袁士超，羅 軼，張 威，呂 濤

(國網(wǎng)浙江省電力有限公司寧波供電公司，浙江 寧波 315010)

0 引言

變電站是電力系統(tǒng)中變換電壓、接受和分配電能、控制電力流向及調(diào)整電壓的電力設(shè)施。變電站內(nèi)除變壓器、母線、斷路器等設(shè)備外，還裝有大量電容、電感等電網(wǎng)無功元件。為提高電網(wǎng)功率因數(shù)，降低變壓器及輸送線路損耗，提高供電效率，無功設(shè)備投切是電網(wǎng)運(yùn)行中最頻繁的操作，但由此產(chǎn)生的過電壓現(xiàn)象也非常普遍，其中切除并聯(lián)電抗器的操作過電壓尤為嚴(yán)重，由真空斷路器投切電抗器引發(fā)的開關(guān)爆炸、電抗器絕緣擊穿等故障時(shí)有發(fā)生。

以一起35 kV真空斷路器切除并聯(lián)電抗器操作過電壓故障為例，根據(jù)故障錄波實(shí)測數(shù)據(jù)和設(shè)備損壞檢查情況，分析其產(chǎn)生原因和過電壓機(jī)理，結(jié)合各項(xiàng)措施提出防治建議，對認(rèn)識并聯(lián)電抗器操作過電壓現(xiàn)象及風(fēng)險(xiǎn)并開展有效治理具有積極意義。

1 并聯(lián)電抗器操作過電壓故障

1.1 故障概況

某220 kV變電站35 kVⅠ，Ⅱ母線接線方式如圖1所示。故障發(fā)生前，該站35 kVⅠ，Ⅱ母線處于并列運(yùn)行狀態(tài)。

圖1 35 kV側(cè)系統(tǒng)接線

故障發(fā)生前，該變電站35 kV 3號電抗器開關(guān)正在進(jìn)行分閘操作時(shí)，35 kVⅡ母線母差保護(hù)動作，35 kVⅡ母線失電，主變低壓側(cè)故障電流8 500 A。

1.2 避雷器動作情況

故障前，3號電抗器側(cè)避雷器A，B，C三相動作次數(shù)計(jì)數(shù)分別為5，4，8；故障發(fā)生后，讀取避雷器動作次數(shù)計(jì)數(shù)，變?yōu)?，5，9，即B，C相避雷器各多動作了一次。35 kVⅡ段母線側(cè)避雷器未動作。由此可見，3號電抗器側(cè)過電壓水平較高，導(dǎo)致避雷器動作，而35 kVⅡ段母線上的過電壓水平相對較低。

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)情況

故障發(fā)生后，對3號電抗器開關(guān)開展了相關(guān)試驗(yàn)，極間絕緣電阻試驗(yàn)數(shù)據(jù)正常，線圈直流電阻試驗(yàn)數(shù)據(jù)正常，動作特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)正常且與前次試驗(yàn)值相比無明顯變化，極間95 kV/min交流耐壓試驗(yàn)通過，開關(guān)的絕緣特性依舊良好，故判斷故障發(fā)生時(shí)存在較高的過電壓才導(dǎo)致開關(guān)極間絕緣閃絡(luò)。

1.4 現(xiàn)場設(shè)備檢查

經(jīng)檢查，3號電抗器開關(guān)內(nèi)部存在多處放電痕跡，其中貫穿性放電發(fā)生在以下幾個(gè)部位。

(1) A相的上極間絕緣子和下極間絕緣子組合形成3號開關(guān)A相的極間放電，B相的情形類似。上、下極間絕緣子的直線距離為12 cm×2，爬距為18 cm×2，是整個(gè)開關(guān)內(nèi)部的絕緣薄弱環(huán)節(jié)，最初的放電可能起始于此，由于是單相故障，放電痕跡相對較小。

(2) A，B相母線側(cè)導(dǎo)體間，放電痕跡較為明顯，而B，C相母線側(cè)導(dǎo)體間也存在放電，但痕跡相對不明顯，經(jīng)測量導(dǎo)體的相間距離為38 cm。

(3) C相母線側(cè)導(dǎo)體與開關(guān)柜接地外壁間，放電痕跡較為明顯，經(jīng)測量C相導(dǎo)體與開關(guān)柜接地外壁的距離為39 cm，A相導(dǎo)體距離開關(guān)柜接地外壁的距離為42 cm，而A相母線側(cè)導(dǎo)體通過母線側(cè)支撐絕緣子對接地金屬板也發(fā)生了放電，不過痕跡相對不明顯。

1.5 故障錄波信息

經(jīng)檢查故障錄波信息發(fā)現(xiàn)，故障一開始為A，B相間閃絡(luò)，兩相故障電流幅值相同、方向相反，但此時(shí)系統(tǒng)仍保持對地絕緣；4.4 ms后故障進(jìn)一步發(fā)展為三相接地短路，三相電壓接近零，故障電流劇增。

A，B相間閃絡(luò)發(fā)生在母差保護(hù)范圍內(nèi)(T1虛線處），母差保護(hù)動作，經(jīng)約一個(gè)半周波(30 ms)開關(guān)動作時(shí)間，35 kV II母所有開關(guān)跳閘，母線失電。

2 故障分析

2.1 過電壓原因分析

根據(jù)現(xiàn)場檢查和故障錄波信息，該故障是由于3號電抗器開關(guān)的上、下極間絕緣子的絕緣相對薄弱，真空泡內(nèi)的電弧被拉斷后，極間外絕緣無法承受較高的過電壓水平，A，B相極間首先發(fā)生絕緣閃絡(luò)所致。

極間外絕緣上的電弧導(dǎo)致周圍空氣發(fā)生光電離和熱電離，絕緣水平大幅下降，導(dǎo)致A，B相間發(fā)生短路(發(fā)生在A，B相母線側(cè)導(dǎo)體間)。相間短路的電流更大，釋放的能量也更多，迅速導(dǎo)致三相短路(發(fā)生在B，C相母線側(cè)導(dǎo)體間)，并對地放電(發(fā)生在C相母線側(cè)導(dǎo)體對開關(guān)柜接地外殼以及A相母線側(cè)導(dǎo)體對金屬接地板之間)。

2.2 電抗器過電壓機(jī)理

真空斷路器在開斷并聯(lián)電抗器時(shí)產(chǎn)生的操作過電壓主要是由斷路器在開斷過程中的截流和多次重燃效應(yīng)引起。首開相連續(xù)復(fù)燃以及后兩相等效截流開斷產(chǎn)生的過電壓是電抗器開斷操作過電壓最典型的表現(xiàn)形式。

當(dāng)電抗器開斷時(shí)，從能量守恒角度看，電感負(fù)載被開斷時(shí)的振蕩過程是電磁能量相互轉(zhuǎn)換的過程，可通過公式(1)和(2)估算出起始過電壓倍數(shù)：

其中：Ucm為電抗器開斷后的最大電壓，U0為初始電壓，I0為初始電流，L和C為電抗器的電感及電抗器側(cè)的對地等效電容值。

從能量角度看，式(1)反映了電抗器中能量的走向，即當(dāng)電抗器開關(guān)斷開時(shí)，電抗器中存儲的能量都轉(zhuǎn)嫁到電抗器的對地電容上。式(2)則反映了過電壓倍數(shù)與等效對地電容之間的負(fù)相關(guān)關(guān)系，即等效對地電容越大，過電壓倍數(shù)越小。

考慮電抗器中性點(diǎn)電壓偏移，式(2)可修正為式(3)：

其中：k為電抗器中性點(diǎn)電壓偏移系數(shù)，當(dāng)母線側(cè)對地等效電容(Cs)遠(yuǎn)大于電抗器側(cè)對地等效電容(Cg)時(shí)，k=0.5；反之，則：

在電抗器開斷之后，由于恢復(fù)電壓上升速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于滅弧室絕緣強(qiáng)度增長速度，電抗器首開相有90 %以上的概率發(fā)生復(fù)燃。首開相發(fā)生復(fù)燃時(shí)，暫態(tài)電流由于三相間的相互作用耦合疊加到后兩相電流上，形成電壓級升效應(yīng)。

隨著復(fù)燃的連續(xù)發(fā)生，暫態(tài)振蕩不斷增強(qiáng)，引起后兩相電流出現(xiàn)高頻過零點(diǎn)。由于真空斷路器具有開斷高頻電流的能力，電流在暫態(tài)過零點(diǎn)被熄弧開斷。此時(shí)，電抗器線圈工頻負(fù)載電流并未過零，卻無法再通過斷路器回流系統(tǒng)，只能對并聯(lián)電抗器側(cè)對地電容充電，產(chǎn)生與截流效果相同的等效截流現(xiàn)象，引發(fā)嚴(yán)重的過電壓。

上述過程中，當(dāng)系統(tǒng)側(cè)對地電容與并聯(lián)電抗器側(cè)對地電容比值過小時(shí)，如系統(tǒng)側(cè)空載母線對地電容相對較小，可能接近甚至小于并聯(lián)電抗器側(cè)對地電容(主要為電纜)，并聯(lián)電抗器開斷過程由于等效截流引起斷路器的多相連續(xù)擊穿，對母線側(cè)也會發(fā)生強(qiáng)烈沖擊。

目前，并聯(lián)電抗器母線側(cè)系統(tǒng)均為采用小型化設(shè)計(jì)的戶內(nèi)設(shè)備，這類小型化設(shè)備在使用過程中極易造成外絕緣薄弱的母線及干式所變等發(fā)生擊穿或高壓熔絲熔斷。

3 電抗器操作過電壓防治措施

從電抗器操作過電壓的產(chǎn)生機(jī)理可知，要防治該類操作過電壓，可從抑制電弧連續(xù)復(fù)燃的發(fā)生(降低恢復(fù)電壓上升速度，或提高滅弧室絕緣強(qiáng)度增長速度)、增加母線側(cè)對地等效電容等方面入手。

表1匯總了部分可行的防治措施，并對其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較。

表1各項(xiàng)措施中，相對于措施5而言，措施6中由于開關(guān)在并抗中性點(diǎn)側(cè)，電抗器電感對高頻產(chǎn)生阻塞作用，復(fù)燃過電壓只能通過匝間分布電容耦合到母線側(cè)，對母線側(cè)的影響減小到完全可以忽略，對過電壓抑制效果更好，是并抗操作過電壓防治的優(yōu)先選擇。

表1 電抗器操作過電壓防治措施

綜合上述電抗器過電壓防治措施，結(jié)合電抗器現(xiàn)狀與實(shí)際運(yùn)行情況，提出以下3方面并聯(lián)電抗器操作過電壓防治和運(yùn)行建議。

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)配置方案

(1) 避免在空載母線上配置并聯(lián)電抗器裝置，如確有需要，宜采用中性點(diǎn)開關(guān)電抗器。

(2) 系統(tǒng)側(cè)帶線路的并聯(lián)電抗器配置時(shí)，電抗器連接電纜應(yīng)盡可能短。

(3) 避免采用干式電抗器，優(yōu)先采用油浸式電抗器。

3.2 優(yōu)化操作運(yùn)行方式

(1) 對系統(tǒng)側(cè)帶線路的并聯(lián)電抗器，應(yīng)避免將所連母線上的線路全部退出，防止形成人為因素導(dǎo)致電抗器空載母線運(yùn)行。

(2) 對于新投產(chǎn)電抗器，如有條件，應(yīng)在投產(chǎn)過程中始終保持一條足夠長的空充線路運(yùn)行，以降低母線側(cè)過電壓風(fēng)險(xiǎn)。

(3) 特殊情況下，空載母線上并聯(lián)電抗器遇緊急情況需停機(jī)，可通過所在主變高壓側(cè)開關(guān)拉停方式進(jìn)行操作。

(4) 及時(shí)跟蹤并聯(lián)電抗器分閘操作后避雷器動作情況，對避雷器頻繁動作的現(xiàn)象提高關(guān)注，必要時(shí)實(shí)施治理。

3.3 空載母線系統(tǒng)過電壓治理

(1) 將并聯(lián)電抗器改造成中性點(diǎn)開關(guān)投切電抗器，實(shí)現(xiàn)開關(guān)中性點(diǎn)側(cè)投切。

(2) 增加系統(tǒng)出線。

(3) 母線側(cè)裝設(shè)阻容吸收器，容量按照10倍電抗器側(cè)對地電容配置。

4 結(jié)束語

通過對設(shè)備故障現(xiàn)象和過電壓成因的全面分析，提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)配置方案、優(yōu)化操作運(yùn)行方式和空載母線系統(tǒng)過電壓治理等防治建議，對認(rèn)識并聯(lián)電抗器操作過電壓現(xiàn)象和風(fēng)險(xiǎn)及開展有效治理具有積極意義。

未來要從根本上治理并聯(lián)電抗器操作過電壓現(xiàn)象，需改變當(dāng)前因標(biāo)準(zhǔn)缺乏造成空載母線系統(tǒng)并聯(lián)電抗器不合理應(yīng)用的現(xiàn)狀，進(jìn)一步推動并聯(lián)電抗器、斷路器、所變等產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、并聯(lián)電抗器裝置設(shè)計(jì)運(yùn)行規(guī)范、并聯(lián)電抗器典型設(shè)計(jì)等的改進(jìn)和完善。