曾之煜

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，610031，成都∥助理工程師）

地鐵主變電所電抗器操作過電壓問題分析及解決方案

曾之煜

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，610031，成都∥助理工程師）

在成都地鐵1號線主變電所無功補(bǔ)償工程中，當(dāng)真空斷路器切電抗器時(shí)有爆鳴聲響和弧光的現(xiàn)象。分析了產(chǎn)生過電壓的原因，比較了不同過電壓保護(hù)裝置的優(yōu)缺點(diǎn)。工程實(shí)踐證明，采用阻容吸收器進(jìn)行過電壓抑制效果良好。目前，在成都地鐵線中，主變電所需要切電抗器均優(yōu)先采用阻容吸收器。

地鐵；無功補(bǔ)償；真空斷路器；過電壓；阻容吸收器

Author'saddressChina Railway Eryuan Engineering Group Co.，Ltd.，610031，Chengdu，China

成都地鐵1號線110/35 k V主變電所投入使用后，由于其110 k V進(jìn)線電纜較長，在各個(gè)時(shí)段，系統(tǒng)均將向電力系統(tǒng)倒送容性無功，被該市電業(yè)局計(jì)入罰款區(qū)間。僅在地鐵運(yùn)營高峰小時(shí)時(shí)，容性無功就大致和大量電機(jī)、整流設(shè)備發(fā)出的感性無功相抵消?？紤]到將來系統(tǒng)運(yùn)量增大或負(fù)荷增加將可能產(chǎn)生容性無功的補(bǔ)償需求，同時(shí)為了避免固定電抗器頻繁投切，采用并聯(lián)電抗器加SVG（靜止無功發(fā)生器）的補(bǔ)償方式。并聯(lián)電抗器的容量按接近110 k V電纜固有無功定檔，采用三相干式鐵心電抗器，剩余補(bǔ)償容量由SVG提供。系統(tǒng)示意圖見圖1。

圖1 供電系統(tǒng)示意圖

1 問題及現(xiàn)象

設(shè)備調(diào)試時(shí)，合SVG線路斷路器和電抗器線路斷路器、切SVG線路斷路器，一切正常；切電抗器線路斷路器時(shí)，電抗器室響起爆鳴聲，其上部出現(xiàn)弧光。電抗器室距35 k V開關(guān)柜室約100 m，35 k V斷路器無異?，F(xiàn)象。檢查電抗器設(shè)備周圍，未見明顯的絕緣擊穿跡象。

2 過電壓原因分析

由于出現(xiàn)爆鳴聲及弧光，初步判定為過電壓所致。由于采用真空斷路器投切電抗器，過電壓產(chǎn)生的原因初步分析可能有3種：①真空斷路器截流過電壓；②多次重燃過電壓；③三相同時(shí)開斷過電壓。下面分別分析各種原因及原理。

2.1 截流過電壓

由于真空斷路器能開斷高達(dá)10 k A甚至到100 k A的短路電流，電流過零時(shí)介質(zhì)強(qiáng)度迅速恢復(fù)不會(huì)重燃。但當(dāng)開斷感性小電流時(shí)（通常認(rèn)為小于100 A），由于真空斷路器具備超強(qiáng)的滅弧能力，而小的電弧電流極不穩(wěn)定，電流還未過零電弧即被強(qiáng)行熄滅。電流就像被截?cái)嘣陔姼兄幸粯?，被截?cái)嗟碾娏魉查g以電磁能的形式加在電纜電容上，在電感進(jìn)線端產(chǎn)生過電壓，危及設(shè)備安全。在三相配電系統(tǒng)中，截流過電壓可分為首相開斷過電壓和兩相開斷過電壓。此處限于篇幅，簡要分析首相開斷截流過電壓。系統(tǒng)參數(shù)見表1，等效電路見圖2。

表1 三相配電系統(tǒng)參數(shù)

圖2 三相配電系統(tǒng)首相開斷等效電路

當(dāng)電流突然被中斷時(shí)，截?cái)嘣陔娍蛊魈幍碾娏鱅j向電纜電容振蕩充電，當(dāng)Lk處的磁能完全轉(zhuǎn)化為附加在C0上的電能時(shí)，不計(jì)回路的電阻、滅弧電壓及其他能量損失，由得在電抗器進(jìn)線處產(chǎn)生的過電壓為，振蕩頻率不同截流值下過電壓有效值計(jì)算見表2。

表2 不同截流值下過電壓

從以上簡要分析看出，截流過電壓和截流值成正比，其幅值較高，振蕩頻率也較高。JB/T 10775—2007《6 k V～35 k V級干式并聯(lián)電抗器技術(shù)參數(shù)和要求》中規(guī)定：設(shè)備最高電壓為40.5 k V的干式鐵心并聯(lián)電抗器的額定工頻耐受電壓為85 k V，額定雷電沖擊耐受電壓為200 k V。從表2可以看出，當(dāng)真空斷路器截流值大于10 A時(shí)，截流過電壓已經(jīng)超過額定工頻耐受電壓；當(dāng)截流值大于20 A時(shí)，截流過電壓甚至將超過額定雷電沖擊耐受電壓?？紤]到電抗器實(shí)際絕緣水平受制造水平、使用環(huán)境等因素影響，必須采取措施降低斷路器截流值。

截流值大小主要取決于真空斷路器滅弧室的觸頭材料，文獻(xiàn)［7］給出了常用金屬或合金在真空中的截流值（見表3）。

表3 常用金屬或合金在真空中的截流值A(chǔ)

現(xiàn)在市場上廣泛采用銅合金（如CrCu）作為觸頭材料，其特點(diǎn)是分?jǐn)嗄芰Υ?、耐電壓耐電腐蝕性能好、截流值低、有足夠的抗熔焊性。由于銅鉻合金觸頭研制成本較高（特別是試驗(yàn)、鑒定），在設(shè)計(jì)中遇到有切感性負(fù)載需求時(shí)，建議要求供應(yīng)商提供真空斷路器截流值及觸頭材料材質(zhì)。

2.2 多次重燃過電壓

多次重燃過電壓發(fā)生幾率并不高，主要產(chǎn)生原因是電纜分布電容和并聯(lián)電抗器之間形成LC（電感電容）回路，斷路器分合過程中，LC回路產(chǎn)生高頻電磁振蕩。以單相斷路器切電抗器為例，不考慮截流的情況，當(dāng)工頻電流過零時(shí)，斷路器開斷熄弧，此時(shí)Lk、C0開始磁場能量的互相交換。此時(shí)開斷的斷路器兩側(cè)電壓分別為電源電壓和LC回路高頻振蕩產(chǎn)生的電壓，觸頭間電壓為兩者的疊加，可稱為恢復(fù)電壓Uh。此時(shí)觸頭間拉開距離很短，無法耐受Uh，將發(fā)生第一次重燃。第一次重燃熄弧后，由于Lk、C0在第一次重燃時(shí)已經(jīng)從電源處補(bǔ)充了已經(jīng)衰減的電磁能，故觸頭有可能再次擊穿，發(fā)生第二次重燃。如此循環(huán)，相當(dāng)于電源不斷地向LC回路注入能量，在并聯(lián)電抗器進(jìn)線處產(chǎn)生的高頻振蕩過電壓不斷升高，對設(shè)備造成嚴(yán)重危害。此外，也只有真空斷路器才具備熄滅高頻擊穿電弧的能力，若用其他類型斷路器，保護(hù)裝置可能已經(jīng)動(dòng)作。

2.3 三相同時(shí)開斷過電壓

三相同時(shí)開斷過電壓本質(zhì)是由單相重燃所致。由于斷路器開斷時(shí)固有的不同期性，首相開斷時(shí)產(chǎn)生的重燃高頻電流會(huì)耦合到后兩相。而從上述重燃過電壓的分析知，首相產(chǎn)生的重燃高頻振蕩過電壓不斷升高，將導(dǎo)致后兩相的高頻電流不斷增大。由于真空斷路器極強(qiáng)的滅高頻電弧的能力，后兩相電流未到過零點(diǎn)時(shí)被強(qiáng)制熄滅，產(chǎn)生類似截流的現(xiàn)象，從而產(chǎn)生三相同時(shí)開斷過電壓。

3 解決措施

限制系統(tǒng)內(nèi)部過電壓的主要方法如下。

3.1 金屬氧化物避雷器（Metal Oxide Arrester）

金屬氧化物避雷器主要部件是氧化鋅閥片（壓敏電阻），具有理想的非線性電阻特性，其在正常工作電壓下電阻率高達(dá)108～1011，流過的電流僅為1 m A，相當(dāng)于一個(gè)絕緣體。而在過電壓作用下，電阻片的電阻很小，可以通過大電流。其還具有體積小、安裝方便的特點(diǎn)。目前國內(nèi)大多數(shù)真空斷路器開關(guān)柜配備了氧化鋅避雷器。缺點(diǎn)是存在熱老化、殘壓過高現(xiàn)象。正常工作時(shí)，由于閥片長期承受工頻電壓作用而劣化，引起電阻特性變化，導(dǎo)致流過閥片的泄漏電流的增加。電流中的阻性分量急劇增加，使閥片上溫度上升而發(fā)生熱崩潰，嚴(yán)重時(shí)，甚至引起避雷器的爆炸事故。此外其只限幅，不限頻，截流或重燃過電壓類似陡波，其波頭時(shí)間不足1μs，氧化鋅避雷器對此類陡波難以迅速響應(yīng)，故限制高頻過電壓的作用不大。

3.2 R-C阻容吸收器

將電容和電阻串聯(lián)后一端接在負(fù)載進(jìn)線端，一端接地，當(dāng)線路LC回路產(chǎn)生高頻振蕩過電壓時(shí)，電阻將提供阻尼振蕩而使能量衰減，電容可以限制過電壓的陡度，同時(shí)降低振蕩頻率。同時(shí)由于電容阻抗ZC=1/2πfC，（f為振蕩頻率，C為阻容吸收器電容）產(chǎn)生高頻過電壓時(shí)，阻容吸收器阻抗大大減小，過電壓產(chǎn)生的能量將快速泄放。

考慮到電容電壓不能突變的特性，在抑制操作過電壓上升陡度及高頻振蕩方面，阻容吸收器較避雷器效果更好。本工程采用在并聯(lián)電抗器進(jìn)線處加裝阻容吸收器的方案。

在重燃和三相同時(shí)開斷產(chǎn)生的過電壓中，過電壓由于反復(fù)的高頻振蕩而較長時(shí)間存在，能量極大，極易造成電容擊穿和電阻燒毀。在阻容吸收器參數(shù)選擇上，電阻越大，越有利于電容安全，但LRC（電感電阻電容）回路的時(shí)間常數(shù)將增大，延長了暫態(tài)時(shí)間，降低了保護(hù)的靈敏性。電容大小直接關(guān)系到阻容吸收器吸收能量的大小。傳統(tǒng)的阻容吸收器采用固定電阻加固定電容的方式，常用的是電阻100Ω，電容0.1μF（或0.05μF），此類阻容吸收器在正常工作電壓下，電阻長期承受工頻額定電壓而持續(xù)發(fā)熱，其電阻特性將發(fā)生改變，有燒毀電阻的隱患。同時(shí)，由于35 k V系統(tǒng)采用非直接接地，阻容吸收器加大了對地電容電流，對整個(gè)系統(tǒng)的接地方式和繼電保護(hù)的選擇性都有影響。自控式阻容吸收器利用電阻元件材質(zhì)納秒級的響應(yīng)速度，在正常工作情況下，呈現(xiàn)兆歐級的高阻態(tài)，使阻容吸收器回路電流極小，起到與電源隔離作用；而在過電壓作用下，迅速轉(zhuǎn)化為幾十至幾百歐姆的低阻態(tài)，使其自動(dòng)即時(shí)接入線路，起到保護(hù)作用。實(shí)現(xiàn)了快速導(dǎo)通、快速關(guān)斷的自控功能。

本工程選用ZR5型自控式阻容吸收器（見圖3），電容0.1μF，額定電壓35 k V，電容直流耐受電壓120 k V（10 s）。在電抗器進(jìn)線處每相安裝一臺(tái)。確認(rèn)電抗器外絕緣未受損害后，閉合電抗器線路的真空斷路器，再切斷，反復(fù)多次試驗(yàn)，再未出現(xiàn)爆鳴和弧光現(xiàn)象；并聯(lián)電抗器正式投入運(yùn)營后，地鐵供電系統(tǒng)的功率因數(shù)保持在0.95以上，整個(gè)無功補(bǔ)償裝置運(yùn)行情況良好。

圖3 阻容吸收器

4 結(jié)語

真空短路器在切斷距離較遠(yuǎn)（數(shù)十米以上）的感性負(fù)載（電機(jī)、變壓器、電抗器等）時(shí)，由于線纜分布電容較大，其和負(fù)載的電感之間存在能量轉(zhuǎn)換，同時(shí)伴隨高頻振蕩，截流是產(chǎn)生過電壓的最常見原因，同時(shí)也不能忽視重燃和三相同時(shí)開斷過電壓的影響?？傊到y(tǒng)內(nèi)部過電壓都是由于系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)電磁能產(chǎn)生振蕩、積聚而引起的，限制內(nèi)部過電壓的措施就是衰減電磁振蕩的能量。具體采用何種過電壓保護(hù)設(shè)備，應(yīng)根據(jù)過電壓的性質(zhì)、系統(tǒng)方式等綜合考慮。以往地鐵項(xiàng)目采用并聯(lián)電抗器的情況較少，本工程采用的過電壓保護(hù)方案使設(shè)備運(yùn)行良好，成本低廉，安裝方便，故在該市主變電所需要切電抗器的其他地鐵線路中均優(yōu)先采用阻容吸收器。

［1］ GB 1984—2003高壓交流斷路器［S］.

［2］ JB/T 10775—2007 6 k V～35 k V級干式并聯(lián)電抗器技術(shù)參數(shù)和要求［S］.

［3］ 李國強(qiáng)，崔平，王春芳，等.10.5 k V10 MVA并聯(lián)電抗器截流過電壓保護(hù)［J］.黑龍江電力.2008，30（3）：230.

［4］ 關(guān)永剛，唐琦雯，劉衛(wèi)東，等.40.5 k V真空斷路器開斷并聯(lián)電抗器時(shí)過電壓的產(chǎn)生機(jī)制［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào).2012，32（33）：124.

［5］ 馮愛生，常愛軍，胡志強(qiáng)，等.真空斷路器操作過電壓分析、防護(hù)及其保護(hù)的改進(jìn)［J］.煤.2010，19（增刊1）：51.

［6］ 王志勝，王章啟.開關(guān)多次重燃對過電壓的限制或遞增作用［J］.高電壓技術(shù).1999，25（3）：75.

［7］ 杜寧，關(guān)永剛，張景生，等.40.5 k V真空斷路器開斷并聯(lián)電抗器的過電壓保護(hù)［J］.高電壓技術(shù).2010，36（2）：345.

Solution to Overvoltage Problems in Reactor Operation at Main Subway Transformer Substation

Zeng Zhiyu

In the var compensation project of the main transformer substation on Chengdu subway Line 1，a detonation sound and arc phenomena happened when vacuum circuit breaker sheared the reactor.The causes of overvoltage are analysed，the advantages and disadvantages of overvoltage protection devicesare compared.Engineering practices prove that R/Cabsorber used for overvoltage suppression has good performance.At present，the R/C absorber is preferred by the main transformer substation on Chengdu subway lines.

metro；var compensation；vacuum circuit breaker；overvoltage，R/C absorber

U 231.8

2013-11-15）