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

（中鐵二院工程集團有限責任公司，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

（中鐵二院工程集團有限責任公司，610031，成都∥助理工程師）

在成都地鐵1號線主變電所無功補償工程中，當真空斷路器切電抗器時有爆鳴聲響和弧光的現象。分析了產生過電壓的原因，比較了不同過電壓保護裝置的優缺點。工程實踐證明，采用阻容吸收器進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先采用阻容吸收器。

地鐵；無功補償；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進線電纜較長，在各個時段，系統均將向電力系統倒送容性無功，被該市電業局計入罰款區間。僅在地鐵運營高峰小時時，容性無功就大致和大量電機、整流設備發出的感性無功相抵消。考慮到將來系統運量增大或負荷增加將可能產生容性無功的補償需求，同時為了避免固定電抗器頻繁投切，采用并聯電抗器加SVG（靜止無功發生器）的補償方式。并聯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，剩余補償容量由SVG提供。系統示意圖見圖1。

圖1 供電系統示意圖

1 問題及現象

設備調試時，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，電抗器室響起爆鳴聲，其上部出現弧光。電抗器室距35 k V開關柜室約100 m，35 k V斷路器無異常現象。檢查電抗器設備周圍，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10 k A甚至到100 k A的短路電流，電流過零時介質強度迅速恢復不會重燃。但當開斷感性小電流時（通常認為小于100 A），由于真空斷路器具備超強的滅弧能力，而小的電弧電流極不穩定，電流還未過零電弧即被強行熄滅。電流就像被截斷在電感中一樣，被截斷的電流瞬間以電磁能的形式加在電纜電容上，在電感進線端產生過電壓，危及設備安全。在三相配電系統中，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。系統參數見表1，等效電路見圖2。

表1 三相配電系統參數

圖2 三相配電系統首相開斷等效電路

當電流突然被中斷時，截斷在電抗器處的電流Ij向電纜電容振蕩充電，當Lk處的磁能完全轉化為附加在C0上的電能時，不計回路的電阻、滅弧電壓及其他能量損失，由得在電抗器進線處產生的過電壓為，振蕩頻率不同截流值下過電壓有效值計算見表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級干式并聯電抗器技術參數和要求》中規定：設備最高電壓為40.5 k V的干式鐵心并聯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，當真空斷路器截流值大于10 A時，截流過電壓已經超過額定工頻耐受電壓；當截流值大于20 A時，截流過電壓甚至將超過額定雷電沖擊耐受電壓。考慮到電抗器實際絕緣水平受制造水平、使用環境等因素影響，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［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

現在市場上廣泛采用銅合金（如CrCu）作為觸頭材料，其特點是分斷能力大、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、鑒定），在設計中遇到有切感性負載需求時，建議要求供應商提供真空斷路器截流值及觸頭材料材質。

2.2 多次重燃過電壓

多次重燃過電壓發生幾率并不高，主要產生原因是電纜分布電容和并聯電抗器之間形成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，當工頻電流過零時，斷路器開斷熄弧，此時Lk、C0開始磁場能量的互相交換。此時開斷的斷路器兩側電壓分別為電源電壓和LC回路高頻振蕩產生的電壓，觸頭間電壓為兩者的疊加，可稱為恢復電壓Uh。此時觸頭間拉開距離很短，無法耐受Uh，將發生第一次重燃。第一次重燃熄弧后，由于Lk、C0在第一次重燃時已經從電源處補充了已經衰減的電磁能，故觸頭有可能再次擊穿，發生第二次重燃。如此循環，相當于電源不斷地向LC回路注入能量，在并聯電抗器進線處產生的高頻振蕩過電壓不斷升高，對設備造成嚴重危害。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，保護裝置可能已經動作。

2.3 三相同時開斷過電壓

三相同時開斷過電壓本質是由單相重燃所致。由于斷路器開斷時固有的不同期性，首相開斷時產生的重燃高頻電流會耦合到后兩相。而從上述重燃過電壓的分析知，首相產生的重燃高頻振蕩過電壓不斷升高，將導致后兩相的高頻電流不斷增大。由于真空斷路器極強的滅高頻電弧的能力，后兩相電流未到過零點時被強制熄滅，產生類似截流的現象，從而產生三相同時開斷過電壓。

3 解決措施

限制系統內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108～1011，流過的電流僅為1 m A，相當于一個絕緣體。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。目前國內大多數真空斷路器開關柜配備了氧化鋅避雷器。缺點是存在熱老化、殘壓過高現象。正常工作時，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生熱崩潰，嚴重時，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，其波頭時間不足1μs，氧化鋅避雷器對此類陡波難以迅速響應，故限制高頻過電壓的作用不大。

3.2 R-C阻容吸收器

將電容和電阻串聯后一端接在負載進線端，一端接地，當線路LC回路產生高頻振蕩過電壓時，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，同時降低振蕩頻率。同時由于電容阻抗ZC=1/2πfC，（f為振蕩頻率，C為阻容吸收器電容）產生高頻過電壓時，阻容吸收器阻抗大大減小，過電壓產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。本工程采用在并聯電抗器進線處加裝阻容吸收器的方案。

在重燃和三相同時開斷產生的過電壓中，過電壓由于反復的高頻振蕩而較長時間存在，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）回路的時間常數將增大，延長了暫態時間，降低了保護的靈敏性。電容大小直接關系到阻容吸收器吸收能量的大小。傳統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發熱，其電阻特性將發生改變，有燒毀電阻的隱患。同時，由于35 k V系統采用非直接接地，阻容吸收器加大了對地電容電流，對整個系統的接地方式和繼電保護的選擇性都有影響。自控式阻容吸收器利用電阻元件材質納秒級的響應速度，在正常工作情況下，呈現兆歐級的高阻態，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，迅速轉化為幾十至幾百歐姆的低阻態，使其自動即時接入線路，起到保護作用。實現了快速導通、快速關斷的自控功能。

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）。在電抗器進線處每相安裝一臺。確認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，反復多次試驗，再未出現爆鳴和弧光現象；并聯電抗器正式投入運營后，地鐵供電系統的功率因數保持在0.95以上，整個無功補償裝置運行情況良好。

圖3 阻容吸收器

4 結語

真空短路器在切斷距離較遠（數十米以上）的感性負載（電機、變壓器、電抗器等）時，由于線纜分布電容較大，其和負載的電感之間存在能量轉換，同時伴隨高頻振蕩，截流是產生過電壓的最常見原因，同時也不能忽視重燃和三相同時開斷過電壓的影響。總之，系統內部過電壓都是由于系統參數發生變化時電磁能產生振蕩、積聚而引起的，限制內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設備，應根據過電壓的性質、系統方式等綜合考慮。以往地鐵項目采用并聯電抗器的情況較少，本工程采用的過電壓保護方案使設備運行良好，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級干式并聯電抗器技術參數和要求［S］.

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

［4］ 關永剛，唐琦雯，劉衛東，等.40.5 k V真空斷路器開斷并聯電抗器時過電壓的產生機制［J］.中國電機工程學報.2012，32（33）：124.

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

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

［7］ 杜寧，關永剛，張景生，等.40.5 k V真空斷路器開斷并聯電抗器的過電壓保護［J］.高電壓技術.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）