阻容过电压吸收装置在地铁供电系统的应用分析

0 引言

地铁35 kV 变电所通常设计为单母线分段、分段采用母联开关连接的主接线方案，负载侧为整流变压器和配电变压器，变压器高压侧通过真空断路器与35 kV 母线连通。每段35 kV 母线设置1 组三相星型避雷器，防止母线电压过高，避免过电压经过母线、断路器传导至负载侧危害设备安全。

随着国内城市轨道交通运营里程不断增加，根据现场运营状况的反馈发现，真空断路器在切除感性负载过程中出现的操作过电压事故在逐年增多，已经严重影响了地铁供电系统的正常运行。

中国电力科学硏究院曾对某一铁合金厂用ZN35 型真空断路器合、分电炉变压器（35 kV， 6 000 kV·A）的过电压进行现场测试，此前该厂在进行真空断路器操作电炉变压器时在半个月内先后发生了6 次断路器真空泡炸裂或断路器电源侧端子间闪络放电事故。试验表明：断路器合闸时未出现过电压；断路器分闸时多数情况下出现截流，截流值有时超过100 A；母线侧无过电压；过电压出现在变压器侧。37 次分闸操作共获得了111 个数据：相对地过电压大于3.0 倍占5.5%，最大为3.53 倍（变压器侧三相对地安装有无间隙MOA）；相间过电压最大为5.78 倍；断路器断口过电压最大为4.5 倍。试验结果表明，现有设置在35 kV母线上的避雷器无法防护出现在变压器高压侧的操作过电压，而且过电压幅值也超过了国家规范对Ⅰ类系统工频过电压规定的上限值Um[1]。现实迫切需要新的技术手段、措施来解决该类过电压问题。

本文针对地铁变电所35 kV GIS 真空断路器出现的分断操作过电压事故，分析过电压产生过程及机理，研究在变压器35 kV 侧设置避雷器及阻容过电压吸收装置抑制操作过电压的效果，最后给出阻容过电压吸收装置的参数设置，补充完善变电所过电压防护设计方案。

1 过电压机理分析

1.1 截流过电压

真空断路器在开断小电流时，由于其过强的熄弧能力，电流未衰减至零时电弧就已提前熄灭，这就是截流现象[2]，电弧熄灭时的电流值称为截流值（Ich）。由于电感电流在电流未过零时就已被截断，储存在电感线圈及分布电容中的能量会在回路中的电感、电容间形成高频振荡，形成截流过电压。真空断路器开断小电流单相等值电路原理如图1所示。

图1 等值电路原理图

图中，Us为母线侧等效电源，Cs为母线侧等效对地分布电容，Ls为母线侧等效电感；Lc为连接电缆等效电感；Lt、Rt为变压器等效电感及有功等效电阻，Ct为变压器等效对地分布电容。

变压器在正常退出运行时首先应切除其二次侧负荷，将变压器变为空载状态后再断开其高压侧断路器。因此，切除空载变压器是真空断路器最常经历的工作状态，其操作过电压情况也最为严重。

变压器空载时，其有功等效电阻为零，根据能量守恒可得

可以看出，真空断路器的截流值及回路参数决定了截流过电压的大小，其特点如下：（1）截流过电压与截流值成正比；（2）由于变压器的等效电容很小，截流过电压的振荡频率较高，可达几kHz到几十kHz。

1.2 多次重燃过电压

断路器刚开始分断时，断路器触头两侧同时存在工频电压和截流过电压，触头电压为二者之和，称为暂态恢复电压[2]。如果此时触头间距较小，间距绝缘强度不够，该相断路器触头间会发生电弧重燃，其他相随之产生感应过电压。高频暂态电流每次被真空断路器灭弧、截流，触头间的电压会继续抬升，直至触头间隙绝缘强度超过最终的过电压幅值，重燃过程才会结束。

多次重燃过电压的特点是重燃过电压一旦持续发生，过电压强度将发生级升，同时过电压将以行波的方式通过所有线圈，即使该相过电压幅值很小，但线圈间所承受的过电压足以击穿线圈，造成线圈匝间绝缘击穿，给设备造成巨大危害。

1.3 三相同时开断过电压

三相交流电路中，第一相被切除后，其余两相一般在1/4 个周期后才会被切除。若首相发生了重燃，则三相之间通过相间耦合将首相的高频电流叠加到另外两相的工频电流上。随着首相电压的迅速抬升，涌进其他两相的电流也会迅速增大，造成其他两相的电流在到达自然过零点之前出现一个高频暂态过零点，电流被真空断路器强制开断截流，形成截流过电压，并伴随着电弧重燃。三相同时开断过电压的典型特点是最高过电压往往在后两相切除时刻产生[3]。

2 过电压防护方案仿真

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