詹广振

1 事故经过

2007年8月25日，陇海线宁陵牵引变电所电容补偿装置A相干式电抗器在运行中着火；10月10日，该所电容补偿装置B相干式电抗器在运行中着火；9月16日，陇海线开封牵引变电所电容补偿装置A相干式电抗器在运行中着火。在上述3起电抗器着火事故中，与之并联的10 kV避雷器全部爆炸，且电容补偿装置的保护装置均未动作，全都是由值班人员发现电抗器着火后断开并联补偿装置真空断路器。事故造成3台电抗器报废，直接经济损失超过20万元。

2 并联电容补偿装置保护的设置

运行的并联电容补偿装置通常设置的过电压、低电压、差电压、电流速断、过电流和谐波过电流等保护装置对运行中电抗器起火起不到保护作用。陇海线5个牵引变电所电容补偿装置中，设计了与干式电抗器并联的10 kV避雷器，用于保护电抗器承受的高电压，但从现场运行情况来看，实际保护效果并不明显，甚至部分避雷器发生爆炸。焦枝线南阳西牵引变电所，电抗器在运行中也发生过同样的事故，避雷器在爆炸前曾连续动作4次。上述情况说明，并联补偿装置所设置的各种常规保护均不能对电抗器过电压起到有效的保护作用。

3 电抗器电压计算

以宁陵牵引变电所A相电容补偿装置为例。

已知：母线电压U= 29 000 V，采用BWF-8.4-100-1电容器，补偿容量为3 200 kV⋅A（4串8并），补偿度α= 0.125，则：

单台电容器的电容C=Q/2πfU2= 4.5µF

每台容抗XC= 1/2πfC= 707.7 Ω

总容抗 ΣXC= 4XC/8 =353.85 Ω

电抗器感抗XL=0.125×ΣXC= 44.23 Ω

回路总阻抗X=XL-Σ XC=309.62 Ω

回路电流I=U/X=93.66 A

电抗器电压U=IXL=4 142.58 V

4 电抗器过电压分析

4.1 并联电容补偿装置电压关系

图 1为并联电容补偿装置电压关系示意图。

图1 并联电容补偿装置电压关系示意图

图2 并联补偿装置电压相量图

4.2 电抗器过电压的形成

为了全面掌握并联电容补偿装置的运行情况，在焦枝线南阳西牵引变电所投入B相并联补偿装置后分别录制了投入瞬间和有无牵引负荷时的电压、电流波形图。

4.2.1 投入瞬间

（1）2段电容器组的电压波形均为畸变的正弦波（图略），2段电容器电压和母线电压瞬时值均为27 kV。原因是并联补偿装置在投入时，电容器合闸涌流含有大量谐波，电容器电压也含有大量谐波，波形发生严重畸变，在某一时刻会形成母线电压不高而电容器电压较高的情况。

（2）电抗器电压波形为畸变的正弦波（图略），电压瞬时值为27 kV，可能会造成避雷器动作，但很快电路就能进入稳定状态，电抗器电压恢复正常，短时的过电压不足以破坏电抗器绝缘。几次电抗器事故均发生在持续运行中，投入并联补偿装置时尚未发生过电抗器绝缘击穿事故。

4.2.2 无牵引负荷时段

实测该时段的电压、电流波形均为较规范的正弦波。

4.2.3 牵引负荷较大时段

2段电容器电压波形如图3所示。图中显示电容器最大电压为21.5 kV。电抗器电压波形如图4所示，最大电压为27 kV。

图3 馈线有负荷时并联补偿装置电压波形图

图4 馈线有负荷时电抗器电压波形图

从图3、图4看出，电容器、电抗器电压波形在每一周波固定时刻都出现较高的瞬时值，说明该时刻并联补偿回路中含有大量的谐波电流。究其原因，一是母线电压因牵引负荷谐波发生畸变；二是电容器电压也因谐波电流发生畸变。两者共同作用的结果可能也会出现在每一周波的某一时刻，母线电压不高而电容器电压较高的情况。

由此可见，形成电抗器过电压的主要原因是电容器组在投入运行的瞬间，合闸涌流和牵引负荷共同作用，引起母线和并联电容补偿装置电压谐波含量增大波形畸变。

牵引负荷出现较大谐波含量的持续时间通常都比较长，而且波形恒定，合成的电抗器电压在短时间内不会衰减。因此，牵引负荷产生的谐波使并联补偿装置电压发生畸变，从而破坏了电抗器的绝缘性能。

5 电抗器过电压保护的设置

5.1 保护方案

电抗器绝缘遭到破坏的最根本原因是电抗器所承受的电压过高，超过其所能承受的电压，使电抗器匝间绝缘遭到破坏。因此，直接以电抗器所承受的电压作为保护动作判断的依据是防止电抗器因过电压损坏最有效的途径。

电抗器电压可以通过母线电压和电容器电压合成得到，考虑到放电线圈变比通常和母线电压互感器变比不一样，本文将电压折算到一次值，则电抗器电压瞬时值为

式中，nFD为放电线圈变比；nY为母线电压互感器变比；uC1(t)、uC2(t)分别为2段电容器的电压瞬时值；u(t)为母线电压瞬时值；t为采样时间。

为防止瞬时值中的干扰脉冲造成保护装置误动作，取电抗器电压有效值作为保护的监测量，即

式中：uL(k)为电抗器电压第k点采样值；N为每周波的采样点个数。

电抗器过电压保护装置动作判别式

式中，UL为电抗器过电压保护装置动作值；ULZD为电抗器过电压保护整定值；ULmax为电抗器所能承受的最高电压；Kk为可靠系数，可取1.1～1.2。

同时，特别注意以下情况：

（1）27.5 kV母线失压时，母线电压突然降为0，而电容器电压经放电线圈未完全衰减，电抗器电压等于电容器残压。

（2）当并联补偿装置未投入时，电容器和电抗器实际电压均为0，但计算电抗器合成电压等于母线电压。

在上述2种情况中，电抗器合成电压都可能大于电抗器过电压保护整定值。为了防止该时刻电抗器过电压保护装置误动作，在保护方案中加入断路器位置检测条件，使断路器处于分闸位置时不启动电抗器过电压保护装置，如图5所示。

图5 电抗器过电压保护方案框图

电抗器过电压保护装置动作时限应按躲过并联补偿装置投入时的暂态过程持续时间，并大于低电压保护装置动作时限整定。低电压保护装置动作时限一般为0.5～1 s，电抗器过电压保护装置时限可取1～3 s。

5.2 保护装置接线

如图6所示，在保护装置内增加一个电压变换器，分别测量2段电容器电压，由逻辑部分来合成电容器差电压值和电抗器过电压值。

图6 增加电抗器的并联补偿保护装置电压回路接线图

6 结束语

通过对综合自动化并联电容保护装置改造，在不需要增加任何一次设备的情况下，仅对二次设备进行简单地修改，就可实现对电抗器的可靠保护，避免电抗器着火事故的发生。

[1]TB2009-87 牵引供电系统并联电容无功补偿的计算条件和方法[S].中华人民共和国铁道部，1988.

[2]李群湛.电气化铁道并联综合补偿及其应用[M].北京：中国铁道出版社，1993.

[3]周孔章.电路原理[M].北京：高等教育出版社.