变电站切除并联电抗器过电压故障分析

袁士超，罗 轶，张 威，吕 涛

(国网浙江省电力有限公司宁波供电公司，浙江 宁波 315010)

0 引言

变电站是电力系统中变换电压、接受和分配电能、控制电力流向及调整电压的电力设施。变电站内除变压器、母线、断路器等设备外，还装有大量电容、电感等电网无功元件。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，无功设备投切是电网运行中最频繁的操作，但由此产生的过电压现象也非常普遍，其中切除并联电抗器的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。

以一起35 kV真空断路器切除并联电抗器操作过电压故障为例，根据故障录波实测数据和设备损坏检查情况，分析其产生原因和过电压机理，结合各项措施提出防治建议，对认识并联电抗器操作过电压现象及风险并开展有效治理具有积极意义。

1 并联电抗器操作过电压故障

1.1 故障概况

某220 kV变电站35 kVⅠ，Ⅱ母线接线方式如图1所示。故障发生前，该站35 kVⅠ，Ⅱ母线处于并列运行状态。

图1 35 kV侧系统接线

故障发生前，该变电站35 kV 3号电抗器开关正在进行分闸操作时，35 kVⅡ母线母差保护动作，35 kVⅡ母线失电，主变低压侧故障电流8 500 A。

1.2 避雷器动作情况

故障前，3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相避雷器各多动作了一次。35 kVⅡ段母线侧避雷器未动作。由此可见，3号电抗器侧过电压水平较高，导致避雷器动作，而35 kVⅡ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3号电抗器开关开展了相关试验，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/min交流耐压试验通过，开关的绝缘特性依旧良好，故判断故障发生时存在较高的过电压才导致开关极间绝缘闪络。

1.4 现场设备检查

经检查，3号电抗器开关内部存在多处放电痕迹，其中贯穿性放电发生在以下几个部位。

(1) A相的上极间绝缘子和下极间绝缘子组合形成3号开关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12 cm×2，爬距为18 cm×2，是整个开关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。

(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，经测量导体的相间距离为38 cm。

(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相导体与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了放电，不过痕迹相对不明显。

1.5 故障录波信息

经检查故障录波信息发现，故障一开始为A，B相间闪络，两相故障电流幅值相同、方向相反，但此时系统仍保持对地绝缘；4.4 ms后故障进一步发展为三相接地短路，三相电压接近零，故障电流剧增。

A，B相间闪络发生在母差保护范围内(T1虚线处），母差保护动作，经约一个半周波(30 ms)开关动作时间，35 kV II母所有开关跳闸，母线失电。

2 故障分析

2.1 过电压原因分析

根据现场检查和故障录波信息，该故障是由于3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所致。

极间外绝缘上的电弧导致周围空气发生光电离和热电离，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 电抗器过电压机理

真空断路器在开断并联电抗器时产生的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。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。

当电抗器开断时，从能量守恒角度看，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，可通过公式(1)和(2)估算出起始过电压倍数：

其中：Ucm为电抗器开断后的最大电压，U0为初始电压，I0为初始电流，L和C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嫁到电抗器的对地电容上。式(2)则反映了过电压倍数与等效对地电容之间的负相关关系，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)：

其中：k为电抗器中性点电压偏移系数，当母线侧对地等效电容(Cs)远大于电抗器侧对地等效电容(Cg)时，k=0.5；反之，则：

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，形成电压级升效应。

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。由于真空断路器具有开断高频电流的能力，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未过零，却无法再通过断路器回流系统，只能对并联电抗器侧对地电容充电，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联电抗器侧对地电容比值过小时，如系统侧空载母线对地电容相对较小，可能接近甚至小于并联电抗器侧对地电容(主要为电缆)，并联电抗器开断过程由于等效截流引起断路器的多相连续击穿，对母线侧也会发生强烈冲击。

目前，并联电抗器母线侧系统均为采用小型化设计的户内设备，这类小型化设备在使用过程中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。

3 电抗器操作过电压防治措施

从电抗器操作过电压的产生机理可知，要防治该类操作过电压，可从抑制电弧连续复燃的发生(降低恢复电压上升速度，或提高灭弧室绝缘强度增长速度)、增加母线侧对地等效电容等方面入手。

表1汇总了部分可行的防治措施，并对其优缺点进行了比较。

表1各项措施中，相对于措施5而言，措施6中由于开关在并抗中性点侧，电抗器电感对高频产生阻塞作用，复燃过电压只能通过匝间分布电容耦合到母线侧，对母线侧的影响减小到完全可以忽略，对过电压抑制效果更好，是并抗操作过电压防治的优先选择。

表1 电抗器操作过电压防治措施

综合上述电抗器过电压防治措施，结合电抗器现状与实际运行情况，提出以下3方面并联电抗器操作过电压防治和运行建议。

3.1 优化设计配置方案

(1) 避免在空载母线上配置并联电抗器装置，如确有需要，宜采用中性点开关电抗器。

(2) 系统侧带线路的并联电抗器配置时，电抗器连接电缆应尽可能短。

(3) 避免采用干式电抗器，优先采用油浸式电抗器。

3.2 优化操作运行方式

(1) 对系统侧带线路的并联电抗器，应避免将所连母线上的线路全部退出，防止形成人为因素导致电抗器空载母线运行。

(2) 对于新投产电抗器，如有条件，应在投产过程中始终保持一条足够长的空充线路运行，以降低母线侧过电压风险。

(3) 特殊情况下，空载母线上并联电抗器遇紧急情况需停机，可通过所在主变高压侧开关拉停方式进行操作。

(4) 及时跟踪并联电抗器分闸操作后避雷器动作情况，对避雷器频繁动作的现象提高关注，必要时实施治理。

3.3 空载母线系统过电压治理

(1) 将并联电抗器改造成中性点开关投切电抗器，实现开关中性点侧投切。

(2) 增加系统出线。

(3) 母线侧装设阻容吸收器，容量按照10倍电抗器侧对地电容配置。

4 结束语

通过对设备故障现象和过电压成因的全面分析，提出了优化设计配置方案、优化操作运行方式和空载母线系统过电压治理等防治建议，对认识并联电抗器操作过电压现象和风险及开展有效治理具有积极意义。

未来要从根本上治理并联电抗器操作过电压现象，需改变当前因标准缺乏造成空载母线系统并联电抗器不合理应用的现状，进一步推动并联电抗器、断路器、所变等产品标准、并联电抗器装置设计运行规范、并联电抗器典型设计等的改进和完善。