異常過(guò)電壓分析與治理研究

王連生

0 引言

蘭新鐵路是國(guó)內(nèi)規(guī)劃中“四橫四縱”的重要干線鐵路，是連接中國(guó)西部至東部的交通大動(dòng)脈。嘉峪關(guān)不僅是蘭新線上行車(chē)裝備的重要檢修基地，也是西部地區(qū)鐵路運(yùn)輸樞紐之一。嘉峪關(guān)設(shè)置有大型客車(chē)站、貨站、機(jī)務(wù)段、車(chē)務(wù)段、工務(wù)段以及供電、電務(wù)、車(chē)輛等多個(gè)車(chē)間，涉及鐵路生產(chǎn)生活有關(guān)人口5萬(wàn)多人。該鐵路設(shè)施及其周邊地區(qū)的生產(chǎn)生活用電均由嘉峪關(guān)中心變配電所提供。

嘉峪關(guān)變配電所原為10 kV配電所，2006年隨著武嘉鐵路電氣化進(jìn)行了相應(yīng)的升級(jí)擴(kuò)容改造。新擴(kuò)建的嘉峪關(guān)變配電所于2006年7月27日投運(yùn)，但是，2006年8月8日就開(kāi)始發(fā)生設(shè)備絕緣擊穿故障，至本研究的治理之前，開(kāi)關(guān)柜內(nèi)觸頭盒等絕緣件燒損、電纜頭擊穿等故障次數(shù)已經(jīng)高達(dá)40多次，平均每月發(fā)生一次，嚴(yán)重時(shí)一天發(fā)生 2次。頻繁的跳閘、系統(tǒng)倒換、停電檢修作業(yè)，影響了行車(chē)電源的可靠供電和鐵路地區(qū)的正常生活。

為此，嘉峪關(guān)變配電所采取了更換開(kāi)關(guān)柜觸頭盒、電壓互感器、穿墻套管等部件，添加避雷器、消諧器，加裝復(fù)合絕緣隔板，改變無(wú)功補(bǔ)償和系統(tǒng)運(yùn)行方式等措施。但都未能從根本上解決嘉峪關(guān)變配電所設(shè)備絕緣放電和擊穿問(wèn)題。嘉峪關(guān)變配電所頻發(fā)的絕緣故障引起各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)的高度重視，為此立項(xiàng)進(jìn)行研究。

1 故障原因分析

高壓設(shè)備運(yùn)行實(shí)踐表明，除了外力作用可以直接引起電氣設(shè)備損壞外，造成電氣設(shè)備絕緣放電擊穿的主要原因：一是絕緣老化和缺陷使設(shè)備承受電壓的能力降低；二是過(guò)電壓，它超過(guò)了設(shè)備額定承受能力。

擴(kuò)建的嘉峪關(guān)變配電所中設(shè)備都是新投運(yùn)的，每次故障后更換的設(shè)備或部件也都嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和鐵道部頒布的技術(shù)規(guī)程進(jìn)行了絕緣試驗(yàn)，因此，可以認(rèn)定：設(shè)備放電擊穿的原因不是絕緣下降或老化所致，只能是過(guò)電壓產(chǎn)生的結(jié)果。

從過(guò)電壓理論上看，過(guò)電壓是一種電磁暫態(tài)現(xiàn)象，發(fā)生過(guò)電壓必須要有外部的電磁沖擊干擾，或者系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)能量較大的“激勵(lì)”（例如：系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行方式變化引起的能量重新分配等）。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和分析嘉峪關(guān)變配電所歷次發(fā)生的設(shè)備擊穿故障，發(fā)現(xiàn)每次故障都很突然。故障發(fā)生時(shí)天氣晴朗，沒(méi)有雷雨，可以排除雷電過(guò)電壓侵入。故障發(fā)生前，系統(tǒng)運(yùn)行正常穩(wěn)定，沒(méi)有任何倒閘操作，系統(tǒng)中也沒(méi)有其他短路等突發(fā)故障，也可以排除操作過(guò)電壓。由于系統(tǒng)運(yùn)行方式?jīng)]有變化，負(fù)荷較小且穩(wěn)定，沒(méi)有大的擾動(dòng)，可以排除鐵路供電系統(tǒng)內(nèi)部原因產(chǎn)生電磁諧振的可能性。所以，筆者認(rèn)為嘉峪關(guān)變配電所絕緣放電故障是一種異常過(guò)電壓產(chǎn)生的結(jié)果。

嘉峪關(guān)變配電所主接線如圖 1所示，有 2條35 kV高壓進(jìn)線（祁鐵線、新鐵線）。進(jìn)線中插入多段三芯和單芯電纜，考慮35 kV架空線、電纜線路、高壓室母線的相間電容、對(duì)地等效電容、線路等值電感、所用變壓器的等值電感、電壓互感器的等值電感、主變壓器的等值電感，這是一個(gè)復(fù)雜的多網(wǎng)孔L-C參數(shù)電路。根據(jù)電工理論，每一個(gè)L-C網(wǎng)孔都存在一個(gè)固有的諧振頻率，都可能構(gòu)成一個(gè)固有的諧振。由于L-C參數(shù)的復(fù)雜性，其諧振頻率可以是高頻的，也可以是低頻、分頻率的，是否發(fā)生諧振，依賴(lài)于電路中可能出現(xiàn)的電磁擾動(dòng)。祁鐵線和新鐵線都是從地方110 kV變配電所的 35 kV母線上引出，母線上帶有多條其他的負(fù)荷線路，其中有酒泉鋼廠的電源線路。鋼鐵企業(yè)的變流設(shè)備、軋鋼沖擊等，存在非常寬范圍的頻率，這些寬頻率的電磁沖擊或擾動(dòng)，對(duì)大容量的地方110 kV變配電所而言，相對(duì)能量較小，不足以引起過(guò)電壓，但是，對(duì)連接在同一母線上的嘉峪關(guān)變配電所而言，由于本身負(fù)荷輕，架空線路與電纜線路交替相連，呈復(fù)雜的L-C網(wǎng)絡(luò)，在來(lái)自電源方面的寬頻率電磁沖擊或擾動(dòng)作用下，就可能誘發(fā)諧振，使嘉峪關(guān)變配電所在沒(méi)有雷電、沒(méi)有操作、系統(tǒng)穩(wěn)定的情況，突然發(fā)生異常過(guò)電壓，導(dǎo)致設(shè)備放電擊穿。

圖1 嘉峪關(guān)變配電所主接線及故障部位示意圖

2 異常過(guò)電壓仿真

2.1 嘉峪關(guān)變配電所設(shè)備及負(fù)荷情況

所用變壓器：SC9-50/35GY，4 000 kV · A。

電流互感器：35 kV 側(cè)：150/5（LDJ1-35/300S）；10 kV 側(cè) 300/5（LZZB19-10C2）。

斷路器：35 kV側(cè) ZN12-40.5/1250-25；10 kV側(cè) ZN28-12/1250-25。

母線電壓互感器：JDZX9-35/0.1。

最大負(fù)荷時(shí)段：32 A（9：00～11：00），cosφ= 0.9。

最小負(fù)荷時(shí)段：21 A（2：00～6：00），cosφ=0.93。

2.2 等值電路與仿真

由于嘉峪關(guān)變配電所的新鐵電源和祈鐵電源獨(dú)立，線路結(jié)構(gòu)基本對(duì)稱(chēng)，仿真計(jì)算只需考慮一邊。新鐵線系統(tǒng)的等值電路如圖2所示，其中鋼鐵企業(yè)的電磁干擾等效為幅值和頻率都是隨機(jī)發(fā)生的沖擊擾動(dòng)，用i(t)cj表示。

假設(shè)與新鐵線連接在同一母線上的諧波沖擊源i(t)cj如圖3所示，其最大峰值為30 A，等值有效值大約為 21 A；按照傅立葉級(jí)數(shù)分解方法，可以計(jì)算出各次諧波含量百分比如圖4所示。

圖2 嘉峪關(guān)變配電所新鐵線系統(tǒng)等值電路圖

圖3 諧波沖擊源i(t)cj波形圖

圖4 i(t)cj諧波含量百分比圖

按照嘉峪關(guān)變配電所設(shè)備實(shí)際參數(shù)，在計(jì)算機(jī)仿真過(guò)程中改變不同的諧波沖擊時(shí)刻和諧波含量的組合，按照疊加方式繪制的嘉峪關(guān)所入口處出現(xiàn)的諧波諧振過(guò)電壓分布如圖5所示。可以看到：隨著諧波干擾源的諧波含量增加，過(guò)電壓總趨勢(shì)呈增加勢(shì)態(tài)，在諧波含量為13%～21%時(shí)，過(guò)電壓接近200 kV；諧波含量為50%的情況下，過(guò)電壓峰值可高達(dá) 380 kV。嘉峪關(guān)變配電所的設(shè)備絕緣無(wú)法承受如此高的過(guò)電壓，必須進(jìn)行限制，才能夠保證嘉峪關(guān)電力所的運(yùn)行安全。

圖5 諧波諧振過(guò)電壓分布圖

3 過(guò)電壓治理運(yùn)用效果

電工理論表明：當(dāng)系統(tǒng)中的容性參數(shù)C等于或者接近系統(tǒng)的感性參數(shù)L時(shí)，即：2πfC=1/(2πfL)就會(huì)發(fā)生諧振。對(duì)供電系統(tǒng)而言，系統(tǒng)的容性參數(shù)C是線性不變的；系統(tǒng)的感性參數(shù)L在變壓器、互感器等鐵磁設(shè)備的工作電壓不超過(guò)其額定電壓時(shí)也是線性不變的；因此，從上式可以看到：引發(fā)系統(tǒng)諧振的關(guān)鍵因素是頻率f。

上述分析已經(jīng)表明嘉峪關(guān)變配電所的過(guò)電壓屬于鐵路系統(tǒng)外的強(qiáng)電磁干擾（非工頻f）侵入所致，只要在嘉峪關(guān)變電所入口處吸收消滅掉來(lái)自鋼鐵企業(yè)的非工頻f干擾，就可以消除該類(lèi)異常過(guò)電壓。為此，蘭州供電段聯(lián)合北京交通大學(xué)開(kāi)發(fā)了一種多諧抑制器和多諧阻尼器，工作原理就是對(duì)寬范圍的多種諧波進(jìn)行抑制和阻尼。

研制裝置于2009年8月初在嘉峪關(guān)變配電所新鐵進(jìn)線單元投運(yùn)，一年多的運(yùn)行結(jié)果表明，新鐵單元再無(wú)設(shè)備絕緣故障，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，經(jīng)錄波測(cè)試，母線電壓有效值約為37.9 kV，波形基本呈正弦波，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的運(yùn)行質(zhì)量。與此形成鮮明對(duì)比的是嘉峪關(guān)變配電所祁鐵單元仍然發(fā)生了多起設(shè)備絕緣放電擊穿故障。

4 結(jié)論

（1）新擴(kuò)建的嘉峪關(guān)變配電所設(shè)備發(fā)生絕緣放電事故，原因是來(lái)自鐵路系統(tǒng)之外的強(qiáng)電磁引起的異常過(guò)電壓所致。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明：該類(lèi)過(guò)電壓采用避雷器、消諧器，改變無(wú)功補(bǔ)償和系統(tǒng)運(yùn)行方式等，都不能解決問(wèn)題。這一點(diǎn)對(duì)鐵路供電系統(tǒng)而言具有重要的參考意義。

（2）在嘉峪關(guān)變配電所安裝的多諧抑制器和多諧阻尼器起到了消除該類(lèi)異常過(guò)電壓的作用，運(yùn)行效果良好。

（3）嘉峪關(guān)變配電所的事例已經(jīng)提示：新建或擴(kuò)建鐵路變配電所時(shí)，要充分注意從鐵路電力系統(tǒng)外部可能侵入的強(qiáng)電磁干擾問(wèn)題。

[1]GB 50052-95 變配電所供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]GB/T 18481-2001變配電所電能質(zhì)量 變配電所暫時(shí)過(guò)電壓和瞬態(tài)過(guò)電壓[S].

[3]GB 311.1-1997變配電所高壓輸變電設(shè)備的絕緣配合[S].

[4]中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) TB 10065－2000 鐵路電力變配電所設(shè)計(jì)規(guī)范，中國(guó)鐵道出版社，2000.

[5]劉明光.電氣化鐵道高電壓絕緣與試驗(yàn)技術(shù)[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2001.

[6]劉明光.鐵道電網(wǎng)過(guò)電壓分析與防護(hù)[M].北京：北京交通大學(xué)出版社，2009.