼鐵企業(yè)的非工頻f干擾，就可以消除該類異常過電壓。為此，蘭州供電段聯(lián)合北京交通大學(xué)開發(fā)了一種多諧抑制器和多諧阻尼器，工作原理就是對(duì)寬范圍的多種諧波進(jìn)行抑制和阻尼。

研制裝置于2009年8月初在嘉峪關(guān)變配電所新鐵進(jìn)線單元投運(yùn)，一年多的運(yùn)行結(jié)果表明，新鐵單元再無設(shè)備絕緣故障，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，經(jīng)錄波測試，母線電壓有效值約為37.9 kV，波形基本呈正弦波，符合國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的運(yùn)行質(zhì)量。與此形成鮮明對(duì)比的是嘉峪關(guān)變配電所祁鐵單元仍然發(fā)生了多起設(shè)備絕緣放電擊穿故障。

4 結(jié)論

（1）新擴(kuò)建的嘉峪關(guān)變配電所設(shè)備發(fā)生絕緣放電事故，原因是來自鐵路系統(tǒng)之外的強(qiáng)電磁引起的異常過電壓所致。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明：該類過電壓采用避雷器、消諧器，改變無功補(bǔ)償和系統(tǒng)運(yùn)行方式等，都不能解決問題。這一點(diǎn)對(duì)鐵路供電系統(tǒng)而言具有重要的參考意義。

（2）在嘉峪關(guān)變配電所安裝的多諧抑制器和多諧阻尼器起到了消除該類異常過電壓的作用，運(yùn)行效果良好。

（3）嘉峪關(guān)變配電所的事例已經(jīng)提示：新建或擴(kuò)建鐵路變配電所時(shí)，要充分注意從鐵路電力系統(tǒng)外部可能侵入的強(qiáng)電磁干擾問題。

[1]GB 50052-95 變配電所供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]GB/T 18481-2001變配電所電能質(zhì)量 變配電所暫時(shí)過電壓和瞬態(tài)過電壓[S].

[3]GB 311.1-1997變配電所高壓輸變電設(shè)備的絕緣配合[S].

[4]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) TB 10065－2000 鐵路電力變配電所設(shè)計(jì)規(guī)范，中國鐵道出版社，2000.

[5]劉明光.電氣化鐵道高電壓絕緣與試驗(yàn)技術(shù)[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2001.

[6]劉明光.鐵道電網(wǎng)過電壓分析與防護(hù)[M].北京：北京交通大學(xué)出版社，2009.