解析并联电容器用串联电抗器的保护问题(上)

      摘　要：从实际运行和理论分析结果表明，并联电容器用串联电抗器是处于无保护状态下运行，研讨串联电抗器的保护措施问题，对于其自身乃至整个并联电容器装置的安全，都是非常必要的。　　
 
        关键词：并联电容器　串联电抗器　保护
 
      1、前 言　　
      串联电抗器（下称电抗器）是高压并联电容器装置（下称电容器装置或电容器组）的主要组成部分之一，它起着限制电容器组（背靠背）合闸涌流或兼抑制电力谐波，防止过高频率与幅值的涌流对电容器及其相连设备造成损害，或者避免电容器装置的接入对电网谐波的过度放大和发生谐振，等等重要作用。
 
      然而在电容器装置中，电抗器与电容器一样是对过电压，过电流和高次谐波十分敏感的器件，电抗器或因使用不当，或因运行条件恶劣，或因产品质量不良，发生损坏甚至烧毁事故屡见不鲜。从实际运行和理论分析结果表明，现有的电容器装置的继电保护，对于电抗器发生匝间短路甚至线圈全部短路，其设置的桥式差电流保护或电压差动保护、过电流保护和电流速断保护均不起作用，即使是采用开口三角零序电压保护（单星形接线）、中性线不平衡电流或不平衡电压保护（双星形接线），大多数情况也是在保护死区，除非是大大地降低保护动作整定值，提高保护灵敏度，而往往难以实行。因此，目前多数电抗器是处在无保护状态下运行。　　
 
      鉴此，为了及早发现电抗器内部故障避免事故扩大，本文从研究分析电抗器事故实例与有关继保行为入手，提出设置电抗器专用保护的思路。   
 
      2、几种类型的电抗器事故   
      并联电容器用串联电抗器，IEC标准按它们的作用区分为阻尼电抗器（限制电容器组合闸涌流）和调谐电抗器（抑制电力谐波）。前者，在国内多数使用阻尼式限流器［1］，其中电抗器的电抗率通常采用0．1％～0．5％（俗称“小电抗”），其线圈采用单层（由裸铜线绕制，匝间隔垫环氧酚醛布板块）筒式结构，干式空芯，由于“小电抗”的电抗值很小，例如10kV和35kV等级限流器中电抗器的额定工频电抗值分别为0．0628Ω和0．2513Ω，在正常运行中电抗器端电压很低（只有电容器装置接入处母线相电压的0．1％～05％），故从1980年以来投运的数千组限流器，均未发生过电抗器线圈自身引发的事故。
 
      后者，对于需要抑制5次及以上谐波值，采用电抗率为4．5％～6％的电抗器；对于需要抑制3次及以上谐波者，采用电抗率为12％～13％或6％＋13％组合（混装）的电抗器［2］，以上俗称“大电抗”。在八十年代“大电抗”都是使用油浸式铁芯电抗器，随着研制开发新型干式空芯电抗器的兴起，在九十年代干式空芯逐步取代油浸铁芯，近年又开始开发与使用干式铁芯电抗器。所谓新型干式空芯，系采用多层同心电感线圈并联连接后组成总的电抗值，相对于老式串联筒式结构，称为新型并联筒式结构。

      这种电抗器是在上、下星形导电臂中间采用高机械强度的玻璃丝、布浸渍特定配方的环氧树脂绕制成绝缘筒体，在其上用高绝缘强度电磁线绕4～10层线圈，线圈外部仍用浸渍过的玻璃丝、布封包成外绝缘筒，形成一个线圈单元——包封，每台电抗器通常由3～10个包封组成，包封之间由玻璃丝引拔条隔出自然冷却风道，各线圈的上下引线分别焊接在上下导电臂上，整台电抗器经过加温固化形成整体；鉴于每层线圈除自身存在的自感外，各层线圈之间还存在有互感，通过合理设计充分利用互感，使得电抗器的体积与重量大为减小；通过优化设计，适当增加并联线圈匝数与层数和选用合理的电流密度与较小的线径等，从而获得线圈匝间电位差小，各包封承受的电磁力均衡、线圈功率损耗低，以及动热稳定性好等良好安全经济特性。
 
      然而，此型电抗器并不是尽善尽美，它与干式并联电抗器一样也存在着文献3所指出的设计制造不当、工艺及材料缺陷、漏磁影响（安装不当）和漏电起痕等问题，引发的表面放电、筒体龟裂、局部过热、匝间短路，直至线圈烧毁。　　
 
      以下简介近年在浙江、福建等地发生的几起电抗器事故现象：　　
      （a）一起“小电抗”烧毁事故——由电抗器的支持绝缘子污闪引发。　　
      地处沿海的温州市110kV衙城变电所，扩容装设2组10kV容量为6Mvar配用GZX－400／10型阻尼式限流器的电容器装置。由于电容器室狭小，为了降温白天开启门窗，设备上较多积灰。事故发生当晚，时值天下大雨，雨水从开启的窗户飘进室内，不时其中1组电容器过流保护动作开关跳闸，现场检查发现三相电抗器线圈烧毁，全部支持绝缘子被电弧烧灼发黑，线圈下引线固定接线螺栓与支持绝缘子底脚固定螺栓上有放电痕迹（用户误将两螺栓相对装接，使两者间距不足90mm，亦即使线圈带电部位对地距离大为缩短）。由于限流器接在电源侧，支持绝缘子污闪短路，造成三相电抗器同时接地短路，短路电流使电抗器烧毁。　　

      （b）一起铁芯电抗器损坏事故——未能承受住短路电流的冲击　　
      在温州市郊220kV蒲州变电所装有2组35kV容量为15．6Mvar电容器装置，双星形接线，每臂每相由单台100kvar电容器13并2串组成，在中性点侧串接CKSQ—450／35—6型油浸铁芯电抗器；电容器分两层框架安装，其横联线和串联段间连接线汇流排由10kV等级支持绝缘子固定装在框架上；整个装置采用加顶棚半露天安装方式，装置处在灰尘多盐雾大区域。该变电所的电容器装置在1996年7月26日和1998年8月23日发生两次同类事故（前者投运两组，后者投运一组），均在台风多发季节，时值雷雨大风，雨水刮入棚室将装置淋湿，汇流排的众多支持绝缘子发生闪络短路甚至击穿破碎，保护熔断器发生群爆，电流速断保护动作开关跳闸。首次事故后检查发现，1号电容器装置中的1台电抗器喷油，其A相线圈断线，B、C相线圈对壳绝缘电阻为零。文献4详尽分析了事故现象与原因，由于支持绝缘子闪络短路致使多相电容器被框架所短接，引发的过电流和过电压冲击，使其中1台电抗器损坏。