淺析無功補償SVC裝置中電抗器燒損故障及對策

針對大準鐵路無功補償裝置中電抗器多次燒損故障，進行分析，并制定出相應的防范措施。大準電氣化鐵路自開通以來，為提高牽引變電所功率因數、降低負序電流和治理諧波，減少供電部門利率罰款，相繼在各變電所裝設電容補償裝置。自2008年7月起，各牽引變電所逐年將原有的靜態(tài)無功補償裝置升級為動態(tài)無功補償裝置，投運以來運行一直比較穩(wěn)定。2013年7月至9月3個月中，大準鐵路窯溝變電所、大紅城變電所動態(tài)無功補償裝置濾波回路FC支路電抗器相繼有4臺燒損。本文對電氣化鐵道動補裝置中電抗器運行中的電壓、電流進行分析，結合電抗器本身的結構特點，找出電抗器燒損的原因，并提出相應的解決措施。

一、電抗器運行中電壓和電流對其的影響

（一）諧波過電流

電力機車使用工頻單相式交流供電，它采用了大功率電力電子裝置，是典型的負序源，容易產生大量的高次諧波。根據有關資料提供的各次諧波電流含有率的實測數據，一般情況下不會導致電抗器過熱。但是因為因大準鐵路復線的開通使得每個供電臂經常出現3至4列列車（單線時一般不超過2列），變電所供電臂的最大電流明顯增加。根據后期現場實測單條供電臂達900A以上（基波），SS4機車單機3次諧波電流占基波電流約20%，5次諧波電流占基波電流約10%。實測最大負荷電流統(tǒng)計窯溝變電所龍王渠方向的供電臂最大負荷電流達1350A。這樣電抗器承受諧波電流的疊加超過了其額定電流，長期發(fā)熱絕緣老化，局部過熱造成絕緣薄弱環(huán)節(jié)擊穿放電燒損（詳細數據見第四部分敘述）。

（二）短路環(huán)流

如果電抗器發(fā)生層間閃絡或擊穿，電弧將燒傷層間絕緣和匝間絕緣，嚴重時將可能引起匝間短路。電抗器發(fā)生匝間短路時，對本身參數以及整個支路電流運行很小，但是它會在電抗器線圈中形成局部短路閉環(huán)。因為電抗器在運行中產生較為強大的交變電磁場，這個閉環(huán)的短路電流在磁場作用下產生數倍于額定電流的感應電流，這個感應電流會使閉環(huán)局部過熱，進一步損壞閉環(huán)及周圍絕緣，進而危害到電抗器的安全運行。

（三）操作過電壓

包括合閘時操沖擊過電壓和分閘時電弧重燃過電壓。

合閘時

由上式得知合閘瞬間Ul=Um，當電源電壓達到32kv時，電抗器瞬間承受的最大電壓峰值為45.3kv，是其額定值的11.4倍。合閘1s后，電抗器上仍有0.39Um=17.7kv，這嚴重考驗著電抗器的絕緣。如果電抗器本身絕緣有缺陷，那么絕緣相對薄弱的地方就有可能遭到合閘過電壓的破壞。

當電容電流過零值斷流時，電容電壓達到峰值，并保留電荷。斷路器觸頭間在分斷后的半周期，可能出現2倍于回路電壓的恢復電壓。如果此時出現分斷電流時消弧不完全，且觸頭分離時速度較慢，可能引起觸頭間絕緣破壞，導致電弧重燃。在開斷容性負載時，這種電弧重燃會引起很高的過電壓。一次重燃時電容器和母線會產生3倍于母線電壓的過電壓，二次重燃會產生5倍于母線電壓的過電壓。由于電容器端電壓不能突變，這個過電壓瞬間全部加在電抗器上，相當于電抗器額定電壓的24-40倍，嚴重威脅電抗器的運行安全，它能對電抗器絕緣薄弱環(huán)節(jié)進一步沖擊加速電抗器絕緣的老化，直至電抗器絕緣薄弱環(huán)節(jié)擊穿造成燒損。

（四）諧波過電壓

當負荷電流含有諧波分量時，電抗器上會產生諧波電壓

Uln=IlnXln，通過計算可知電抗器將承受較大的諧波過電壓，但這個電壓持續(xù)時間很短，一般情況不會影響電抗器的安全運行。

二、大準線電抗器燒損原因分析

交直型電力機車（韶山4型）產生較大的奇次諧波電流，FC支路投切瞬間可能產生較大的操作過電壓?；娏骱椭C波電流共同作用于電抗器造成電抗器過熱，使電抗器絕緣加速老化。采用真空斷路器斷開容性電流時容易造成電弧重燃，產生3-5倍的過電壓，對電抗器絕緣薄弱環(huán)節(jié)進一步沖擊加速了電抗器絕緣的老化，直至電抗器絕緣薄弱環(huán)節(jié)擊穿造成燒損。

根據供電段和有關部門對大準線各牽引變電所饋線2006年擴能改造前和2011年擴能改造后的電流、電壓統(tǒng)計表得知，2006年之前27.5KV側饋線最大取值660A，2011年擴能改造后27.5KV側饋線最大取值1041A。從2014年5月30日開始大準鐵路老牛灣到二道河復線電氣化開通以來，窯溝、大紅城2所每個供電臂經常出現3至4列列車（單線時一般不超過2列），變電所供電臂的最大電流明顯增加，現場測試最大負荷電流統(tǒng)計窯溝變電所龍王渠方向的供電臂最大負荷電流達1350A，后經過根據供電段和廠家人員現場測試，單條供電臂達基波電流達900A以上，3次諧波電流達200A，遠遠超過初期設計額定電流145A。因此電抗器存在長期過載的問題，電抗器承受諧波電流的疊加超過了其額定電流，長期發(fā)熱絕緣老化，局部過熱造成絕緣薄弱環(huán)節(jié)擊穿放電燒損。

三、預防電抗器燒損的措施

（1）重新設計、確定濾波電抗器過載能力，使其有足夠的裕度以保證濾波電抗器溫升和絕緣強度。

（2）提高電抗器本身的質量，使用容量和絕緣裕度更好的電抗器；

（3）試用適應環(huán)境能力較好的油浸式電抗器

（4）將動補裝置的真空斷路器更換為切斷容性電流性能較好的六氟化硫斷路器，減少操作過電壓對電抗器絕緣的沖擊。

（5）對電抗器設置保護。

a.目前供電段采用試溫蠟片監(jiān)測電抗器表面運行溫度，實施了在線溫度監(jiān)測預警系統(tǒng)。

b.濾波電抗器并接電壓互感器形成其放電回路減少過電壓的損害。

參考文獻：

[1]王向晨，《電網無功補償使用技術》，北京：中國水利水電出版社.2009

[2]褚孟似，趙承荻，《電工基礎》，北京：中國鐵道出版社，1988