电容补偿装置中电抗器烧损原因与保护

刘让雄　杨春江　杨嗣光

引　言

　　湘黔线娄怀段电气化铁路于1997年1月正式开通投运。为提高牵引供电力率，在各变电所装设了电容补偿装置，并在装置中串1台电抗器。共投运了15台(甲厂11台，乙厂4台)。投运不到1年半，接连烧坏11台，烧坏率达73.3%，同时因电抗器烧坏致使电容补偿装置未能投运，全段力率较长时间内一直较低，造成电费损失超10万元。在烧坏的11台电抗器中，其中有2台是在开通时的冲击试验中烧坏，另有1台则是厂家改进后用于更换的产品。本文在全面分析了电铁负荷对电抗器运行危害的基础上，结合电抗器的结构特点，阐述了烧损的原因，并从运行角度提出了相应的保护措施。

1　电铁负荷对电抗器运行危害的分析

　　首先须弄清电铁负荷(指铁道电力牵引负荷)的内在特点及对电抗器的运行危害，为分析电抗器的烧损原因提供理论依据。电抗器运行电路见图1。

图1　电抗器运行电路

1.1　电流分析

1.1.1　合闸涌流［1］

1.1.2　谐波过电流

　　众所周知，电力牵引负荷属波动性很大的单相整流负荷，它在系统中产生多种高次谐波。为得到较大的谐波电流，需取大电流时的谐波含有率。根据现场运行经验，取大电流为640　A，总的谐波含有率按最严重时的情况考虑取30%。牵引负荷相当于一个谐波源，如图2所示中的in。

图2　牵引负荷谐波简化电路图

　　图中in为n次谐波源；isn为流入系统的n次谐波电流；iln为流入电抗器支路的n次谐波电流；Xs为系统电抗(Xs≈Xb)。

　　根据文［2］提供的各次谐波电流含有率Din的实测数据，可算出当牵引负荷电流为640　A时各次谐波电流值，　　

由表2可知，在谐波电流严重的情况下，流过电抗器的电流可达120　A左右。此电流持续时间一般很短，但如出现持续时间达数min，甚至更长，或在某一段时间内频繁出现，则可能导致电抗器运行过热，危及电抗器安全运行。电容补偿回路串上电抗器后，系统的谐振谐波次数n0为：

　　这样可避免发生谐波谐振，故不考虑谐振情况。

1.1.3　短路环流

　　当电抗器发生层间闪络或击穿时，电弧将烧伤层间绝缘与匝间绝缘，严重时可引起匝间短路。电抗器发生匝间短路后对本身参数及整个支路电流影响甚微，但它会使电抗器线圈中形成局部短路闭环。电抗器运行中将产生强大的交变电磁场，短路闭环在此强大交变电磁场的作用下产生一个数倍于其额定电流的感应电流

［3］。这一强大电流将使短路闭环局部严重过热，并进一步损坏其周围绝缘，对电抗器的安全运行危害甚大。

1.2　电压分析

1.2.1　谐波过电压

　　当负荷电流含有谐波分量时，电抗器上的各次谐波电压Uln＝Iln

Xln，根据表2数据可知，当谐波含量严重时的大负荷情况下，电抗器上各次谐波电压及总电压U1如表

3所示。

由表3计算结果可知，在系统谐波严重的情况下，电抗器上的电压可高达19.27kV。此为电抗器上的谐波过电压，其持续时间很短，而电抗器1min工频耐压标准为85kV，因此谐波过电压一般不危及电抗器的安全运行。

1.2.2　操作过电压

　　a) 合闸冲击过电压［3］

　　由式(3)知合闸瞬间Ul＝Um。当电源电压达到32kV时，电抗器瞬间承受的最大电压峰值为45.3　kV，是其额定电压的11.43倍。合闸1s后，电抗器上电压仍有0.39Um＝17.68kV，这对电抗器的绝缘是一个严峻的考验。如电抗器存在某些绝缘薄弱之处，则有可能被该电压所破坏。

　　b) 分闸时电弧重燃过电压

　　电容电流过零值断流时，电容电压达到峰值，并保留电荷。断路器触头间在分断后的半周期，可出现2倍于回路电压的恢复电压，如果断流时消弧不完全，且触头分开的速度较慢，则可能引起触头间绝缘破坏，导致电弧重燃。在开断容性负载时，这种电弧重燃会引起很高的过电压。一次重燃［6］，电容器和母线产生3倍于母线电压的过电压，如发生二次重燃，则将产生5倍于母线电压的过电压。因电容器两端电压不能突变，此过电压瞬间将加在电抗器上，相当于电抗器额定电压的24～40倍，这对

电抗器的安全运行构成严重威胁。

2　烧损原因分析

　　综上所述，电抗器匝间短路、系统谐波过电流与谐波过电压、操作过电压都可能破坏电抗器的某些绝缘薄弱部位，其中尤以操作过电压和匝间短路危害最大。

　导致电抗器烧坏的几个主要因素之相互关系如图3所示。

图3　电抗器烧坏的几个主要因素的相互联系图

　　操作过电压作用于电抗器的机率相当高，同时系统谐波过电压产生的机率也不小，我们现用的两种电抗器易受过电压的冲击，简易图见图4。

图4　甲乙两厂电抗器结构简易图

　　甲厂电抗器采用6个线包并联，每个线包又由几组线径只有2.5mm2线圈并联，每组线圈均几乎承受电抗器的全部电压。其特点是：层间电压较小，匝间电压较大。在承受过电压时，由于电抗器线圈匝间、层间分布电容等的存在而产生分流，因此沿绕组高度方向过电压的分布不均匀，靠进线端线圈匝间承受的电压高，靠接地端线圈匝间电压低。在过电压尤其是操作过电压作用下，电抗器个别线圈匝间电压可达到其正常电压的50～200倍，层间电压也将是正常电压的数10倍。在烧坏的9台甲厂电抗器

中，有2台就是在冲击试验中烧坏即属这种情况。而其余7台均是在运行中发生严重大面积烧损，其主要原因是过电压造成线圈匝间短路后继续运行导致严重过热，并在闪络拉弧等因素作用下引起燃烧所致。

　　乙厂电抗器则是由5层线圈串联组成，线径较粗。这种结构电抗器的突出特点是：匝间电压较小，层间电压较大，层间绝缘爬距小，在承受过电压时易发生层间闪络或击穿。每发生一次对绝缘都是一次严重损伤，而下次再发生的机率更高，多次以后在谐波过电压作用下都可能导致层间闪络或击穿。

3　保护措施

　　1) 改进现行的过电压保护方式

　　现行的过电压保护与避雷器保护方式(见图1)对电抗器上的过电压是无能为力的。文［5］、［7］证实，需在电抗器的进线端并联一台避雷器，以减少过电压对电抗器的危害。该避雷器可采用Y5WT—12.7型氧化锌避雷器。

　2) 取消每天“天窗”作　业前电容装置的投切操作　

　　通过该措施大大减少操作过电压的发生机率，从而减少其对电抗器的危害。但是采取本措施会对变电所的力率产生一定的负面影响，一般这种影响很小，它主要取决于该所的无功计量方式。在全面采取本措施前宜先在某所进行试运行，以检验其对力率的影响程度，权衡利弊后再定。

　　3) 对电容补偿装置回路中的断路器，在允许范围内尽量加大其开断行程，并加强对断路器的日常维护与检修，确保其操作迅速可靠，降低其分闸时的电弧重燃机率。

　　4) 加强对电抗器的运行监视，可考虑安装专门的运行监视装置，以便及时发现隐患。