35 kV并聯(lián)電抗器分閘過電壓故障實例分析及防治

袁士超，柯 珂，石賢倫，葉夏明，朱曉杰

(國網(wǎng)浙江省電力公司寧波供電公司，浙江 寧波 315010)

0 引 言

無功設(shè)備的投切是電網(wǎng)運(yùn)行中最頻繁的操作內(nèi)容，由此產(chǎn)生的過電壓現(xiàn)象非常普遍，其中切除并聯(lián)電抗器產(chǎn)生的分閘操作過電壓尤為嚴(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有發(fā)生[1-4]。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，分析一起35 kV真空斷路器切除并聯(lián)電抗器的分閘操作過電壓故障的產(chǎn)生原因和過電壓機(jī)理，并提出防治建議，有助于認(rèn)識并聯(lián)電抗器操作過電壓現(xiàn)象及風(fēng)險。

1 35 kV并抗分閘操作過電壓故障實例

1.1 故障概況

某220 kV變電站35 kV 2號電抗器開關(guān)在進(jìn)行分閘操作時，35 kV Ⅱ母母差保護(hù)動作，35 kV Ⅱ母失電，主變低壓側(cè)故障電流8 500 A。故障發(fā)生前35 kV I、Ⅱ段母線并列運(yùn)行，其接線方式如圖1所示，故障設(shè)備信息見表1。

表1 故障設(shè)備信息Table 1 Fault device information

圖1 35 kV側(cè)系統(tǒng)接線圖Fig.1 35 kV side system wiring diagram

1.2 避雷器動作情況

故障前2號電抗器側(cè)避雷器A、B、C三相動作次數(shù)計數(shù)分別為5、4、8，故障發(fā)生后讀取避雷器動作次數(shù)計數(shù)變?yōu)?、5、9，即B、C相避雷器各動作了一次。35 kV Ⅱ段母線側(cè)避雷器未動作。

可見2號電抗器側(cè)過電壓水平較高，導(dǎo)致避雷器動作，而35 kV Ⅱ段母線上的過電壓水平相對較低。

1.3 試驗數(shù)據(jù)情況

故障發(fā)生后對2號電抗器開關(guān)開展相關(guān)試驗，極間絕緣電阻試驗數(shù)據(jù)正常，線圈直流電阻試驗數(shù)據(jù)正常，動作特性試驗數(shù)據(jù)正常，且與前次試驗值相比無明顯變化，極間95 kV/1 min交流耐壓試驗通過。

故障發(fā)生后斷路器的絕緣特性仍然較好，可知故障發(fā)生時存在較高的過電壓水平，導(dǎo)致斷路器極間絕緣閃絡(luò)。

1.4 現(xiàn)場設(shè)備檢查

經(jīng)檢查，2號電抗器開關(guān)內(nèi)部存在多處放電痕跡，其中貫穿性的放電發(fā)生在以下幾個部位。

1)A相的上極間絕緣子、下極間絕緣子，組合形成3號斷路器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2×12 cm，爬距為2×18 cm，是整個斷路器內(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，如圖2所示。

圖2 上下極間絕緣子閃絡(luò)痕跡Fig.2 Flashover marks on insulators between upper and lower poles

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，如圖3所示，經(jīng)測量導(dǎo)體的相間距離為38 cm。

圖3 母線側(cè)導(dǎo)體間閃絡(luò)痕跡Fig.3 Flashover marks between conductors on bus side

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)體距離開關(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)生放電，但痕跡相對不明顯，如圖4所示。

圖4 對地閃絡(luò)痕跡Fig.4 Flashover marks to the ground

1.5 故障錄波信息

故障錄波信息如5所示，第一條虛線處(T1)首先發(fā)生A、B相間閃絡(luò)，但此時仍保持對地絕緣，4.4 ms后在第二條虛線處(T2)發(fā)展為三相接地短路。

A、B相間閃絡(luò)發(fā)生在母差保護(hù)范圍內(nèi)，母差保護(hù)動作經(jīng)過約1.5周期(30 ms)的開關(guān)動作時間，35 kV II母所有開關(guān)跳閘，母線失電。

圖5 故障錄波圖Fig.5 Fault recorded diagram

2 故障原因分析及過電壓機(jī)理

2.1 過電壓原因分析

根據(jù)現(xiàn)場檢查和故障錄波信息分析，該故障原因為2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)。極間外絕緣上的電弧導(dǎo)致周圍空氣發(fā)生光電離及熱電離，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 電抗器分閘過電壓機(jī)理

真空斷路器在開斷并聯(lián)電抗器時產(chǎn)生的分閘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)引起的。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[5-9]。

當(dāng)電抗器開斷時，從能量守恒角度闡述，電感負(fù)載被開斷時的振蕩過程是電磁能量相互轉(zhuǎn)換的過程，可按式(1)、(2)估算出起始過電壓倍數(shù)K。

(1)

(2)

式中：UC，m為電抗器開斷后的最大電壓；U0、I0分別為初始的電壓和電流；L、C分別為電抗器的電感及電抗器側(cè)的對地等效電容值。

從能量角度來看，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，電抗器中存儲的能量都轉(zhuǎn)換到電抗器的對地電容上。由式(2)可見，過電壓倍數(shù)與等效對地電容呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(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)：

(3)

式中：k為電抗器中性點(diǎn)電壓偏移系數(shù)。

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，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，形成電壓陡升效應(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)。由于真空開關(guān)具有開斷高頻電流的能力，所以電流在暫態(tài)過零點(diǎn)被熄弧開斷。此時電抗器線圈工頻負(fù)載電流并沒有過零，但無法再通過斷路器回流系統(tǒng)，只能對并抗側(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)對地電容與并抗側(cè)對地電容比值過小時，系統(tǒng)側(cè)空母線對地電容相對較小，可能接近甚至小于并抗側(cè)對地電容(主要為電纜)。并抗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)也發(fā)生強(qiáng)烈沖擊，由于目前并抗母線側(cè)系統(tǒng)均為小型化設(shè)計的戶內(nèi)設(shè)備，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 電抗器分閘操作過電壓防治措施

從電抗器分閘操作過電壓的產(chǎn)生機(jī)理可知，要防治該類操作過電壓，可以通過抑制電弧連續(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)、增加母線側(cè)或電抗器側(cè)對地等效電容等方式實現(xiàn)。

表2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2 電抗器分閘操作過電壓防治措施Table 2 Prevention measures for overvoltage during opening operation of reactor

圖6 電抗器開關(guān)前置投切接線圖Fig.6 Front switching wiring diagram of reactor switch

圖7 開關(guān)中性點(diǎn)側(cè)投切接線圖Fig.7 Switching wiring diagram at neutral point side of switch

在各項措施中，措施8對比措施7 ，由于斷路器在并抗中性點(diǎn)側(cè)，電抗器電感對高頻產(chǎn)生阻塞作用[10]，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的程度，對過電壓抑制效果更好，是并抗分閘操作過電壓防治的優(yōu)先選擇。

4 結(jié) 語

根據(jù)電抗器過電壓防治措施，結(jié)合電網(wǎng)電抗器實際運(yùn)行，提出并抗分閘操作過電壓防治、并抗改造和運(yùn)行建議。

1)避免在空母線上配置電抗器裝置，如有需要，宜采取開關(guān)中性點(diǎn)投切方式；

2)逐步將現(xiàn)有電抗器改造成中性點(diǎn)開關(guān)電抗器；

3)對于帶線路的電抗器裝置，應(yīng)避免將相應(yīng)母線上的線路全部退出，從而形成人為原因?qū)е碌碾娍蛊骺漳妇€運(yùn)行；

4)特殊情況下空母線上電抗器遇緊急情況需拉停時，要通過拉停主變的方式進(jìn)行操作；

5)對于新投產(chǎn)的電抗器，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，降低母線側(cè)過電壓風(fēng)險。