門智堃，朱 毅，魏智超，楊為波

(1 北京鐵路局 供電處，北京100860; 2 石家莊供電局，河北石家莊050000; 3 華北電力大學(xué)，河北保定071003)

石太客運(yùn)專線配電所貫通隔離變壓器燒損原因分析

門智堃1，朱 毅2，魏智超3，楊為波1

(1 北京鐵路局 供電處，北京100860; 2 石家莊供電局，河北石家莊050000; 3 華北電力大學(xué)，河北保定071003)

石太客運(yùn)專線電力配電所貫通母線段隔離變壓器，自投入運(yùn)行以來發(fā)生了多次燒損事故。通過分折找出了事故原因并提岀了解決方案。對新線建設(shè)鐵路配電所電力貫通線路補(bǔ)償方式、貫通母線段隔離變壓器容量的選擇提出了建議。

客專;配電所;隔離變壓器;燒損

石家莊—太原客運(yùn)專線(簡稱:石太客專)信號供電系統(tǒng)由兩路10 kV電力貫通線路組成。一路為一級負(fù)荷電力貫通線路，線路全部采用非磁鎧裝交聯(lián)單芯銅電纜，型號YJV62－10 1*70。一路為綜合負(fù)荷電力貫通線路，采用非磁鎧裝交聯(lián)單芯銅電纜與架空線混合方式，電纜型號YJV62－10 1*70、架空導(dǎo)線型號LGJ－70。全線設(shè)置井陘北、陽泉北、K178、K202 4座10 kV配電所。各配電所均接引兩路電源。各配電所除為本站供電的同時，向沿線兩個方向供岀雙回路貫通線路。

各配電所采用單母線分段全負(fù)荷備用運(yùn)行方式，正常時兩路電源分段運(yùn)行，互為備用。在輸入電源故障或停電檢修時，閉合母聯(lián)開關(guān)由另一路電源帶全所負(fù)荷供電。貫通線路經(jīng)隔離變壓器后饋出。為了解決單相接地時拉弧過電壓及降低接地電流，各母線段設(shè)接地變壓器并經(jīng)消弧線圈接地。為解決電力貫通線路電容電流過大問題，配電所在隔離變壓器后母線段上安裝了SVG無功補(bǔ)償裝置［10］。

1 配電所隔離變壓器燒毀情況及分析

1.1 隔離變壓器燒毀情況

石太客專在2009年4月1日投入運(yùn)行，在2010年3月10日陽泉北配電所一級負(fù)荷貫通母線段500 kVA隔離變壓器燒毀;2010年11月11日K178配電所一級負(fù)荷貫通母線段400 kVA隔離變壓器燒毀;在2008年底石太客專試運(yùn)行時，陽泉北配電所一級負(fù)荷貫通母線段500 kVA隔離變壓器燒毀。被燒毀的隔離變壓器均為SCZ9型干式變壓器。經(jīng)過了解3次隔離變壓器燒毀時配電所母線段SVG無功補(bǔ)償裝置都因故障不能投入而退出運(yùn)行。

以2010年11月11日K178配電所一級負(fù)荷貫通線路側(cè)400 kVA隔離變壓器燒毀為例進(jìn)行具體分析。K178配電所一級負(fù)荷貫通線路供陽泉北配電所方向距離67 km，供202 km配電所方向距離24 km。

1.2 SVG無功補(bǔ)償裝置質(zhì)量存在的問題

由于石太客專一級負(fù)荷、綜合負(fù)荷電力貫通線路為電纜線路，容性電流較大。因此，在石太客專貫通線路設(shè)計時各配電所在一級貫通、綜合貫通母線段分別安裝了集中SVG無功補(bǔ)償裝置。SVG無功補(bǔ)償裝置作用是補(bǔ)償一級貫通、綜合貫通高壓電纜線路的電容電流。

SVG無功補(bǔ)償裝置是指由自換相的電力半導(dǎo)體橋式變流器來進(jìn)行發(fā)生和吸收無功功率動態(tài)補(bǔ)償裝置。SVG由交流環(huán)節(jié)和直流環(huán)節(jié)組成，交流環(huán)節(jié)+與系統(tǒng)相連接，SVG是先將系統(tǒng)的交流電能經(jīng)變流器轉(zhuǎn)換成直流并保存在直流側(cè)的儲能器內(nèi)，同時直流側(cè)電壓電流經(jīng)過變流器變成交流電壓電流輸送到系統(tǒng)。由于SVG是采用自換相的變流器，它把變流器電路看成是一個產(chǎn)生基波和諧波電壓的交流電壓源，控制補(bǔ)償器基波電壓大小與相位，可改變基波無功電流的大小與相位。當(dāng)變流器基波電壓比交流電源電壓高時，變流器就會產(chǎn)生一個超前無功電流。反之，當(dāng)變流器基波電壓比交流電源電壓低時，則會產(chǎn)生一個滯后無功電流［7］。SVG根據(jù)直流側(cè)采用電容和電感兩種不同的儲能元件，可以分為電壓型和電流型兩種。無論是電壓型、還是電流型的SVG無功功率發(fā)生器補(bǔ)償裝置，其動態(tài)補(bǔ)償?shù)臋C(jī)理是相同的。當(dāng)逆變器脈寬恒定時，調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓及系統(tǒng)電壓之間的夾角δ，就可以調(diào)節(jié)無功功率及逆變器直流側(cè)電容電壓UC，同時調(diào)節(jié)夾角δ和逆變器脈寬，既可以保持 UC恒定的情況下，發(fā)出或吸收所需的無功功率［3］。目前，國內(nèi)SVG無功補(bǔ)償裝置的市場正處于起步階段，在國內(nèi)SVG尚未大規(guī)模普及，只是在國家電網(wǎng)中有幾處試驗(yàn)性運(yùn)行，在部分企業(yè)、鐵路行業(yè)得到部分運(yùn)用［1］。SVG補(bǔ)償技術(shù)理論是很先進(jìn)的，但它的功率模塊是串聯(lián)運(yùn)行，在運(yùn)行中一但某一個功率模塊發(fā)生故障或控制系統(tǒng)發(fā)生故障，整個系統(tǒng)就要自動退岀運(yùn)行。

石太客專4個配電所共配備SVG無功補(bǔ)償裝置8套，由于運(yùn)行環(huán)境及設(shè)備質(zhì)量問題，SVG無功補(bǔ)償裝置故障不斷，無法正常運(yùn)行。

1.3 隔離變壓器設(shè)計容量存在的問題

K178配電所一級負(fù)荷貫通隔離變壓器型號為SCZ9－400 kVA/10干式變壓器，額定電流為23 A，設(shè)計時隔離變壓器容量是按SVG無功補(bǔ)償裝置正常運(yùn)行狀態(tài)選擇的，并沒有考慮SVG無功補(bǔ)償裝置在故障退岀運(yùn)行后隔離變壓器應(yīng)能承擔(dān)的容量。在變壓器運(yùn)行中，其負(fù)載電流超過了銘牌上規(guī)定的額定電流，就是處于過載運(yùn)行狀態(tài)。變壓器正常短時過負(fù)載的條件，必須是以不損害變壓器的正常使用壽命為前題。變壓器的壽命是由絕緣材料的老化程度決定的，而絕緣材料的老化主要取決于絕緣的工作溫度。室內(nèi)變壓器允許的事故過負(fù)載時間:1.3倍60 min、1.6倍15 min、1.75倍8 min、2倍4 min［2］。而隔離變壓器在燒毀前因SVG無功補(bǔ)償裝置一直不能投入運(yùn)行，隔離變壓器長時間所承擔(dān)的負(fù)荷電流A相40 A、B相39 A、C相39 A。超過變壓器允許負(fù)荷1.78倍。變壓器在運(yùn)行時，變壓器中的熱源是繞組與鐵芯里的損耗［6］。當(dāng)變圧器已經(jīng)帶上額定負(fù)載長期運(yùn)行時，穩(wěn)定溫升已達(dá)允許的極限值，這時不允許變壓器再任意過負(fù)載運(yùn)行，否則會引起變壓器過熱，因?yàn)殡姎庠O(shè)備發(fā)熱與電流的平方成正比，超過額定負(fù)載電流越大設(shè)備發(fā)熱越嚴(yán)重，使用壽命就越短［6］。石太客專隔離變壓器使用的是F級絕緣耐熱等級，其溫升限值155°，最高溫升100 K［5］。如果隔離變壓器長時間工作在嚴(yán)重過負(fù)荷過熱的情況下就會造成熱擊穿。熱擊穿主要是因?yàn)榻^緣介質(zhì)中的發(fā)熱量超過介質(zhì)的散熱能力，由于熱不平衡導(dǎo)致?lián)舸瑹釗舸┲饕l(fā)生在作用時間足夠長、散熱條件較差的場合，高頻電壓下或工作溫度較高時尤其容易發(fā)生［4］。石太客專干式隔離變壓器主絕緣是樹脂材科。純樹脂澆注體、絕緣材料許多力學(xué)性能都隨溫度的升高而惡化。彎曲強(qiáng)度、沖擊韌性、膨脹系數(shù)等性能也隨溫度變化而顯著變化［4］。溫升較高造成了變壓器絕緣環(huán)氧樹脂的加速老化，干式變壓器的絕緣和冷卻特性一般不如油浸式變壓器，因壽命與溫升為指數(shù)關(guān)系，溫升越高壽命越短，最后將變壓器燒毀。

1.4 SVG無功補(bǔ)償裝置設(shè)置方式存在的問題

石太客專SVG無功補(bǔ)償裝置分別按一級貫通和綜合貫通集中安裝在了各自隔離變壓器后的母線段上，線路上沒有固定補(bǔ)償電抗器，這種安裝方式的優(yōu)點(diǎn)是方便控制管理，問題是一但SVG無功補(bǔ)償裝置發(fā)生故障退出運(yùn)行，隔離變壓器將承擔(dān)全部的負(fù)荷電流，如果隔離變壓器容量不夠大，那么就很難保證隔離變壓器的安全運(yùn)行。

2 解決問題的方案

根據(jù)目前石太客專SVG無功補(bǔ)償裝置的實(shí)際運(yùn)行情況，為了保證石太客專的運(yùn)行安全，應(yīng)對SVG無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行技術(shù)改造。新的動態(tài)無功補(bǔ)償裝置如何選擇，筆者提出兩個方案。

(1)固、調(diào)式磁控電抗器型無功補(bǔ)償裝置方案

固、調(diào)式磁控電抗器型無功補(bǔ)償裝置是低壓直流控制，這種無功補(bǔ)償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟(jì)安全。

其系統(tǒng)由兩部分組成:磁控電抗器、控制器。磁控電抗器具有動態(tài)調(diào)節(jié)無功功率的功能。通過控制器對系統(tǒng)的無功功率進(jìn)行采集計算分析，自動控制磁控電抗器內(nèi)可控硅的導(dǎo)通角，改變鐵芯磁閥的磁飽和度，實(shí)現(xiàn)輸出無功容量的連續(xù)可調(diào)［8］。

工作原理:磁控自飽和可控電抗器是利用自耦直流勵磁電流控制鐵芯的飽和度，實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)電抗。如圖1，當(dāng)可控硅T1，T2均不導(dǎo)通時，由繞組結(jié)構(gòu)的對稱性可知，其與空載變壓器作用相同。當(dāng)電源電壓處于正半波時，晶閘管T1承受正向電壓，T2承受反向電壓。此時，若觸發(fā)T1使之導(dǎo)通，電源通過變比為δ的“自耦變壓器”，由匝數(shù)為Nk的線圈向電路提供直流控制電壓和電流。當(dāng)T2在電源的負(fù)半波被觸發(fā)導(dǎo)通時，同樣也產(chǎn)生直流控制電壓和電流，而且控制電流的方向與T1導(dǎo)通時一致。這樣，T1和T2在一個工頻周波內(nèi)輪流導(dǎo)通，構(gòu)成全波整流，二極管D起續(xù)流作用，保證晶閘管在相應(yīng)的正向電壓過零時能夠順利關(guān)斷。改變T1和T2的導(dǎo)通角，便可改變被控電流的大小，從而改變鐵芯的飽和度。實(shí)現(xiàn)電抗值連續(xù)可調(diào)，這種可調(diào)電抗無需外加激磁電源，在整個工作范圍內(nèi)，通過調(diào)節(jié)小截面鐵芯段磁路飽和度，即可實(shí)現(xiàn)電抗器無功容量輸出從空載容量到額定容量之間的無級連續(xù)調(diào)節(jié)，伏安特性較好，諧波含量低［3］。

圖1 工作原理圖

為了解決控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障整個系統(tǒng)退出運(yùn)行的問題，在新的磁控電抗器設(shè)計中設(shè)計固定補(bǔ)償段和可調(diào)補(bǔ)償段。固定補(bǔ)償段的實(shí)現(xiàn)思路就是令可控硅T2不受控制器控制，采用自觸發(fā)方式，自行保持導(dǎo)通狀態(tài)，這樣就解決了基本補(bǔ)償問題［8］?？烧{(diào)補(bǔ)償段由T1在控制器調(diào)節(jié)下完成，一但控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障還有固定補(bǔ)償段進(jìn)行補(bǔ)償。此設(shè)備在京九線、石德線投入使用，新型固、調(diào)式磁控電抗器經(jīng)過上線運(yùn)行，補(bǔ)償效果明顯，運(yùn)行可靠。通過對設(shè)備運(yùn)行后測試情況看，系統(tǒng)諧波含量、設(shè)備運(yùn)行溫升、設(shè)備所產(chǎn)生的噪聲、功率因數(shù)等都達(dá)到了設(shè)計指標(biāo)，是自閉、貫通電力線路無功補(bǔ)償較為理想的設(shè)備［11］。

(2)10 kV電力線路調(diào)匝式電抗器自動補(bǔ)償裝置方案

2006年針對自閉電力線路因大量采用10 kV高壓電力電纜造成電容電流過大、供電部門罰款、發(fā)生單相接地時產(chǎn)生間隙弧光短路造成過流保護(hù)動作問題，由北京鐵路局石家莊供電段立項(xiàng)與有關(guān)廠家合作研制了10 kV電力線路調(diào)匝式電抗器自動補(bǔ)償裝置。在京九線大營配電室投入運(yùn)行，運(yùn)行8年來未發(fā)生任何問題。

調(diào)匝式電抗器自動補(bǔ)償裝置由兩個部分組成:第1部分是有載調(diào)匝式可控電抗器，通過改變電抗器繞組的匝數(shù)來改變電感，匝數(shù)的很小改變可導(dǎo)至電抗值較大的改變［12］。電壓為10 kV及以下范圍，容量根據(jù)現(xiàn)場要求進(jìn)行設(shè)計。并設(shè)固定補(bǔ)償段和可調(diào)補(bǔ)償段。可調(diào)補(bǔ)償段由有載分接開關(guān)完成。第2部分是DKXFA型自動補(bǔ)償控制器，它是根據(jù)送電端的功率因數(shù)和反送無功功率的大小自動調(diào)整并聯(lián)電抗器分接頭，改變電抗值，達(dá)到平衡線路無功的目的［9］。

以上兩個方案比:調(diào)匝式電抗器自動補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠。因調(diào)匝式電抗器自動補(bǔ)償裝置是分段投入，有欠補(bǔ)及過補(bǔ)問題。固、調(diào)式磁控電抗器無功補(bǔ)償方案補(bǔ)償跟進(jìn)速度快，可以達(dá)到較好的補(bǔ)償效果，二是低壓進(jìn)行補(bǔ)償控制比較安全可靠。一但控制部分發(fā)生問題，還有固定補(bǔ)償部分進(jìn)行補(bǔ)償保證隔離變壓器運(yùn)行安全。

3 建議

(1)石太客專無功補(bǔ)償改造方案建議

石太客專采用的是SVG無功補(bǔ)償裝置補(bǔ)償電纜電容電流。鑒于石太客專目前的實(shí)際情況，只能對現(xiàn)用的補(bǔ)償裝置進(jìn)行技術(shù)改造。一是可采用新型固、調(diào)式磁控電抗器型無功補(bǔ)償方案。二是可采用調(diào)匝式電抗器自動補(bǔ)償裝置方案。三是對既有設(shè)備進(jìn)行改造，采用在配電所貫通母線段上安裝固定電抗器加動態(tài)補(bǔ)償裝置方案。

(2)新線建設(shè)補(bǔ)償方式的建議

針對石太客專SVG無功補(bǔ)償裝置岀現(xiàn)的問題，在SVG無功補(bǔ)償裝置質(zhì)量尚不穩(wěn)定的情況下為了保證隔離變壓器運(yùn)行安全，建議建設(shè)單位、設(shè)計單位在貫通線路無功補(bǔ)償裝置方案設(shè)計時，一是采用動態(tài)無功補(bǔ)償加固定無功補(bǔ)償方式。在電力貫通線路上加裝固定補(bǔ)償電抗器，在配電所內(nèi)一級貫通、綜合貫通母線段上加裝動態(tài)無功補(bǔ)償裝置。動態(tài)無功補(bǔ)償應(yīng)選擇固、調(diào)式磁控電抗無功補(bǔ)償裝置或調(diào)匝式電抗器自動補(bǔ)償裝置。二是在配電所內(nèi)一級貫通、綜合貫通母線段安裝集中固、調(diào)式磁控電抗器無功補(bǔ)償裝置或調(diào)匝式電抗器自動補(bǔ)償裝置。三是采用單供電臂固定補(bǔ)償加動態(tài)補(bǔ)償方案，固定補(bǔ)償加在電力貫通線路上，動態(tài)補(bǔ)償加在一級貫通、綜合貫通饋出柜下方。

(3)隔離變壓器容量選擇建議

根據(jù)石太客專配電所隔離變壓器多次燒毀的情況，無功功率補(bǔ)償設(shè)備在質(zhì)量上百分之百的可靠是不可能的。因此，設(shè)計部門在計算隔離變壓器容量時，應(yīng)考慮無功補(bǔ)償裝置在故障退出運(yùn)行情況下的最大負(fù)荷電流，以此來選擇隔離變壓器容量。

［1］ 深圳前瞻商業(yè)資訊有限公司.中國無功補(bǔ)償裝置彷業(yè)產(chǎn)銷需求與投資預(yù)測分析報告(上)［R］.深圳:深圳前瞻商業(yè)資訊有限公司.2010.

［2］ 楚樹章.電力技術(shù)問答［M］.北京:中國鐵道出版社，1996.

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［10］ 鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司石太項(xiàng)目部.石太客運(yùn)專線電力子系統(tǒng)培訓(xùn)教材［Z］.天津:鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，2008.

［11］ 陳修延，戴 謙，韓冬竹.新型固調(diào)式磁控電抗器在鐵路貫通電力線路中的應(yīng)用［J］.鐵道機(jī)車車輛，2012，32(5): 92-95.

［12］ 周臘吾，徐 勇，朱 青，等.新型可控電抗器的工作原理與選型分析［J］.變壓器，2003，40(8):1-5.

Abstract:Since the isolation transformer of distribution substation through bus section has been put into operation in Shijiazhuang-taiyuan railway passenger dedicated line，the burning accident occurred several times.This paper finds out the burning cause，and proposes several solutions.At the same time，the paper makes some suggestion about power line compensation of distribution substation and the capacity of isolation transformer through bus segment about the new railway line.

Key words:passenger dedicated line;distribution substation;isolation transformer;burning

Analysis and Treatment on Abnormal Fault Location of AT Traction Power Supply in High-speed Railway

LI Yanji1，LU Xingli1，WANG Hangchen2
(1 Shijiazhuang Section for Power Supply，Beijing Railway Bureau，Shijiazhuang 050000 Hebei，China; 2 Changsha University of Science Technology，Changsha 410114 Hunan，China)

By analyzing the current direction and magnitude of twice traction substation tripping in Jing-guang high-speed railway line，the larger difference between the theoretical value and actual value was found.By acknowledgement of the fault position，the feasible plan was proposed，which can determine the abnormal fault location and find the fault position of catenary under special circumstances.

high-speed railway;fault location;current magnitude;current angle根據(jù)運(yùn)行方式K178配電所一級負(fù)荷貫通線路對這兩個方向均為主供。配電所一級負(fù)荷貫通側(cè)SVG無功補(bǔ)償裝置容量為750 kvar，因產(chǎn)品質(zhì)量問題一直不能正常投入運(yùn)行，因此隔離變壓器承擔(dān)了全部負(fù)荷電流。400 kVA隔離變壓器額定電流23 A，通過查看運(yùn)行記錄隔離變壓器在燒毀前負(fù)荷電流為A相40 A、B相39 A、C相39 A。超額定電流18 A，超額定容量78%。隔離變壓器在長時間過負(fù)荷情況下運(yùn)行，使隔離變壓器絕緣老化加速，最終將隔離變壓器燒損。

Analysis on Isolation Transformer Burning of Distribution Substation in Shijiazhuang-taiyuan Railway Passenger Dedicated Line

MEN Zhikun1，ZHU Yi2，WEI Zhichao3，YANG Weibo1
(1 Power Supply Depot，Beijing Railway Bureau，Beijing 100860，China; 2 Shijiazhuang Power Supply Bureau，Shijiazhuang 050000 Hebei，China; 3 North China Electric Power University，Baoding 071003 Hebei，China)

U224.3+1

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2015.01.15

1008－7842(2015)01－0069－04

0—)男，助理工程師(

2014－08－20)