石太客运专线配电所贯通隔离变压器烧损原因分析

门智堃;朱毅;魏智超;杨为波

【摘 要】石太客运专线电力配电所贯通母线段隔离变压器,自投入运行以来发生了多次烧损事故.通过分折找出了事故原因并提出了解决方案.对新线建设铁路配电所电力贯通线路补偿方式、贯通母线段隔离变压器容量的选择提出了建议. 【期刊名称】《铁道机车车辆》 【年(卷),期】2015(035)001 【总页数】4页(P69-72)

【关键词】客专;配电所;隔离变压器;烧损 【作 者】门智堃;朱毅;魏智超;杨为波

【作者单位】北京铁路局 供电处,北京100860;石家庄供电局,河北石家庄050000;华北电力大学,河北保定071003;北京铁路局 供电处,北京100860 【正文语种】中 文 【中图分类】U224.3+1

石家庄—太原客运专线(简称:石太客专)信号供电系统由两路10 kV电力贯通线路组成。一路为一级负荷电力贯通线路，线路全部采用非磁铠装交联单芯铜电缆，型号YJV62－10 1*70。一路为综合负荷电力贯通线路，采用非磁铠装交联单芯铜电缆与架空线混合方式，电缆型号YJV62－10 1*70、架空导线型号LGJ－70。全线设置井陉北、阳泉北、K178、K202 4座10 kV配电所。各配电所均接引两路电源。各配电所除为本站供电的同时，向沿线两个方向供岀双回路贯通线路。

各配电所采用单母线分段全负荷备用运行方式，正常时两路电源分段运行，互为备用。在输入电源故障或停电检修时，闭合母联开关由另一路电源带全所负荷供电。贯通线路经隔离变压器后馈出。为了解决单相接地时拉弧过电压及降低接地电流，各母线段设接地变压器并经消弧线圈接地。为解决电力贯通线路电容电流过大问题，配电所在隔离变压器后母线段上安装了SVG无功补偿装置［10］。 1.1 隔离变压器烧毁情况

石太客专在2009年4月1日投入运行，在2010年3月10日阳泉北配电所一级负荷贯通母线段500 kVA隔离变压器烧毀;2010年11月11日K178配电所一级负荷贯通母线段400 kVA隔离变压器烧毀;在2008年底石太客专试运行时，阳泉北配电所一级负荷贯通母线段500 kVA隔离变压器烧毁。被烧毁的隔离变压器均为SCZ9型干式变压器。经过了解3次隔离变压器烧毀时配电所母线段SVG无功补偿装置都因故障不能投入而退出运行。

以2010年11月11日K178配电所一级负荷贯通线路侧400 kVA隔离变压器烧毁为例进行具体分析。K178配电所一级负荷贯通线路供阳泉北配电所方向距离67 km，供202 km配电所方向距离24 km。 1.2 SVG无功补偿装置质量存在的问题

由于石太客专一级负荷、综合负荷电力贯通线路为电缆线路，容性电流较大。因此，在石太客专贯通线路设计时各配电所在一级贯通、综合贯通母线段分别安装了集中SVG无功补偿装置。SVG无功补偿装置作用是补偿一级贯通、综合贯通高压电缆线路的电容电流。

SVG无功补偿装置是指由自换相的电力半导体桥式变流器来进行发生和吸收无功功率动态补偿装置。SVG由交流环节和直流环节组成，交流环节+与系统相连接，SVG是先将系统的交流电能经变流器转换成直流并保存在直流侧的储能器内，同时直流侧电压电流经过变流器变成交流电压电流输送到系统。由于SVG是采用自

换相的变流器，它把变流器电路看成是一个产生基波和谐波电压的交流电压源，控制补偿器基波电压大小与相位，可改变基波无功电流的大小与相位。当变流器基波电压比交流电源电压高时，变流器就会产生一个超前无功电流。反之，当变流器基波电压比交流电源电压低时，则会产生一个滞后无功电流［7］。SVG根据直流侧采用电容和电感两种不同的储能元件，可以分为电压型和电流型两种。无论是电压型、还是电流型的SVG无功功率发生器补偿装置，其动态补偿的机理是相同的。当逆变器脉宽恒定时，调节逆变器输出电压及系统电压之间的夹角δ，就可以调节无功功率及逆变器直流侧电容电压UC，同时调节夹角δ和逆变器脉宽，既可以保持 UC恒定的情况下，发出或吸收所需的无功功率［3］。目前，国内SVG无功补偿装置的市场正处于起步阶段，在国内SVG尚未大规模普及，只是在国家电网中有几处试验性运行，在部分企业、铁路行业得到部分运用［1］。SVG补偿技术理论是很先进的，但它的功率模块是串联运行，在运行中一但某一个功率模块发生故障或控制系统发生故障，整个系统就要自动退岀运行。

石太客专4个配电所共配备SVG无功补偿装置8套，由于运行环境及设备质量问题，SVG无功补偿装置故障不断，无法正常运行。 1.3 隔离变压器设计容量存在的问题

K178配电所一级负荷贯通隔离变压器型号为SCZ9－400 kVA/10干式变压器，额定电流为23 A，设计时隔离变压器容量是按SVG无功补偿装置正常运行状态选择的，并没有考虑SVG无功补偿装置在故障退岀运行后隔离变压器应能承担的容量。在变压器运行中，其负载电流超过了铭牌上规定的额定电流，就是处于过载运行状态。变压器正常短时过负载的条件，必须是以不损害变压器的正常使用寿命为前题。变压器的寿命是由绝缘材料的老化程度决定的，而绝缘材料的老化主要取决于绝缘的工作温度。室内变压器允许的事故过负载时间:1.3倍60 min、1.6倍15 min、1.75倍8 min、2倍4 min［2］。而隔离变压器在烧毀前因SVG无功补偿

装置一直不能投入运行，隔离变压器长时间所承担的负荷电流A相40 A、B相39 A、C相39 A。超过变压器允许负荷1.78倍。变压器在运行时，变压器中的热源是绕组与铁芯里的损耗［6］。当变圧器已经带上额定负载长期运行时，稳定温升已达允许的极限值，这时不允许变压器再任意过负载运行，否则会引起变压器过热，因为电气设备发热与电流的平方成正比，超过额定负载电流越大设备发热越严重，使用寿命就越短［6］。石太客专隔离变压器使用的是F级绝缘耐热等级，其温升限值155°，最高温升100 K［5］。如果隔离变压器长时间工作在严重过负荷过热的情况下就会造成热击穿。热击穿主要是因为绝缘介质中的发热量超过介质的散热能力，由于热不平衡导致击穿，热击穿主要发生在作用时间足够长、散热条件较差的场合，高频电压下或工作温度较高时尤其容易发生［4］。石太客专干式隔离变压器主绝缘是树脂材科。纯树脂浇注体、绝缘材料许多力学性能都随温度的升高而恶化。弯曲强度、冲击韧性、膨胀系数等性能也随温度变化而显著变化［4］。温升较高造成了变压器绝缘环氧树脂的加速老化，干式变压器的绝缘和冷却特性一般不如油浸式变压器，因寿命与温升为指数关系，温升越高寿命越短，最后将变压器烧毁。

1.4 SVG无功补偿装置设置方式存在的问题

石太客专SVG无功补偿装置分别按一级贯通和综合贯通集中安装在了各自隔离变压器后的母线段上，线路上没有固定补偿电抗器，这种安装方式的优点是方便控制管理，问题是一但SVG无功补偿装置发生故障退出运行，隔离变压器将承担全部的负荷电流，如果隔离变压器容量不够大，那么就很难保证隔离变压器的安全运行。 根据目前石太客专SVG无功补偿装置的实际运行情况，为了保证石太客专的运行安全，应对SVG无功补偿装置进行技术改造。新的动态无功补偿装置如何选择，笔者提出两个方案。

(1)固、调式磁控电抗器型无功补偿装置方案

固、调式磁控电抗器型无功补偿装置是低压直流控制，这种无功补偿系统结构简单，经济安全。

其系统由两部分组成:磁控电抗器、控制器。磁控电抗器具有动态调节无功功率的功能。通过控制器对系统的无功功率进行采集计算分析，自动控制磁控电抗器内可控硅的导通角，改变铁芯磁阀的磁饱和度，实现输出无功容量的连续可调［8］。 工作原理:磁控自饱和可控电抗器是利用自耦直流励磁电流控制铁芯的饱和度，实现连续可调电抗。如图1，当可控硅T1，T2均不导通时，由绕组结构的对称性可知，其与空载变压器作用相同。当电源电压处于正半波时，晶闸管T1承受正向电压，T2承受反向电压。此时，若触发T1使之导通，电源通过变比为δ的“自耦变压器”，由匝数为Nk的线圈向电路提供直流控制电压和电流。当T2在电源的负半波被触发导通时，同样也产生直流控制电压和电流，而且控制电流的方向与T1导通时一致。这样，T1和T2在一个工频周波内轮流导通，构成全波整流，二极管D起续流作用，保证晶闸管在相应的正向电压过零时能够顺利关断。改变T1和T2的导通角，便可改变被控电流的大小，从而改变铁芯的饱和度。实现电抗值连续可调，这种可调电抗无需外加激磁电源，在整个工作范围内，通过调节小截面铁芯段磁路饱和度，即可实现电抗器无功容量输出从空载容量到额定容量之间的无级连续调节，伏安特性较好，谐波含量低［3］。

为了解决控制系统出现故障整个系统退出运行的问题，在新的磁控电抗器设计中设计固定补偿段和可调补偿段。固定补偿段的实现思路就是令可控硅T2不受控制器控制，采用自触发方式，自行保持导通状态，这样就解决了基本补偿问题［8］。可调补偿段由T1在控制器调节下完成，一但控制系统出现故障还有固定补偿段进行补偿。此设备在京九线、石德线投入使用，新型固、调式磁控电抗器经过上线运行，补偿效果明显，运行可靠。通过对设备运行后测试情况看，系统谐波含量、设备运行温升、设备所产生的噪声、功率因数等都达到了设计指标，是自闭、贯通电

力线路无功补偿较为理想的设备［11］。

(2)10 kV电力线路调匝式电抗器自动补偿装置方案

2006年针对自闭电力线路因大量采用10 kV高压电力电缆造成电容电流过大、供电部门罚款、发生单相接地时产生间隙弧光短路造成过流保护动作问题，由北京铁路局石家庄供电段立项与有关厂家合作研制了10 kV电力线路调匝式电抗器自动补偿装置。在京九线大营配电室投入运行，运行8年来未发生任何问题。 调匝式电抗器自动补偿装置由两个部分组成:第1部分是有载调匝式可控电抗器，通过改变电抗器绕组的匝数来改变电感，匝数的很小改变可导至电抗值较大的改变［12］。电压为10 kV及以下范围，容量根据现场要求进行设计。并设固定补偿段和可调补偿段。可调补偿段由有载分接开关完成。第2部分是DKXFA型自动补偿控制器，它是根据送电端的功率因数和反送无功功率的大小自动调整并联电抗器分接头，改变电抗值，达到平衡线路无功的目的［9］。

以上两个方案比:调匝式电抗器自动补偿装置结构简单、运行可靠。因调匝式电抗器自动补偿装置是分段投入，有欠补及过补问题。固、调式磁控电抗器无功补偿方案补偿跟进速度快，可以达到较好的补偿效果，二是低压进行补偿控制比较安全可靠。一但控制部分发生问题，还有固定补偿部分进行补偿保证隔离变压器运行安全。 (1)石太客专无功补偿改造方案建议

石太客专采用的是SVG无功补偿装置补偿电缆电容电流。鉴于石太客专目前的实际情况，只能对现用的补偿装置进行技术改造。一是可采用新型固、调式磁控电抗器型无功补偿方案。二是可采用调匝式电抗器自动补偿装置方案。三是对既有设备进行改造，采用在配电所贯通母线段上安装固定电抗器加动态补偿装置方案。 (2)新线建设补偿方式的建议

针对石太客专SVG无功补偿装置岀现的问题，在SVG无功补偿装置质量尚不稳定的情况下为了保证隔离变压器运行安全，建议建设单位、设计单位在贯通线路无功

补偿装置方案设计时，一是采用动态无功补偿加固定无功补偿方式。在电力贯通线路上加装固定补偿电抗器，在配电所内一级贯通、综合贯通母线段上加装动态无功补偿装置。动态无功补偿应选择固、调式磁控电抗无功补偿装置或调匝式电抗器自动补偿装置。二是在配电所内一级贯通、综合贯通母线段安装集中固、调式磁控电抗器无功补偿装置或调匝式电抗器自动补偿装置。三是采用单供电臂固定补偿加动态补偿方案，固定补偿加在电力贯通线路上，动态补偿加在一级贯通、综合贯通馈出柜下方。

(3)隔离变压器容量选择建议

根据石太客专配电所隔离变压器多次烧毁的情况，无功功率补偿设备在质量上百分之百的可靠是不可能的。因此，设计部门在计算隔离变压器容量时，应考虑无功补偿装置在故障退出运行情况下的最大负荷电流，以此来选择隔离变压器容量。

Key words:passenger dedicated line;distribution substation;isolation transformer;burning 【相关文献】

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Abstract:Since the isolation transformer of distribution substation through bus section has been put into operation in Shijiazhuang-taiyuan railway passenger dedicated line，the burning accident occurred several times.This paper finds out the burning cause，and proposes several solutions.At the same time，the paper makes some suggestion about power line compensation of distribution substation and the capacity of isolation transformer through bus segment about the new railway line.