解析并聯(lián)電容器用串聯(lián)電抗器的保護問題(上)

      摘　要：從實際運行和理論分析結(jié)果表明，并聯(lián)電容器用串聯(lián)電抗器是處于無保護狀態(tài)下運行，研討串聯(lián)電抗器的保護措施問題，對于其自身乃至整個并聯(lián)電容器裝置的安全，都是非常必要的�！　�
 
        關(guān)鍵詞：并聯(lián)電容器　串聯(lián)電抗器　保護
 
      1、前 言　　
      串聯(lián)電抗器（下稱電抗器）是高壓并聯(lián)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(shè)備造成損害，或者避免電容器裝置的接入對電網(wǎng)諧波的過度放大和發(fā)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(chǎn)品質(zhì)量不良，發(fā)生損壞甚至燒毀事故屢見不鮮。從實際運行和理論分析結(jié)果表明，現(xiàn)有的電容器裝置的繼電保護，對于電抗器發(fā)生匝間短路甚至線圈全部短路，其設(shè)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(shù)情況也是在保護死區(qū)，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(shù)電抗器是處在無保護狀態(tài)下運行。　　
 
      鑒此，為了及早發(fā)現(xiàn)電抗器內(nèi)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(guān)繼保行為入手，提出設(shè)置電抗器專用保護的思路。   
 
      2、幾種類型的電抗器事故   
      并聯(lián)電容器用串聯(lián)電抗器，IEC標準按它們的作用區(qū)分為阻尼電抗器（限制電容器組合閘涌流）和調(diào)諧電抗器（抑制電力諧波）。前者，在國內(nèi)多數(shù)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(huán)氧酚醛布板塊）筒式結(jié)構(gòu)，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(shù)千組限流器，均未發(fā)生過電抗器線圈自身引發(fā)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(fā)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(fā)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(lián)連接后組成總的電抗值，相對于老式串聯(lián)筒式結(jié)構(gòu)，稱為新型并聯(lián)筒式結(jié)構(gòu)。

      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(huán)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(jīng)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(shè)計充分利用互感，使得電抗器的體積與重量大為減��；通過優(yōu)化設(shè)計，適當增加并聯(lián)線圈匝數(shù)與層數(shù)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(wěn)定性好等良好安全經(jīng)濟特性。
 
      然而，此型電抗器并不是盡善盡美，它與干式并聯(lián)電抗器一樣也存在著文獻3所指出的設(shè)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(fā)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(fā)生的幾起電抗器事故現(xiàn)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(fā)�！　�
      地處沿海的溫州市110kV衙城變電所，擴容裝設(shè)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(shè)備上較多積灰。事故發(fā)生當晚，時值天下大雨，雨水從開啟的窗戶飄進室內(nèi)，不時其中1組電容器過流保護動作開關(guān)跳閘，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)三相電抗器線圈燒毀，全部支持絕緣子被電弧燒灼發(fā)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(cè)，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(cè)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(lián)線和串聯(lián)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(qū)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(fā)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(fā)季節(jié)，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(fā)生閃絡(luò)短路甚至擊穿破碎，保護熔斷器發(fā)生群爆，電流速斷保護動作開關(guān)跳閘。首次事故后檢查發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)象與原因，由于支持絕緣子閃絡(luò)短路致使多相電容器被框架所短接，引發(fā)的過電流和過電壓沖擊，使其中1臺電抗器損壞。