操作过电压引起的故障分析及防范措施

1 操作过电压及其危害

铁路牵引供电系统是电力系统的一部分, 牵引变电所中变压器、电压互感器、电抗器及电力机车是感性设备, 变电所并联电容器及对地存在电容的空载线路则是容性设备, 系统的电感和电容组成谐振回路。正常运行时, 这些设备的电感和电容不会形成谐振, 当进行倒闸操作时, 系统中某些回路被割裂、重新组合, 感性、容性贮能元件的工作状态发生变化, 将产生电磁能量振荡的过渡过程, 构成振荡回路, 在满足一定的激发条件时, 将产生谐振, 导致操作谐振过电压。

操作引起的谐振过电压对牵引供电系统的危害性是很大的, 主要是危及电气设备的绝缘, 关系到系统中各种电气设备绝缘水平的选择, 直接影响造价和投资, 也可能因谐振持续过电流烧毁感性元件设备 (如压互等) 。

2 一起操作引起的谐振过电压实例分析

2.1 事故经过

2005年6月2日, 大同东站变电所由二号回路电源倒至一号回路电源供电。 (变电所主结接线如图1所示)

倒闸作业程序:断开251、252, 断开213、214、T102、T152-1, 合上T151-1、T101, 合上211、212, 合上251、252。

故障现象:值班员合212开关时, 馈线电压表、电流表指针急剧抖动, 指到满刻度, 主变压器音响异常, 225开关电流速断保护动作跳闸, 重合失败。经检查, 27.5kV母线支持绝缘子 (图1中A、B点处) , 225开关负荷侧支持绝缘子 (图1中C点) 有严重的放电烧伤痕迹, 穿墙套管 (图1中D点) 炸毁, 穿墙套管内导电板烧断。中断行车2小时, 严重影响了铁路正常的运输生产秩序, 损失惨重。

2.2 原因分析

事故发生后经过调查分析, 了解到在本次倒闸操作时, 大同东牵引变电所225开关供电臂内有一辆SS4B型电力机车正好闯过分相绝缘器进入该供电臂。通过对机车运行等效电路的分析, 这起故障是由于运行中的电力机车变压器一次侧线圈的电感与变电所馈线线路的对地等值电容, 构成了电容和铁芯线圈并联电路, 引起的谐振过电压所致。等效电路如图2所示。

系统的参数估算:

湖大线为单线电气化铁路, 接触导线采用TCG—110 (20℃时电阻率应不大于0.01768Ω·mm2/m) , 导线半径6.17mm。TCG—110的计算电阻为0.1607Ω/km;供电臂长度为21km, 承力索采用GJ—100, 电阻为1.45Ω/km。接触网导高6m, 结构高度1.4m。

2.2.1 导线对地电容 (C0) 计算

(1) 接触网导线的等效半径

r:流过最强电流的导线半径

η:流经该导线的总电流比例

ajc:导线间的距离

(2) 用镜象法求导线的对地电容及容抗XCo

2.2.2 牵引变电所27.5kV电压互感器的感抗 (Xh) 计算

该所27.5kV电压互感器为JDJ2-35型, 一次侧额定电压27500伏, 二次侧额定电压100伏, 二次额定负荷150伏安, 空载试验实测二次电流1.8安, 损耗27瓦。

2.2.3 SS4B型电力机车激磁电抗 (Xm) 的计算

SS4B型电力机车变压器高压绕组的主要技术参数:额定容量4923kVA, 额定电压25kV, 额定电流196.92A, 空载电流0.4%。主变压器的激磁电抗:

2.2.4 分析结果

∵Xh>>Xm

∴根据图2所示电路分析, 系统的等效感抗XL≈Xm

容抗与感抗的比值

根据彼得逊谐振理论, 一般XC/XL的值在0.01~3的范围内, 均属可能发生谐振的区域。其中:XC/XL的值0.01~0.08为分频谐振区, XC/XL的值0.08~0.8为基波谐振区, XC/XL的值0.6~3.0为高频谐振区。

根据以上计算结果分析, 这次事故是由于运行中的机车变压器一次侧线圈的电感与空载线路的对地等值电容, 构成了电容和电感铁芯线圈并联电路, 容抗及感抗参数处于不利组合, 在开关合闸的冲击扰动激发下, 形成了高频谐振过电压, 导致了此次事故的发生。

3 防止措施

由于过电压引起的事故危害性很大, 对整个牵引供电系统的安全运行关系至为密切, 所以做好过电压防护工作具有重要的现实意义。

3.1 防止操作过电压的有关措施

限制操作过电压是降低系统绝缘水平的重要前提, 是保证牵引供电系统可靠运行必须研究的课题。过电压防护是从技术上防止、抑制其数值在允许的范围内, 以减小过电压对电气设备的危害和提高供电系统的可靠性。一般情况下, 断路器的操作是大部分操作过电压的起因, 常用的防护操作过电压的措施有如下。

(1) 提高设备检修质量, 保证在倒闸操作中断路器同期动作, 提高断路器的灭弧能力和动作的同期性以限制操作过电压。

(2) 破坏倒闸过程中的谐振条件, 改变可能产生铁磁共振的作业程序, 禁止牵引变电所带负荷进行倒闸作业, 在牵引变电所倒回路操作中, 先将电容和馈线开关全部停电, 再进行倒电源操作, 这样系统中没有电力机车负荷存在, 系统的电感和电容参数基本上是固定值 (设计值) , 产生谐振过电压的机率就会大大减少。

(3) 采用性能良好的避雷器限制操作过电压, 由于操作过电压持续时间比雷电过电压长, 虽然幅值较低, 但能量很大, 作为限制雷电过电压的避雷器是不能承受绝大部分操作过电压的。因此, 专门用作限制操作过电压的避雷器必须满足相应的技术要求, 一般作为后备的保护措施。如采用非线性压敏电阻 (一种氧化锌避雷器) MOA, 这种避雷器在工作电压下呈极大电阻, 漏电流为微安级, 不影响电网运行过电压时, 其阻值剧降并呈稳压特性, 一般可将过电压限制在2倍相电压以下, 且阀片间有一定电容量, 对残压的突变有抑制作用。

3.2 防止内部过电压的其他保护措施

(1) 加强对牵引变电所及负荷设备的巡视检查, 保证状态良好, 减少由于设备本身存在问题引起的过电压。

(2) 采取临时性的倒闸措施, 如调度部门可根据系统接线情况, 投入事先规定好的某些线路或设备等, 以改变系统参数, 避免发生谐振。

(3) 为了限制和降低切断空载线路时的过电压, 可使用有并联电阻的断路器、磁吹避雷器或金属氧化物避雷器、并联电抗器、电压互感器以及自藕变压器。这些措施可将切断空载线路时的过电压限制到2.5倍相电压以下。

(4) 为了限制切断电感负荷时的过电压, 由于这种过电压多为持续时间甚短的高频振荡波, 对绝缘的作用与雷电冲击波相似, 所以可以用磁吹避雷器或金属氧化物避雷器予以限制。装有并联电阻的断路器, 也可以有效地切断电感负荷时产生的过电压.

摘要：在电力系统中的操作过电压引起的设备故障, 对电力系统的危害很大。本文针对牵引变电所的一次操作过电压引起的故障案例进行详细分析, 说明事故原因, 并针对性的提出预防操作过电压的各种措施。

关键词：电力系统,谐振,操作过电压,防范措施

参考文献

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