35 kV并联电抗器分闸过电压故障实例分析及防治

2022-06-10袁士超石贤伦叶夏明朱晓杰

黑龙江电力 2022年1期

袁士超，柯珂，石贤伦，叶夏明，朱晓杰

(国网浙江省电力公司宁波供电公司，浙江宁波 315010)

0 引言

无功设备的投切是电网运行中最频繁的操作内容，由此产生的过电压现象非常普遍，其中切除并联电抗器产生的分闸操作过电压尤为严重，由真空断路器投切电抗器引发的开关爆炸、电抗器绝缘击穿等故障时有发生[1-4]。为提高电网功率因数、降低变压器及输送线路损耗、提高供电效率，分析一起35 kV真空断路器切除并联电抗器的分闸操作过电压故障的产生原因和过电压机理，并提出防治建议，有助于认识并联电抗器操作过电压现象及风险。

1 35 kV并抗分闸操作过电压故障实例

1.1 故障概况

某220 kV变电站35 kV 2号电抗器开关在进行分闸操作时，35 kV Ⅱ母母差保护动作，35 kV Ⅱ母失电，主变低压侧故障电流8 500 A。故障发生前35 kV I、Ⅱ段母线并列运行，其接线方式如图1所示，故障设备信息见表1。

表1 故障设备信息Table 1 Fault device information

图1 35 kV侧系统接线图Fig.1 35 kV side system wiring diagram

1.2 避雷器动作情况

故障前2号电抗器侧避雷器A、B、C三相动作次数计数分别为5、4、8，故障发生后读取避雷器动作次数计数变为5、5、9，即B、C相避雷器各动作了一次。35 kV Ⅱ段母线侧避雷器未动作。

可见2号电抗器侧过电压水平较高，导致避雷器动作，而35 kV Ⅱ段母线上的过电压水平相对较低。

1.3 试验数据情况

故障发生后对2号电抗器开关开展相关试验，极间绝缘电阻试验数据正常，线圈直流电阻试验数据正常，动作特性试验数据正常，且与前次试验值相比无明显变化，极间95 kV/1 min交流耐压试验通过。

故障发生后断路器的绝缘特性仍然较好，可知故障发生时存在较高的过电压水平，导致断路器极间绝缘闪络。

1.4 现场设备检查

经检查，2号电抗器开关内部存在多处放电痕迹，其中贯穿性的放电发生在以下几个部位。

1)A相的上极间绝缘子、下极间绝缘子，组合形成3号断路器A相的极间放电，B相的情形类似。上、下极间绝缘子的直线距离为2×12 cm，爬距为2×18 cm，是整个断路器内部的绝缘薄弱环节，最初的放电可能起始于此，由于是单相故障，放电痕迹相对较小，如图2所示。

图2 上下极间绝缘子闪络痕迹Fig.2 Flashover marks on insulators between upper and lower poles

2)A、B相母线侧导体间，放电痕迹较为明显，而B、C相母线侧导体间也存在放电，但痕迹相对不明显，如图3所示，经测量导体的相间距离为38 cm。

图3 母线侧导体间闪络痕迹Fig.3 Flashover marks between conductors on bus side

3)C相母线侧导体与开关柜接地外壁间，放电痕迹较为明显，经测量C相导体距离开关柜接地外壁的距离为39 cm，A相导体距离开关柜接地外壁的距离为42 cm，而A相母线侧导体通过母线侧支撑绝缘子对接地金属板也发生放电，但痕迹相对不明显，如图4所示。

图4 对地闪络痕迹Fig.4 Flashover marks to the ground

1.5 故障录波信息

故障录波信息如5所示，第一条虚线处(T1)首先发生A、B相间闪络，但此时仍保持对地绝缘，4.4 ms后在第二条虚线处(T2)发展为三相接地短路。

A、B相间闪络发生在母差保护范围内，母差保护动作经过约1.5周期(30 ms)的开关动作时间，35 kV II母所有开关跳闸，母线失电。

图5 故障录波图Fig.5 Fault recorded diagram

2 故障原因分析及过电压机理

2.1 过电压原因分析

根据现场检查和故障录波信息分析，该故障原因为2号电抗器开关的上、下极间绝缘子的绝缘相对薄弱，真空泡内的电弧被拉断后，极间外绝缘无法承受较高的过电压水平，A、B相极间首先发生绝缘闪络。极间外绝缘上的电弧导致周围空气发生光电离及热电离，绝缘水平大幅下降，导致A、B相间发生短路(发生在A、B相母线侧导体间)。相间短路的电流更大，释放的能量也更多，迅速导致三相短路发生在B、C相母线侧导体间；并对地放电，发生在C相母线侧导体对开关柜接地外壳以及A相母线侧导体对金属接地板之间。

2.2 电抗器分闸过电压机理

真空断路器在开断并联电抗器时产生的分闸操作过电压主要是由断路器在开断过程中的截流和多次重燃效应引起的。首开相连续复燃以及后两相等效截流开断产生的过电压是电抗器开断操作过电压最典型的表现形式[5-9]。

当电抗器开断时，从能量守恒角度阐述，电感负载被开断时的振荡过程是电磁能量相互转换的过程，可按式(1)、(2)估算出起始过电压倍数K。

(1)

(2)

式中：UC，m为电抗器开断后的最大电压；U0、I0分别为初始的电压和电流；L、C分别为电抗器的电感及电抗器侧的对地等效电容值。

从能量角度来看，式(1)反映了电抗器中能量的走向，即当电抗器开关断开时，电抗器中存储的能量都转换到电抗器的对地电容上。由式(2)可见，过电压倍数与等效对地电容呈现负相关的关系，即等效对地电容越大，过电压倍数越小。

考虑电抗器中性点电压偏移，式(2)可修正为式(3)：

(3)

式中：k为电抗器中性点电压偏移系数。

在电抗器开断之后，由于恢复电压上升速度远远大于灭弧室绝缘强度增长速度，电抗器首开相有90%以上的概率发生复燃。首开相发生复燃时，暂态电流由于三相间的相互作用耦合叠加到后两相电流上，形成电压陡升效应。随着复燃的连续发生，暂态振荡不断增强，引起后两相电流出现高频过零点。由于真空开关具有开断高频电流的能力，所以电流在暂态过零点被熄弧开断。此时电抗器线圈工频负载电流并没有过零，但无法再通过断路器回流系统，只能对并抗侧对地电容充电，产生与截流效果相同的等效截流现象，引发严重的过电压。

上述过程中，当系统侧对地电容与并抗侧对地电容比值过小时，系统侧空母线对地电容相对较小，可能接近甚至小于并抗侧对地电容(主要为电缆)。并抗开断过程由于等效截流引起断路器的多相连续击穿，对母线侧也发生强烈冲击，由于目前并抗母线侧系统均为小型化设计的户内设备，极易造成外绝缘薄弱的母线及干式所变等发生击穿或高压熔丝熔断。