阻容过电压吸收装置在地铁供电系统的应用分析

阻容过电压吸收装置在地铁供电系统的应用分析

李志宇

中铁七局集团电务工程有限公司， 450015

摘要：近年来，我国的交通行业有了很大进展，地铁工程建设越来越完善。在地铁供电系统中，真空断路器分断空载变压器时产生的操作过电压在地铁供电系统中多次出现，既有常规设计中的过电压防护方案已不能满足现场供电运营要求，为分析过电压的发生、发展过程及其对系统和设备的影响提供全面准确的数据资料，通过现场运行，验证了系统的可行性。本文对地铁过关节式电分相过程进行分析，论述过电压监测，就过电压的抑制措施进行阐述，研究了增设阻容过电压吸收装置以及系统构成，以供参考。

关键词：真空断路器；操作过电压；避雷器；阻容过电压吸收装置

引言

电力系统运行的可靠性很大程度上取决于设备的绝缘水平及运行工况。变配电设备随时可能遭受雷击过电压及操作过电压的侵袭。绝缘事故在电力系统的各类事故中占大多数，而其中由于过电压引发的事故数量居多。监测、记录过电压的发生及变化过程，分析过电压的产生机理、波形特征及系统影响，对实现正确的绝缘配置和过电压抑制及保护，保障电力系统的可靠运行，有着重要的作用和意义。

1地铁过关节式电分相过程

目前，地铁通常采用车载断电自动转换过电分相装置。在地铁通过关节式电分相结构时，地铁主断路器断开，地铁主断路器以后的地铁主电路都不与接触网相连接，整个电力机车只有受电弓以及地铁高压互感器与接触网和关节式电分相结构相连。当地铁从接触网供电臂驶入电分相过程中，受电弓在连接供电臂导线的同时，逐渐与中性段接近，并最终与其相连；然后受电弓逐渐离开供电臂导线，仅与电分相的中性段相连；地铁离开中性段进入另一供电臂工作支的过程中，受电弓与中性段相连的同时，逐渐与另一供电臂接触网接近，并最终与接触网导线相连，然后逐渐离开中性段，最终仅与接触网相连。

2过电压监测

电磁式电压互感器的频带宽度在5kHz以内，适用于频率较低的内过电压监测。高电压等级下的电阻分压器受杂散电容和回路电感的影响，测量精度、频响特性较差，不能适应频率较高的冲击电压测量。电容分压器由于分布电感及对地杂散电容的影响，在施加陡峭冲击波时会产生高频振荡，无法监测冲击波。阻容串联分压器具有良好的频率响应特性，可以实现快速变化的暂态冲击信号的高精度测量。分压器在低频下由电容完成分压转换，在高频下由电阻完成分压转换，通过阻容串联实现对高频冲击电压的测量转换。合理优化高低压臂元件布局结构设计以有效降低分布感抗，较好地提高了阻容分压器的响应截止频率，达到了7MHz最大响应带宽，实现了雷击及暂态过电压过程的无畸变测量。为防止异常高电压造成的人身和设备危害，分压器设置采用四段式过压保护电路构成的保护单元，四种过压保护器件的动作电压值、响应速度和保护容量各不相同，当出现超过设定门槛的异常电压时，气体放电管和瞬变二极管将率先动作抑制过电压，当残压过高时稳压二极管和压敏电阻依次动作，四者协同钳制过电压，保障设备的安全可靠运行。

3过电压的抑制措施

根据上述分析可知，电力机车通过关节式电分相产生过电压的原因是机车通过关节式电分相时会引起等值电路的参数发生变化，电路发生振荡，产生过电压，因此可以通过改变电气结构及其参数缩小或消除过电压的影响，同时结合现场实际情况，认为对关节式电分相过电压的治理可采用自控式阻容吸收过电压抑制装置，通过在关节式电分相中加装RC阻容电路，改变电路的工作状态将振荡电路变成无振荡电路，降低过电压的幅值与陡度，并对高频振荡起阻尼作用，以此来抑制过电压。该过电压抑制装置安装在靠近等高点的供电臂上，其主要部分是非线性电阻串联阻容吸收器构成的单元，其中阻容吸收器为自愈式干式薄膜电容和线性电阻串联组成的支路。正常运行情况下，自控式非线性电阻呈兆欧级的高阻态，使电分相与接触网隔离；当机车过分相时，在过电压的作用下，非线性电阻迅速转变为低阻态，将抑制装置接入接触网，从而限制操作过电压在一定的幅值范围内，减缓操作过电压对电容单元的冲击。阻容吸收器用来改变电路的结构参数，将振荡电路变成无振荡电路，抑制操作过电压，吸收谐振过电压；电容可减缓操作过电压的峰值，电阻起阻尼振动的作用。同时，为保护电容，在阻容吸收装置旁边并联一个空气间隙，当空气间隙两端的压降超过一定值时，空气间隙被击穿，将阻容单元短接，从而保护阻容吸收器不被破坏。此外，在抑制装置前段安装一个避雷器，以防止雷击电流对装置造成损坏。

4增设阻容过电压吸收装置

（1）电容取值。操作过电压的产生是由于断路器开断时电磁能量振荡引起，如果回路中总电容值较小，则过电压的振荡频率很高，并入电容需使回路总电容增大，以降低过电压振荡频率。当采用真空断路时，可在一次侧加设约0.1μF的电容器；若将电容器安装在低压侧，电容值应取0.1k

²（k为变压器变比）。如果可以对具体电路做到精确计算，可以选择更大的电容值。（2）电阻取值。电阻是回路中的阻尼元件，既会影响过电压频率，同时保护电容器不被损坏，根据运行经验，电阻值通常设置为100Ω。电阻值适当增大有利于保护电容本身安全，防止电容过载烧毁，因而高安全性的阻容吸收装置通常适当地增大了R值（一般最高达到400Ω）。但电阻值有一个临界点，设置过大会使回路的时间常数增大，延长暂态过程，不利于保护的有效性。选用的电阻最好为压敏元件，在低电压状态时为高电阻，在高电压状态时为低电阻，既能兼顾抑制过电压，又能有效保护电容不被损坏。

5系统构成

过电压监测系统由分压器、同轴电缆、高速采集单元和后台系统组成。高速采集单元采用50MHz内频域特性良好的同轴电缆完成低压信号的取样连接，调理电路采用差分放大器对弱信号进行处理，避免了信号的频率失真和幅度失真。后台系统通过以太网总线和高速采集单元相连，获取变电站母线或馈线的过电压记录数据，并在后台系统存储、展示和进一步分析。每台高速采集单元可配置多路数据采集通道，捕捉采集一条或多条馈线的过电压数据。通过后台系统可以读取、设置高速采集单元的触发门槛电压、预触发参考位置、采样速率、采样深度等配置参数。后台系统采用C/S架构，由前端用户界面、数据库和数据采集通讯程序三部分构成。前端用户界面和数据采集通讯分离，增强了软件的可扩展性和部署的伸缩性，便于扩展远程网络前端和WEB前端。后台系统提供多种分析统计工具，用于过电压记录数据的波形展示、特征分析描述(时长、幅值、频率、陡度等)、历史查询及报表统计。

结语

综上所述，真空断路器分断操作产生的截流过电压、重燃过电压、三相开断过电压具有幅值高、频率高等特点，对地铁变电所设备安全运行造成威胁。过电压监测系统可以为分析过电压的发生、发展过程及其对系统和设备的影响提供全面准确的数据资料，为故障分析、过电压抑制方法研究以及电力系统绝缘设计提供实际依据，具有较高的实用价值。

参考文献

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