地铁主变电所电抗器操作过电压问题分析及解决方案

曾之煜

（中铁二院工程集团有限责任公司，610031，成都∥助理工程师）

地铁主变电所电抗器操作过电压问题分析及解决方案

曾之煜

（中铁二院工程集团有限责任公司，610031，成都∥助理工程师）

在成都地铁1号线主变电所无功补偿工程中，当真空断路器切电抗器时有爆鸣声响和弧光的现象。分析了产生过电压的原因，比较了不同过电压保护装置的优缺点。工程实践证明，采用阻容吸收器进行过电压抑制效果良好。目前，在成都地铁线中，主变电所需要切电抗器均优先采用阻容吸收器。

地铁；无功补偿；真空断路器；过电压；阻容吸收器

Author'saddressChina Railway Eryuan Engineering Group Co.，Ltd.，610031，Chengdu，China

成都地铁1号线110/35 k V主变电所投入使用后，由于其110 k V进线电缆较长，在各个时段，系统均将向电力系统倒送容性无功，被该市电业局计入罚款区间。仅在地铁运营高峰小时时，容性无功就大致和大量电机、整流设备发出的感性无功相抵消。考虑到将来系统运量增大或负荷增加将可能产生容性无功的补偿需求，同时为了避免固定电抗器频繁投切，采用并联电抗器加SVG（静止无功发生器）的补偿方式。并联电抗器的容量按接近110 k V电缆固有无功定档，采用三相干式铁心电抗器，剩余补偿容量由SVG提供。系统示意图见图1。

图1 供电系统示意图

1 问题及现象

设备调试时，合SVG线路断路器和电抗器线路断路器、切SVG线路断路器，一切正常；切电抗器线路断路器时，电抗器室响起爆鸣声，其上部出现弧光。电抗器室距35 k V开关柜室约100 m，35 k V断路器无异常现象。检查电抗器设备周围，未见明显的绝缘击穿迹象。

2 过电压原因分析

由于出现爆鸣声及弧光，初步判定为过电压所致。由于采用真空断路器投切电抗器，过电压产生的原因初步分析可能有3种：①真空断路器截流过电压；②多次重燃过电压；③三相同时开断过电压。下面分别分析各种原因及原理。

2.1 截流过电压

由于真空断路器能开断高达10 k A甚至到100 k A的短路电流，电流过零时介质强度迅速恢复不会重燃。但当开断感性小电流时（通常认为小于100 A），由于真空断路器具备超强的灭弧能力，而小的电弧电流极不稳定，电流还未过零电弧即被强行熄灭。电流就像被截断在电感中一样，被截断的电流瞬间以电磁能的形式加在电缆电容上，在电感进线端产生过电压，危及设备安全。在三相配电系统中，截流过电压可分为首相开断过电压和两相开断过电压。此处限于篇幅，简要分析首相开断截流过电压。系统参数见表1，等效电路见图2。

表1 三相配电系统参数

图2 三相配电系统首相开断等效电路

当电流突然被中断时，截断在电抗器处的电流Ij向电缆电容振荡充电，当Lk处的磁能完全转化为附加在C0上的电能时，不计回路的电阻、灭弧电压及其他能量损失，由得在电抗器进线处产生的过电压为，振荡频率不同截流值下过电压有效值计算见表2。

表2 不同截流值下过电压

从以上简要分析看出，截流过电压和截流值成正比，其幅值较高，振荡频率也较高。JB/T 10775—2007《6 k V～35 k V级干式并联电抗器技术参数和要求》中规定：设备最高电压为40.5 k V的干式铁心并联电抗器的额定工频耐受电压为85 k V，额定雷电冲击耐受电压为200 k V。从表2可以看出，当真空断路器截流值大于10 A时，截流过电压已经超过额定工频耐受电压；当截流值大于20 A时，截流过电压甚至将超过额定雷电冲击耐受电压。考虑到电抗器实际绝缘水平受制造水平、使用环境等因素影响，必须采取措施降低断路器截流值。

截流值大小主要取决于真空断路器灭弧室的触头材料，文献［7］给出了常用金属或合金在真空中的截流值（见表3）。

表3 常用金属或合金在真空中的截流值A

现在市场上广泛采用铜合金（如CrCu）作为触头材料，其特点是分断能力大、耐电压耐电腐蚀性能好、截流值低、有足够的抗熔焊性。由于铜铬合金触头研制成本较高（特别是试验、鉴定），在设计中遇到有切感性负载需求时，建议要求供应商提供真空断路器截流值及触头材料材质。

2.2 多次重燃过电压

多次重燃过电压发生几率并不高，主要产生原因是电缆分布电容和并联电抗器之间形成LC（电感电容）回路，断路器分合过程中，LC回路产生高频电磁振荡。以单相断路器切电抗器为例，不考虑截流的情况，当工频电流过零时，断路器开断熄弧，此时Lk、C0开始磁场能量的互相交换。此时开断的断路器两侧电压分别为电源电压和LC回路高频振荡产生的电压，触头间电压为两者的叠加，可称为恢复电压Uh。此时触头间拉开距离很短，无法耐受Uh，将发生第一次重燃。第一次重燃熄弧后，由于Lk、C0在第一次重燃时已经从电源处补充了已经衰减的电磁能，故触头有可能再次击穿，发生第二次重燃。如此循环，相当于电源不断地向LC回路注入能量，在并联电抗器进线处产生的高频振荡过电压不断升高，对设备造成严重危害。此外，也只有真空断路器才具备熄灭高频击穿电弧的能力，若用其他类型断路器，保护装置可能已经动作。

2.3 三相同时开断过电压

三相同时开断过电压本质是由单相重燃所致。由于断路器开断时固有的不同期性，首相开断时产生的重燃高频电流会耦合到后两相。而从上述重燃过电压的分析知，首相产生的重燃高频振荡过电压不断升高，将导致后两相的高频电流不断增大。由于真空断路器极强的灭高频电弧的能力，后两相电流未到过零点时被强制熄灭，产生类似截流的现象，从而产生三相同时开断过电压。

3 解决措施

限制系统内部过电压的主要方法如下。

3.1 金属氧化物避雷器（Metal Oxide Arrester）

金属氧化物避雷器主要部件是氧化锌阀片（压敏电阻），具有理想的非线性电阻特性，其在正常工作电压下电阻率高达108～1011，流过的电流仅为1 m A，相当于一个绝缘体。而在过电压作用下，电阻片的电阻很小，可以通过大电流。其还具有体积小、安装方便的特点。目前国内大多数真空断路器开关柜配备了氧化锌避雷器。缺点是存在热老化、残压过高现象。正常工作时，由于阀片长期承受工频电压作用而劣化，引起电阻特性变化，导致流过阀片的泄漏电流的增加。电流中的阻性分量急剧增加，使阀片上温度上升而发生热崩溃，严重时，甚至引起避雷器的爆炸事故。此外其只限幅，不限频，截流或重燃过电压类似陡波，其波头时间不足1μs，氧化锌避雷器对此类陡波难以迅速响应，故限制高频过电压的作用不大。

3.2 R-C阻容吸收器

将电容和电阻串联后一端接在负载进线端，一端接地，当线路LC回路产生高频振荡过电压时，电阻将提供阻尼振荡而使能量衰减，电容可以限制过电压的陡度，同时降低振荡频率。同时由于电容阻抗ZC=1/2πfC，（f为振荡频率，C为阻容吸收器电容）产生高频过电压时，阻容吸收器阻抗大大减小，过电压产生的能量将快速泄放。

考虑到电容电压不能突变的特性，在抑制操作过电压上升陡度及高频振荡方面，阻容吸收器较避雷器效果更好。本工程采用在并联电抗器进线处加装阻容吸收器的方案。

在重燃和三相同时开断产生的过电压中，过电压由于反复的高频振荡而较长时间存在，能量极大，极易造成电容击穿和电阻烧毁。在阻容吸收器参数选择上，电阻越大，越有利于电容安全，但LRC（电感电阻电容）回路的时间常数将增大，延长了暂态时间，降低了保护的灵敏性。电容大小直接关系到阻容吸收器吸收能量的大小。传统的阻容吸收器采用固定电阻加固定电容的方式，常用的是电阻100Ω，电容0.1μF（或0.05μF），此类阻容吸收器在正常工作电压下，电阻长期承受工频额定电压而持续发热，其电阻特性将发生改变，有烧毁电阻的隐患。同时，由于35 k V系统采用非直接接地，阻容吸收器加大了对地电容电流，对整个系统的接地方式和继电保护的选择性都有影响。自控式阻容吸收器利用电阻元件材质纳秒级的响应速度，在正常工作情况下，呈现兆欧级的高阻态，使阻容吸收器回路电流极小，起到与电源隔离作用；而在过电压作用下，迅速转化为几十至几百欧姆的低阻态，使其自动即时接入线路，起到保护作用。实现了快速导通、快速关断的自控功能。

本工程选用ZR5型自控式阻容吸收器（见图3），电容0.1μF，额定电压35 k V，电容直流耐受电压120 k V（10 s）。在电抗器进线处每相安装一台。确认电抗器外绝缘未受损害后，闭合电抗器线路的真空断路器，再切断，反复多次试验，再未出现爆鸣和弧光现象；并联电抗器正式投入运营后，地铁供电系统的功率因数保持在0.95以上，整个无功补偿装置运行情况良好。

图3 阻容吸收器

4 结语

真空短路器在切断距离较远（数十米以上）的感性负载（电机、变压器、电抗器等）时，由于线缆分布电容较大，其和负载的电感之间存在能量转换，同时伴随高频振荡，截流是产生过电压的最常见原因，同时也不能忽视重燃和三相同时开断过电压的影响。总之，系统内部过电压都是由于系统参数发生变化时电磁能产生振荡、积聚而引起的，限制内部过电压的措施就是衰减电磁振荡的能量。具体采用何种过电压保护设备，应根据过电压的性质、系统方式等综合考虑。以往地铁项目采用并联电抗器的情况较少，本工程采用的过电压保护方案使设备运行良好，成本低廉，安装方便，故在该市主变电所需要切电抗器的其他地铁线路中均优先采用阻容吸收器。

［1］ GB 1984—2003高压交流断路器［S］.

［2］ JB/T 10775—2007 6 k V～35 k V级干式并联电抗器技术参数和要求［S］.

［3］ 李国强，崔平，王春芳，等.10.5 k V10 MVA并联电抗器截流过电压保护［J］.黑龙江电力.2008，30（3）：230.

［4］ 关永刚，唐琦雯，刘卫东，等.40.5 k V真空断路器开断并联电抗器时过电压的产生机制［J］.中国电机工程学报.2012，32（33）：124.

［5］ 冯爱生，常爱军，胡志强，等.真空断路器操作过电压分析、防护及其保护的改进［J］.煤.2010，19（增刊1）：51.

［6］ 王志胜，王章启.开关多次重燃对过电压的限制或递增作用［J］.高电压技术.1999，25（3）：75.

［7］ 杜宁，关永刚，张景生，等.40.5 k V真空断路器开断并联电抗器的过电压保护［J］.高电压技术.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）