變電站切除并聯電抗器過電壓故障分析

袁士超，羅 軼，張 威，呂 濤

(國網浙江省電力有限公司寧波供電公司，浙江 寧波 315010)

0 引言

變電站是電力系統中變換電壓、接受和分配電能、控制電力流向及調整電壓的電力設施。變電站內除變壓器、母線、斷路器等設備外，還裝有大量電容、電感等電網無功元件。為提高電網功率因數，降低變壓器及輸送線路損耗，提高供電效率，無功設備投切是電網運行中最頻繁的操作，但由此產生的過電壓現象也非常普遍，其中切除并聯電抗器的操作過電壓尤為嚴重，由真空斷路器投切電抗器引發的開關爆炸、電抗器絕緣擊穿等故障時有發生。

以一起35 kV真空斷路器切除并聯電抗器操作過電壓故障為例，根據故障錄波實測數據和設備損壞檢查情況，分析其產生原因和過電壓機理，結合各項措施提出防治建議，對認識并聯電抗器操作過電壓現象及風險并開展有效治理具有積極意義。

1 并聯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。故障發生前，該站35 kVⅠ，Ⅱ母線處于并列運行狀態。

圖1 35 kV側系統接線

故障發生前，該變電站35 kV 3號電抗器開關正在進行分閘操作時，35 kVⅡ母線母差保護動作，35 kVⅡ母線失電，主變低壓側故障電流8 500 A。

1.2 避雷器動作情況

故障前，3號電抗器側避雷器A，B，C三相動作次數計數分別為5，4，8；故障發生后，讀取避雷器動作次數計數，變為5，5，9，即B，C相避雷器各多動作了一次。35 kVⅡ段母線側避雷器未動作。由此可見，3號電抗器側過電壓水平較高，導致避雷器動作，而35 kVⅡ段母線上的過電壓水平相對較低。

1.3 試驗數據情況

故障發生后，對3號電抗器開關開展了相關試驗，極間絕緣電阻試驗數據正常，線圈直流電阻試驗數據正常，動作特性試驗數據正常且與前次試驗值相比無明顯變化，極間95 kV/min交流耐壓試驗通過，開關的絕緣特性依舊良好，故判斷故障發生時存在較高的過電壓才導致開關極間絕緣閃絡。

1.4 現場設備檢查

經檢查，3號電抗器開關內部存在多處放電痕跡，其中貫穿性放電發生在以下幾個部位。

(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，是整個開關內部的絕緣薄弱環節，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相母線側導體間，放電痕跡較為明顯，而B，C相母線側導體間也存在放電，但痕跡相對不明顯，經測量導體的相間距離為38 cm。

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

1.5 故障錄波信息

經檢查故障錄波信息發現，故障一開始為A，B相間閃絡，兩相故障電流幅值相同、方向相反，但此時系統仍保持對地絕緣；4.4 ms后故障進一步發展為三相接地短路，三相電壓接近零，故障電流劇增。

A，B相間閃絡發生在母差保護范圍內(T1虛線處），母差保護動作，經約一個半周波(30 ms)開關動作時間，35 kV II母所有開關跳閘，母線失電。

2 故障分析

2.1 過電壓原因分析

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

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

2.2 電抗器過電壓機理

真空斷路器在開斷并聯電抗器時產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引起。首開相連續復燃以及后兩相等效截流開斷產生的過電壓是電抗器開斷操作過電壓最典型的表現形式。

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

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，即當電抗器開關斷開時，電抗器中存儲的能量都轉嫁到電抗器的對地電容上。式(2)則反映了過電壓倍數與等效對地電容之間的負相關關系，即等效對地電容越大，過電壓倍數越小。

考慮電抗器中性點電壓偏移，式(2)可修正為式(3)：

其中：k為電抗器中性點電壓偏移系數，當母線側對地等效電容(Cs)遠大于電抗器側對地等效電容(Cg)時，k=0.5；反之，則：

在電抗器開斷之后，由于恢復電壓上升速度遠遠大于滅弧室絕緣強度增長速度，電抗器首開相有90 %以上的概率發生復燃。首開相發生復燃時，暫態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。

隨著復燃的連續發生，暫態振蕩不斷增強，引起后兩相電流出現高頻過零點。由于真空斷路器具有開斷高頻電流的能力，電流在暫態過零點被熄弧開斷。此時，電抗器線圈工頻負載電流并未過零，卻無法再通過斷路器回流系統，只能對并聯電抗器側對地電容充電，產生與截流效果相同的等效截流現象，引發嚴重的過電壓。

上述過程中，當系統側對地電容與并聯電抗器側對地電容比值過小時，如系統側空載母線對地電容相對較小，可能接近甚至小于并聯電抗器側對地電容(主要為電纜)，并聯電抗器開斷過程由于等效截流引起斷路器的多相連續擊穿，對母線側也會發生強烈沖擊。

目前，并聯電抗器母線側系統均為采用小型化設計的戶內設備，這類小型化設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生機理可知，要防治該類操作過電壓，可從抑制電弧連續復燃的發生(降低恢復電壓上升速度，或提高滅弧室絕緣強度增長速度)、增加母線側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，并對其優缺點進行了比較。

表1各項措施中，相對于措施5而言，措施6中由于開關在并抗中性點側，電抗器電感對高頻產生阻塞作用，復燃過電壓只能通過匝間分布電容耦合到母線側，對母線側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，結合電抗器現狀與實際運行情況，提出以下3方面并聯電抗器操作過電壓防治和運行建議。

3.1 優化設計配置方案

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

(2) 系統側帶線路的并聯電抗器配置時，電抗器連接電纜應盡可能短。

(3) 避免采用干式電抗器，優先采用油浸式電抗器。

3.2 優化操作運行方式

(1) 對系統側帶線路的并聯電抗器，應避免將所連母線上的線路全部退出，防止形成人為因素導致電抗器空載母線運行。

(2) 對于新投產電抗器，如有條件，應在投產過程中始終保持一條足夠長的空充線路運行，以降低母線側過電壓風險。

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

(4) 及時跟蹤并聯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象提高關注，必要時實施治理。

3.3 空載母線系統過電壓治理

(1) 將并聯電抗器改造成中性點開關投切電抗器，實現開關中性點側投切。

(2) 增加系統出線。

(3) 母線側裝設阻容吸收器，容量按照10倍電抗器側對地電容配置。

4 結束語

通過對設備故障現象和過電壓成因的全面分析，提出了優化設計配置方案、優化操作運行方式和空載母線系統過電壓治理等防治建議，對認識并聯電抗器操作過電壓現象和風險及開展有效治理具有積極意義。

未來要從根本上治理并聯電抗器操作過電壓現象，需改變當前因標準缺乏造成空載母線系統并聯電抗器不合理應用的現狀，進一步推動并聯電抗器、斷路器、所變等產品標準、并聯電抗器裝置設計運行規范、并聯電抗器典型設計等的改進和完善。