解析并聯電容器用串聯電抗器的保護問題(上)

      摘　要：從實際運行和理論分析結果表明，并聯電容器用串聯電抗器是處于無保護狀態下運行，研討串聯電抗器的保護措施問題，對于其自身乃至整個并聯電容器裝置的安全，都是非常必要的。　　
 
        關鍵詞：并聯電容器　串聯電抗器　保護
 
      1、前 言　　
      串聯電抗器（下稱電抗器）是高壓并聯電容器裝置（下稱電容器裝置或電容器組）的主要組成部分之一，它起著限制電容器組（背靠背）合閘涌流或兼抑制電力諧波，防止過高頻率與幅值的涌流對電容器及其相連設備造成損害，或者避免電容器裝置的接入對電網諧波的過度放大和發生諧振，等等重要作用。
 
      然而在電容器裝置中，電抗器與電容器一樣是對過電壓，過電流和高次諧波十分敏感的器件，電抗器或因使用不當，或因運行條件惡劣，或因產品質量不良，發生損壞甚至燒毀事故屢見不鮮。從實際運行和理論分析結果表明，現有的電容器裝置的繼電保護，對于電抗器發生匝間短路甚至線圈全部短路，其設置的橋式差電流保護或電壓差動保護、過電流保護和電流速斷保護均不起作用，即使是采用開口三角零序電壓保護（單星形接線）、中性線不平衡電流或不平衡電壓保護（雙星形接線），大多數情況也是在保護死區，除非是大大地降低保護動作整定值，提高保護靈敏度，而往往難以實行。因此，目前多數電抗器是處在無保護狀態下運行。　　
 
      鑒此，為了及早發現電抗器內部故障避免事故擴大，本文從研究分析電抗器事故實例與有關繼保行為入手，提出設置電抗器專用保護的思路。   
 
      2、幾種類型的電抗器事故   
      并聯電容器用串聯電抗器，IEC標準按它們的作用區分為阻尼電抗器（限制電容器組合閘涌流）和調諧電抗器（抑制電力諧波）。前者，在國內多數使用阻尼式限流器［1］，其中電抗器的電抗率通常采用0．1％～0．5％（俗稱“小電抗”），其線圈采用單層（由裸銅線繞制，匝間隔墊環氧酚醛布板塊）筒式結構，干式空芯，由于“小電抗”的電抗值很小，例如10kV和35kV等級限流器中電抗器的額定工頻電抗值分別為0．0628Ω和0．2513Ω，在正常運行中電抗器端電壓很低（只有電容器裝置接入處母線相電壓的0．1％～05％），故從1980年以來投運的數千組限流器，均未發生過電抗器線圈自身引發的事故。
 
      后者，對于需要抑制5次及以上諧波值，采用電抗率為4．5％～6％的電抗器；對于需要抑制3次及以上諧波者，采用電抗率為12％～13％或6％＋13％組合（混裝）的電抗器［2］，以上俗稱“大電抗”。在八十年代“大電抗”都是使用油浸式鐵芯電抗器，隨著研制開發新型干式空芯電抗器的興起，在九十年代干式空芯逐步取代油浸鐵芯，近年又開始開發與使用干式鐵芯電抗器。所謂新型干式空芯，系采用多層同心電感線圈并聯連接后組成總的電抗值，相對于老式串聯筒式結構，稱為新型并聯筒式結構。

      這種電抗器是在上、下星形導電臂中間采用高機械強度的玻璃絲、布浸漬特定配方的環氧樹脂繞制成絕緣筒體，在其上用高絕緣強度電磁線繞4～10層線圈，線圈外部仍用浸漬過的玻璃絲、布封包成外絕緣筒，形成一個線圈單元——包封，每臺電抗器通常由3～10個包封組成，包封之間由玻璃絲引拔條隔出自然冷卻風道，各線圈的上下引線分別焊接在上下導電臂上，整臺電抗器經過加溫固化形成整體；鑒于每層線圈除自身存在的自感外，各層線圈之間還存在有互感，通過合理設計充分利用互感，使得電抗器的體積與重量大為減小；通過優化設計，適當增加并聯線圈匝數與層數和選用合理的電流密度與較小的線徑等，從而獲得線圈匝間電位差小，各包封承受的電磁力均衡、線圈功率損耗低，以及動熱穩定性好等良好安全經濟特性。
 
      然而，此型電抗器并不是盡善盡美，它與干式并聯電抗器一樣也存在著文獻3所指出的設計制造不當、工藝及材料缺陷、漏磁影響（安裝不當）和漏電起痕等問題，引發的表面放電、筒體龜裂、局部過熱、匝間短路，直至線圈燒毀。　　
 
      以下簡介近年在浙江、福建等地發生的幾起電抗器事故現象：　　
      （a）一起“小電抗”燒毀事故——由電抗器的支持絕緣子污閃引發。　　
      地處沿海的溫州市110kV衙城變電所，擴容裝設2組10kV容量為6Mvar配用GZX－400／10型阻尼式限流器的電容器裝置。由于電容器室狹小，為了降溫白天開啟門窗，設備上較多積灰。事故發生當晚，時值天下大雨，雨水從開啟的窗戶飄進室內，不時其中1組電容器過流保護動作開關跳閘，現場檢查發現三相電抗器線圈燒毀，全部支持絕緣子被電弧燒灼發黑，線圈下引線固定接線螺栓與支持絕緣子底腳固定螺栓上有放電痕跡（用戶誤將兩螺栓相對裝接，使兩者間距不足90mm，亦即使線圈帶電部位對地距離大為縮短）。由于限流器接在電源側，支持絕緣子污閃短路，造成三相電抗器同時接地短路，短路電流使電抗器燒毀。　　

      （b）一起鐵芯電抗器損壞事故——未能承受住短路電流的沖擊　　
      在溫州市郊220kV蒲州變電所裝有2組35kV容量為15．6Mvar電容器裝置，雙星形接線，每臂每相由單臺100kvar電容器13并2串組成，在中性點側串接CKSQ—450／35—6型油浸鐵芯電抗器；電容器分兩層框架安裝，其橫聯線和串聯段間連接線匯流排由10kV等級支持絕緣子固定裝在框架上；整個裝置采用加頂棚半露天安裝方式，裝置處在灰塵多鹽霧大區域。該變電所的電容器裝置在1996年7月26日和1998年8月23日發生兩次同類事故（前者投運兩組，后者投運一組），均在臺風多發季節，時值雷雨大風，雨水刮入棚室將裝置淋濕，匯流排的眾多支持絕緣子發生閃絡短路甚至擊穿破碎，保護熔斷器發生群爆，電流速斷保護動作開關跳閘。首次事故后檢查發現，1號電容器裝置中的1臺電抗器噴油，其A相線圈斷線，B、C相線圈對殼絕緣電阻為零。文獻4詳盡分析了事故現象與原因，由于支持絕緣子閃絡短路致使多相電容器被框架所短接，引發的過電流和過電壓沖擊，使其中1臺電抗器損壞。