异常过电压分析与治理研究

王连生

0 引言

兰新铁路是国内规划中“四横四纵”的重要干线铁路，是连接中国西部至东部的交通大动脉。嘉峪关不仅是兰新线上行车装备的重要检修基地，也是西部地区铁路运输枢纽之一。嘉峪关设置有大型客车站、货站、机务段、车务段、工务段以及供电、电务、车辆等多个车间，涉及铁路生产生活有关人口5万多人。该铁路设施及其周边地区的生产生活用电均由嘉峪关中心变配电所提供。

嘉峪关变配电所原为10 kV配电所，2006年随着武嘉铁路电气化进行了相应的升级扩容改造。新扩建的嘉峪关变配电所于2006年7月27日投运，但是，2006年8月8日就开始发生设备绝缘击穿故障，至本研究的治理之前，开关柜内触头盒等绝缘件烧损、电缆头击穿等故障次数已经高达40多次，平均每月发生一次，严重时一天发生 2次。频繁的跳闸、系统倒换、停电检修作业，影响了行车电源的可靠供电和铁路地区的正常生活。

为此，嘉峪关变配电所采取了更换开关柜触头盒、电压互感器、穿墙套管等部件，添加避雷器、消谐器，加装复合绝缘隔板，改变无功补偿和系统运行方式等措施。但都未能从根本上解决嘉峪关变配电所设备绝缘放电和击穿问题。嘉峪关变配电所频发的绝缘故障引起各级领导的高度重视，为此立项进行研究。

1 故障原因分析

高压设备运行实践表明，除了外力作用可以直接引起电气设备损坏外，造成电气设备绝缘放电击穿的主要原因：一是绝缘老化和缺陷使设备承受电压的能力降低；二是过电压，它超过了设备额定承受能力。

扩建的嘉峪关变配电所中设备都是新投运的，每次故障后更换的设备或部件也都严格按照国家标准和铁道部颁布的技术规程进行了绝缘试验，因此，可以认定：设备放电击穿的原因不是绝缘下降或老化所致，只能是过电压产生的结果。

从过电压理论上看，过电压是一种电磁暂态现象，发生过电压必须要有外部的电磁冲击干扰，或者系统内部出现能量较大的“激励”（例如：系统内部运行方式变化引起的能量重新分配等）。现场调查和分析嘉峪关变配电所历次发生的设备击穿故障，发现每次故障都很突然。故障发生时天气晴朗，没有雷雨，可以排除雷电过电压侵入。故障发生前，系统运行正常稳定，没有任何倒闸操作，系统中也没有其他短路等突发故障，也可以排除操作过电压。由于系统运行方式没有变化，负荷较小且稳定，没有大的扰动，可以排除铁路供电系统内部原因产生电磁谐振的可能性。所以，笔者认为嘉峪关变配电所绝缘放电故障是一种异常过电压产生的结果。

嘉峪关变配电所主接线如图 1所示，有 2条35 kV高压进线（祁铁线、新铁线）。进线中插入多段三芯和单芯电缆，考虑35 kV架空线、电缆线路、高压室母线的相间电容、对地等效电容、线路等值电感、所用变压器的等值电感、电压互感器的等值电感、主变压器的等值电感，这是一个复杂的多网孔L-C参数电路。根据电工理论，每一个L-C网孔都存在一个固有的谐振频率，都可能构成一个固有的谐振。由于L-C参数的复杂性，其谐振频率可以是高频的，也可以是低频、分频率的，是否发生谐振，依赖于电路中可能出现的电磁扰动。祁铁线和新铁线都是从地方110 kV变配电所的 35 kV母线上引出，母线上带有多条其他的负荷线路，其中有酒泉钢厂的电源线路。钢铁企业的变流设备、轧钢冲击等，存在非常宽范围的频率，这些宽频率的电磁冲击或扰动，对大容量的地方110 kV变配电所而言，相对能量较小，不足以引起过电压，但是，对连接在同一母线上的嘉峪关变配电所而言，由于本身负荷轻，架空线路与电缆线路交替相连，呈复杂的L-C网络，在来自电源方面的宽频率电磁冲击或扰动作用下，就可能诱发谐振，使嘉峪关变配电所在没有雷电、没有操作、系统稳定的情况，突然发生异常过电压，导致设备放电击穿。

图1 嘉峪关变配电所主接线及故障部位示意图

2 异常过电压仿真

2.1 嘉峪关变配电所设备及负荷情况

所用变压器：SC9-50/35GY，4 000 kV · A。

电流互感器：35 kV 侧：150/5（LDJ1-35/300S）；10 kV 侧 300/5（LZZB19-10C2）。

断路器：35 kV侧 ZN12-40.5/1250-25；10 kV侧 ZN28-12/1250-25。

母线电压互感器：JDZX9-35/0.1。

最大负荷时段：32 A（9：00～11：00），cosφ= 0.9。

最小负荷时段：21 A（2：00～6：00），cosφ=0.93。

2.2 等值电路与仿真

由于嘉峪关变配电所的新铁电源和祈铁电源独立，线路结构基本对称，仿真计算只需考虑一边。新铁线系统的等值电路如图2所示，其中钢铁企业的电磁干扰等效为幅值和频率都是随机发生的冲击扰动，用i(t)cj表示。

假设与新铁线连接在同一母线上的谐波冲击源i(t)cj如图3所示，其最大峰值为30 A，等值有效值大约为 21 A；按照傅立叶级数分解方法，可以计算出各次谐波含量百分比如图4所示。

图2 嘉峪关变配电所新铁线系统等值电路图

图3 谐波冲击源i(t)cj波形图

图4 i(t)cj谐波含量百分比图

按照嘉峪关变配电所设备实际参数，在计算机仿真过程中改变不同的谐波冲击时刻和谐波含量的组合，按照叠加方式绘制的嘉峪关所入口处出现的谐波谐振过电压分布如图5所示。可以看到：随着谐波干扰源的谐波含量增加，过电压总趋势呈增加势态，在谐波含量为13%～21%时，过电压接近200 kV；谐波含量为50%的情况下，过电压峰值可高达 380 kV。嘉峪关变配电所的设备绝缘无法承受如此高的过电压，必须进行限制，才能够保证嘉峪关电力所的运行安全。

图5 谐波谐振过电压分布图

3 过电压治理运用效果

电工理论表明：当系统中的容性参数C等于或者接近系统的感性参数L时，即：2πfC=1/(2πfL)就会发生谐振。对供电系统而言，系统的容性参数C是线性不变的；系统的感性参数L在变压器、互感器等铁磁设备的工作电压不超过其额定电压时也是线性不变的；因此，从上式可以看到：引发系统谐振的关键因素是频率f。

上述分析已经表明嘉峪关变配电所的过电压属于铁路系统外的强电磁干扰（非工频f）侵入所致，只要在嘉峪关变电所入口处吸收消灭掉来自钢铁企业的非工频f干扰，就可以消除该类异常过电压。为此，兰州供电段联合北京交通大学开发了一种多谐抑制器和多谐阻尼器，工作原理就是对宽范围的多种谐波进行抑制和阻尼。

研制装置于2009年8月初在嘉峪关变配电所新铁进线单元投运，一年多的运行结果表明，新铁单元再无设备绝缘故障，系统运行稳定，经录波测试，母线电压有效值约为37.9 kV，波形基本呈正弦波，符合国家标准规定的运行质量。与此形成鲜明对比的是嘉峪关变配电所祁铁单元仍然发生了多起设备绝缘放电击穿故障。

4 结论

（1）新扩建的嘉峪关变配电所设备发生绝缘放电事故，原因是来自铁路系统之外的强电磁引起的异常过电压所致。运行经验表明：该类过电压采用避雷器、消谐器，改变无功补偿和系统运行方式等，都不能解决问题。这一点对铁路供电系统而言具有重要的参考意义。

（2）在嘉峪关变配电所安装的多谐抑制器和多谐阻尼器起到了消除该类异常过电压的作用，运行效果良好。

（3）嘉峪关变配电所的事例已经提示：新建或扩建铁路变配电所时，要充分注意从铁路电力系统外部可能侵入的强电磁干扰问题。

[1]GB 50052-95 变配电所供配电系统设计规范[S].

[2]GB/T 18481-2001变配电所电能质量 变配电所暂时过电压和瞬态过电压[S].

[3]GB 311.1-1997变配电所高压输变电设备的绝缘配合[S].

[4]中华人民共和国行业标准 TB 10065－2000 铁路电力变配电所设计规范，中国铁道出版社，2000.

[5]刘明光.电气化铁道高电压绝缘与试验技术[M].成都：西南交通大学出版社，2001.

[6]刘明光.铁道电网过电压分析与防护[M].北京：北京交通大学出版社，2009.