并联电容补偿装置的故障分析与保护设计

・电　力・　并联电容补偿装置的故障分析与保护设计　孥彦电　（北京铁路局邯郸供电段，河北邯郸０５６００２）　摘要：通过对并联电容补偿装置出现的电抗嚣冲击试验时烧　在电气化铁路开通前，一般在牵引变压器空载运　毁、运行中着火事故和既有保护方式存在死区问题的分析，提　行时，对并补装置进行冲击试验。京郑线送电时３０％　出在现有保护基础上增加检测母线电压过零点时配合断路器　以上的变电所发生了电抗器烧毁事故，仅北京一安阳　固有动作时问相控合闸控制、稳态阻抗比和过渡过程电压、电　流负向变化率保护，构成完善的并联电容补偿装置测控系统。　段就在承安铺、琉璃河、邢台变电所出现各烧坏ｔ台、　介绍在不增加一次设备的情况下邯郸供电段研制开发的并联　柳新庄变电所烧毁２台电抗器的问题，直接经济损失　电客补偿系统保护装置的组成方案和硬件实现。　逾百万元。　关键词：电气化铁路；牵引变电所；并联电容补偿；相控合闸　（２）运行中着火　中圈分类号：Ｕ２２４　文献标识码：Ｂ　原邯郸供电段辖有５个牵引变电所，共安装１０套　文章编号：１００４—２９５４（２００６）０４—００９８—０３　计２６　８００　ｋＶａｒ的并补装置。自１９９７年投运以来，因　其运行温度相对较高，运营中注意加强了红外测温和　电气化铁路牵引变电所均设有并联电容补偿装置　清扫维护工作。但２００３年８月１３日，磁县变电所仍　（下称并补装置），主要用于补偿无功、降低负序电流　出现了Ｂ相并补装置在避雷器未动作、控制室没有任　和治理谐波。一般情况下，为了降低电容器组的涌流　何征兆的情况下一台３６９．４　ｋＶａｒ电抗器着火，幸而值　倍数和涌流频率，使得回路设备易于选择，同时兼对三　班人员在巡视中发现、及时断开有关开关，防止了事故　次谐波的有效过滤作用，在回路中串入１２％容抗值的　范围的进一步扩大，但仍导致３　２００　ｋＶａｒ的补偿装置　电抗器，使整个系统工作在对三次谐波过调的状态。　退出运行，占总装容量的１２％。　１　问题的提出　１．２缺乏必要的保护　现有设计中，牵引变电所并补装置设置有电流速　１．１　电抗器事故　断、过电流、母线过（失）压、差压、谐波过电流等保护　原来串联的电抗器采用油浸式，由于运行中维护　动作于跳闸。但以上几种保护主要是针对电容组而设　工作量大等的影响，已逐步被耐温性能好、损耗较低的　立的，在采用油浸电抗器时，同时设有轻、重瓦斯保护。　干式电抗器所替代，如京郑线电气化铁路全部采用　而采用干式电抗器时，设计规范…未对其作出具体规　ＣＫＢＴ型并联筒式结构的干式电抗器。虽然这种干式　定，只是笼统地要求“对电抗器应根据产品的要求装　电抗器与油浸式相比存在诸多优点，但在运行中也出　设相应保护装置”，而生产厂商对此也未加以确认。　现了一些问题，主要表现在以下几个方面。　铁路系统并联电容补偿装置基本上采用电抗器后　（１）冲击试验时烧毁　置这种接线形式，如图１所示。这样在电抗器匝间、层　收稿日期：２００５—１１一ｌ６　间以及绕组线包间、串联电抗器与电容器连接软线对　作者简介：李彦吉（１９７４一）。男。工程师。　地发生短路时，因系统电压保护不变、且串联电抗器被　（２）方案二　方案二需要增加的设备较多、投资较大，互传的信　在换乘站进行接口。这样需要防灾报警（ＦＡＳ）、　息有限。方案一增加的设备较少，投资少且不增加初　设备监控（ＢＡＳ）同时设置接口，设备监控（ＢＡＳ）系统　期投资，互传的信息齐全。故方案一比较具有优势。　需要设１台通信交换机，将来把换乘站的设备监控　参考文献：　（ＢＡＳ）系统与相关线路的设备监控（ＢＡＳ）系统主干网　［１】ＧＢ　５０１５７－－２００３。地铁设计规范［Ｓ】．　联接，换乘站的防灾报警（ＦＡＳ）系统需要２台报警控　［２】ＧＢ　５０１ｌ６～９８，火灾自动报警系统设计规范［Ｓ】．　制器，１台接入本线的令牌环网，另１台将来接入相关　［３】　ＧＢ　５０３ｌ４　２００３。智能建筑设计标准［Ｓ】．　线路的令牌环网，２台控制器之间进行信息互传。由　［４】　刘永谦．新型地铁火灾检测系统设计技术研究【Ｒ】．天津：铁道第　三勘察设计院，２００５．　于报警控制器的通信接Ｅｌ有限，所以通常只能做继电　［５】　魏晓东．城市轨道交通自动化系统与技术［Ｍ】．北京：电子工业出　器接口，这样传递的信息很有限。　版社，２００４．　（３）结论　９８　铁道标准设计ＲＡＩＬＷＡＹ　ＳＴＡＮＤＡＲＤ　ＤＥＳＩＧＮ　２００６（４）　维普资讯 http://www.cqvip.com

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电　力・　・李彦吉一并联电容补偿装置的故障分析与保护设计　ＫＫ　————————————●　电压过零点　已知ＤＬＩ￣Ｉ有　动作时间　动作合开关　田２控制动作逻辑示意　证能在母线电压过零点时顺利投入并补装置，在实现　过程中，应具有准确测量断路器动作时间并自动校正　的功能。　ｌ　ｊ　图３装置总体框架　３．２增加保护类型　流、母线过（失）压、差压、谐波过电流六种保护动作于跳　闸外，在不增加一次设备的情况下，通过增加了母线电　在电抗器故障时，回路电压和电流都是减小的趋　势，故设计中应增设反映电量负增长的保护类型以消　压过零点相控合闸控制、实时检测感抗容抗比值和电压　除既有保护存在的死区。　３．２．１　稳态阻抗｝匕保护　因Ｘ　＝２，ｔｒＪ＇ｋＮ　（其中，　为电抗器电抗值，，为频　率，ｋ与材料等有关的常数，Ⅳ为电抗器匝数），电抗值　与线圈的匝数的平方成正比，出现电抗器匝间、层间以　及绕组线包间短路时，其值有较大的变化；电容、电抗　器之间连接线对地短路时，　趋近于０。　因而上述情况下，Ｘ　／Ｘ　＝１２％点将出现大幅度　的变化，因此可利用此变化构成稳态阻抗比保护，当感　抗、容抗比值在１２％左右变化某一百分数时，启动保　护告警跳闸。　３．２．２过渡过程保护　电抗器故障时，电容器端电压和回路电流都将降　低，并经过一定的时间达到新的平衡，过渡过程的长短　与短路（接地）故障的严重程度有关。但从总体上来　说，因电抗器并非线路中的主要负载，电压和电流的变　化趋势都是减小，不会产生太多的高次谐波，电容器和　电抗器的高频特性不会起太大的作用，使过渡过程的　时间不会太长。　虽然过渡过程时间很短，但故障发展到一定阶段　稳态阻抗比保护动作时电抗器可能已烧毁，因此应设　置过渡过程保护。　根据电抗器故障时引起的电容电压、回路电流的　变化趋势，可设定当电容器电压、回路电流负向变化时　保护动作，构成过渡过程电压、电流变化率保护。　为避免因系统电压波动、并补装置撤除运行时引　起保护误动，以母线电压变化率、无流检测为闭锁条　件，当母线电压变化方向与电容电压、回路电流变化方　向一致且幅度接近时、回路没有电流时闭锁保护。　４硬件及功能实现　从现场应用的角度出发，在对既有牵引变电所并　补装置一次设备不进行改造的前提下，拟定并联电容　补偿系统测控装置总体框架如图３所示。　测控装置除具有传统的电容器保护电流速断、过电　１００　（流）变化率保护，构成并补装置完善的控制保护功能。　与既有保护一样，外部模拟量输入部分包括母线　电压（Ｕ）、电容（放电线圈）电压、回路电流。不同的　是稳态阻抗比保护实现中　／Ｘ　＝（Ｕ　／Ｉ）／（Ｕ　／Ｉ）＝　Ｕ　／Ｕ　，Ｕ　可从放电线圈二次获得，电抗器两端电压　通过电容电压和母线电压进行矢量计算（Ｕ。　＝Ｕ　一　）可得。但计算中应注意在图１状态下，母线ＹＨ与　电容ＦＤ二次折算值的倍率分别为２７．５／０．１、　ｌ６．８／０．１　５　结语　２００４年３月，我段在辖内磁县变电所安装了自己　研制的并联电容系统测控装置，１１月通过了北京铁路　局的技术鉴定。它可以有效防止电抗器合闸时烧毁现　象的发生，在电抗器短路、连接软线接地而既有保护拒　动时，可靠动作将故障切除。　鉴于并联筒式电抗器运行中出现的问题，并干式　空芯电抗器的广泛应用的实际情况笔者建议如下。　（１）《铁路电力牵引供电设计规范》（ＴＢ　ｌｏ００９—　２００５）中应增加干式电抗器预警功能要求、消除既有　保护存在的死区，将阻抗比、电压（流）负向变化率保　护纳入规程加以明确。　（２）运营单位应加强测温工作、特别是无人值守　的变电所；运行中，应进一步积累数据、完善电流（压）　负向变化率整定模式，将事故消灭在萌芽状态。　（３）生产厂商研制新型电抗器时应针对电气化铁　路的特点特殊设计，并考虑预埋温度传感器、采集最热　点温度，高于绝缘材料的允许值时、告警跳闸，作为反　应电量信号保护的有效后备。　参考文献：　【ｌ】ＴＢ　１０００９－－２００５，铁路电力牵引供电设计规范【ｓ】．　［２】　周孔章．电路原理［Ｍ】．北京：高等教育出版社，１９９９．　［３】　刘鸿渤等．并联电容补偿装置合闸过电压的研究［Ｊ】．电气化铁　道，２００１（２）．　［４Ｊ　王公社．并联电容补偿装置容量计算新思路［Ｊ】．铁道标准设计，　２００５（１２）．　铁道标准设计ＲＡＩＬＷＡＹ　ＳＴＡＮＤＡＲＤ　ＤＥＳＩＧＮ　２００６（４）