上海轨道交通3号线电压互感器故障分析及解决方案
摘 要 针对上海轨道交通3号线35 kV系统电压互感器一次熔丝屡次熔断的现象,对故障现象发生的时间、地点、系统运行方式、倒闸操作程序等进行初步分析。认为故障上海项目管理论文发生的主要原因是工频谐振过电压和谐波谐振过电压。通过对35 kV系统的设备配置、中性点接地方式、一次接线形式等的分析,进一步阐明工频谐振过电压和谐波谐振过电压产生的原因,并进行了理论值的近似验算,进一步证实了初步分析的结论。在此基础上提出了解决方案。
关键词 城市轨道交通,电压互感器,工频谐振过电压,谐波谐振过电压,故障分析
Failure Analysis of Voltage Transformer in Shanghai URT Line 3Li YuejinAbstract Aimed at t he frequent burn2out of primary fuses in2stalled at voltage transformer in 35 kv power system of ShanhaiU R T Line 3,t he aut hor makes an investigation in t he case oftime,spot,t he working of 35 kV power system and t he proce2dure of break operation,holds t hat t he main cause of t he fault isdue to t he overvoltage of standard frequency resonance and har2monic resonance.Through analysis of t he configuration of equip2ment in 35 kv power system,t he way of neutral grounding andprimary circuit,t his paper clarifies t he reason of t he overvoltageof standard frequency resonance and harmonic resonance oc2curred in metro,makes an approximate checking computationsof t he t heoretical value,which verifies t he aut hor’s https://shlunwen.org/shlunwen/shpmplunwen/earlier ana2lyis and furt her supports some practical solutions.
Key words urban mass transit,voltage transformer,overvolt2age of standard frequency resonance,overvoltage of harmonicresonance,failure
上海轨道交通3号线主变电站35 kV侧,牵引变电站和中心变电站35 kV进线线路的电压互感器(简为“压变”)为大连第一互感器厂生产的J DZX9—35Q电磁式电压互感器,运行至今,屡次出现高压侧一次熔丝烧毁故障。根据国内外相关电网运行经验,在中性点不接地或小电流接地的35 kV系统中,较易发生电压互感器饱和引起的铁磁谐振过电压。这也是一个老大难问题。为了摸清故障的原因,对故障现象发生的时间、地点、运行方式、倒闸操作程序等进行了大量调查,并对35 kV系统的设备配置、中性点接地方式、接线形式等进行了分析。
1 35 kV系统简介
(1)35 kV系统的设备配置主变电站(简为“主变”):35 kV系统为单母线分段接线方式,Ⅰ/Ⅱ段母线配有母线压变,每个压变的开口三角形接有消谐电阻。虹桥主变电站:35kV母线有一路进线,一路为变电站本身使用的变压器(简为“站用变”),五路馈出线。宝兴主变电站:35kV母线有一路进线,一路站用变,三路馈出线。牵引变电站:35 kV系统为单母线接线方式,母线没有配母线压变,进线和联络线路侧配有线路压变,线路压变二次侧没有三角形接线组别。35 kV母线有一路进线,一路联络线,二路整流变压器(简为“整流变”)出线。共有10座牵引变电站。中心变电站:35 kV系统为变压器组接线方式,每一路进线有线路压变,线路压变二次侧没有三角形接线组别。共有3座中心变电站。(2)中心点接地方式经特种变压器和接地电阻串联接地。属小电流接地系统。#p#分页标题#e#
2 电压互感器故障分析学术专论 录(摘自变电站的运行日志记录)。表1 2004-2005年35 kV压变熔丝熔断纪录表日期年月日时分地点压变名称电压等级/kV熔断相别运行方式操作容抗和感抗比值i2004 9 4 7 55虹桥路牵引35 kV溪桥牵35虹桥路牵引站:35 kV溪桥牵开关运行;35 kV虹桥牵开关运行;35 kV系统正常运行方式。无操作0.005 4352005 1 9 9 40漕溪路牵引35 kV虹溪牵35漕溪路牵引站:35 kV虹溪牵运行;35 kV溪桥牵开关热备用;35 kV系统正常运行方式。无操作0.005 4352005 5 20 23 15中山公园中心变35 kV虹宁Ⅰ35 A 35 kV虹宁Ⅰ开关运行无操作0.005 4352005 1 25 2 49虹桥主变35 kVⅠ段母线35 B空充35 kVⅠ段母线合闸0.762005 2 24 3 2虹桥主变35 kVⅡ段母线35 A空充36 kVⅡ段母线合闸0.762005 2 26 4 0虹桥主变35 kVⅡ段母线35 C 35 kV系统正常运行方式无操作0.005 4352005 2 25 8 30停车场中心变35 kVⅡ段线路35 C 35 kV系统正常运行方式无操作0.005 435 从表1统计可以看出,35 kV线路压变熔丝熔断的发生大致可分为两类情况:一类是在空充单母线(即只有电压不带负荷)操作情况下发生的,另一类是无操作情况下发生的。从发生35 kV线路压变熔丝熔断的时间来看也可分为两种:一种是操作时发生,另一种是列车发车、收车和运行高峰时发生(而此时一般不进行操作)。
2.2 初步分析(1)故障的发生和倒闸操作有关,因为倒闸操作顺序不当会引起工频位移过电压的发生。(2)故障的发生和列车运行以及35 kV系统参数匹配有关。牵引变的整流器是一个很大的谐波源,经测量证实,3号线35 kV系统的谐波主要来源于牵引变的整流器。随着4:30-9:30和22:30-0:30左右列车发车、收车时间以及运行高峰的到来,作用在3号线35 kV系统上的谐波频率的强度和系统参数在不断变化,当它和3号线35 kV系统的自振频率相吻合,且有激发因素时,就会发生谐振过电压。
2.3 理论分析3号线35 kV系统是中性点不直接接地或称小电流接地系统。电磁式电压互感器发生熔丝熔断的原因主要有两类:一类是谐振引起的,另一类是非谐振引起的。非谐振引起的熔丝熔断一般在线路单相接地瞬间发生。而3号线无线路接地现象,所以主要考虑谐振产生的可能性。而这种作用在电磁式电压互感器上的谐振又分为工频位移过电压和谐波谐振过电压两种情况。前者和倒闸操作以及35 kV系统运行方式有关;后者和列车运行以及35 kV系统参数匹配有关。
2.3.1 工频位移过电压电磁式电压互感器的线性电感以及系统的对地电容构成简化的等值电路,如图1所示。图1 互感器线性电感和系统对地电容构成的等值电路 每一相都有对地电容和互感器的励磁电感构成的并联支路。由电路第一定律得:E0=EA YA+EB YB+EC Y CYA+YB+Y C式中:E0为中心点对地电位;EA、EB,EC为各相电压;YA、#p#分页标题#e#https://shlunwen.org/shlunwen/shpmplunwen/YB、BC为各相导纳。正常运行时,各相导纳相等,E0=0,且各并联支路是呈容性的。当系统受到某种冲击扰动时,产生了过电压,使互感器各相呈现不同程度的饱和;某一相铁芯电感下降使并联支路变成感性,而其它支路仍然是容性,使得各相导纳不相等,从而破坏了三相电路的对称性,产生中性点电位偏移。电压向量图如图2所示。因为互感器各相铁芯饱和是随机的,所以这样的偏移也是随机的。偏移电压越高,相对地电压就越高。偏移电压的频率是工频频率。电力系统中的有功负荷是阻尼振荡和限制过电压的有利因素,所以通常只有在空载或轻载的情况 城市轨道交通研究2006年 下才可发生振荡。但对零序回路参数配合不当形成的谐振,系统有功负荷不起作用。运行经验表明,当电源向只带有电压互感器的空母线合闸时,容易产生工频位移过电压。这和倒闸操作以及35 kV系统运行方式有关。这一点将在理论计算时加以证明。图2 电压向量图
2.3.2 谐波谐振过电压一个含有电感、电容元件的无源端口在某些频率电源激励作用下,其输入端阻抗呈电阻性,即感性无功功率等于容性无功功率时[视在功率S=有功功率-(感性无功功率—容性无功功率)],这种工作状态为谐振。此时由系统电感、电容决定的自振频率等于激励源频率。这个频率不仅仅包括电源的工频频率,还包括谐波源的频率。3号线35 kV系统存在谐波源,且随着列车运行的变化,其谐波强度、系统的电感量(L)和电容量(C)也在不断变化。主变站的35 kV无功电度表每天清楚地反映了感性无功功率和容性无功功率的变化:夜间列车停运,系统容性无功功率大于感性无功功率;列车发车后直到运行高峰,感性无功功率逐渐大于容性无功功率;运行低谷时,感性无功功率又逐渐小于容性无功功率。经仔细观察发现,容性无功功率的量值是基本不变的,经常改变的是感性无功功率的量值。这显然是列车的数量和负荷时常变化所至。根据公式,最大感性无功功率W感=ωL I2m/2,最大容性无功功率W容=I2m/(2ωC)。因此,系统感性无功功率的变化实际上反映了系统的电感量(L)变化,因而系统的自振频率(ω=1/L C)也在发生变化。当系统由L、C决定的自振频率等于谐波源频率(这个时间段是很短促的),且伴有激发因素时,才会发生谐振。另外,当线路很长,C很大,或者互感器的励磁电感(L)很大时,回路的自振频率就较小,在低频段有可能产生分频(通常为1/2次)谐振过电压。反之,线路很短,C很小,或者互感器的励磁电感(L)很小(如铁芯质量很差或电网中有很多台电压互感器)时,回路的自振频率就较大,有可能产生高频谐振过电压。3号线35 kV系统符合后一种情况。谐振频率一般是工频频率乘以整流器脉波的奇次数。例如,3号线牵引变电站整流器的脉波数为12,则可能发生谐振的频率为50×13 Hz,50×15Hz,50×17 Hz,…。谐波谐振过电压也会破坏三相电路的对称性,此时产生的中性点偏移电位是谐波电压,其频率是谐振频率。由于受测试和试验条件限制,目前无法得到相关图形和数据,故不能对谐波谐振过电压的定量分析做深入的讨论。#p#分页标题#e#
2.3.3 两种过电压的特点(1)工频位移过电压的频率是工频频率。(2)谐波谐振过电压的频率是谐振频率。(3)铁磁谐振形成后能“自保持”一段时间。(4)铁磁谐振时,因某一并联支路容性变感性,流过电压互感器电流的相位角会发生180°翻转。(5)不管哪一种过电压都是某一相电压互感器铁芯在谐振的作用下发生电磁饱和,破坏了三相电路的对称性,而使电压互感器一次熔丝熔断。
2.3.4 谐振过电压产生的必要条件(1)系统电源中性点对地绝缘,或者是小电流接地方式,才可能产生中性点偏移。(2)电压互感器一次绕组中性点直接接地,互感器的电感和系统对地电容形成并联支路。(3)系统对地电容和互感器的励磁电感匹配,且初始感抗大于容抗。只有这样,在系统受到冲击时,系统对地电容和互感器的励磁电感组成的并联支路才会发生变化,造成三相不对称。系统电容越大,出现谐振的可能性越小。通常系统容抗(XC)和感抗(XL)之比i=XC/XL<0.01时认为不会出现谐振。(4)系统一定受到激发因素的冲击或扰动。只有在系统受到冲击扰动时,产生过电压,才能使互感器铁芯饱和,导致中性点偏移。很明显,3号线35 kV系统电压互感器满足过电压产生的第(1)、(2)、(4)个条件,而第(3)个条件可通过以下近似计算加以验证。
2.3.5 系统对地电容和互感器的励磁电感的匹配近似计算验证设每公里线路容抗和感抗之比为i,当频率为50 Hz,每公里线路的电纳(容纳)为b0,取b0=ωc0=2.7×10-6S/km;C为35 kV系统线路对地总电•35• 第9期学术专论 容,C=c0×∑L n=b0ω∑Ln,其中,Ln为投入35kV系统的单条线路长度,∑L n为投入35 kV系统的线路长度之和。电压互感器参数为:总阻抗Zm,二次相电压U 2N,励磁电流I0,空载功率P0,内阻rm,感抗X m,励磁电感Lm。I0=0.23 A,P0=8 W,U2N=58 V。Zm=U 2 N/I0=250Ωrm=P0/I20=151ΩX m=Z2m-r2m=199Ω 归算到一次侧,X1mn=350.12X m=24.37×106Ω。35 kV系统内所有电压互感器的励磁电感为:L=X1 m nω(n+1) 因此,35 kV系统容抗和感抗之比为:i=X CXL=1ωCωL=n+1X1m nb0∑Ln=n+165.8∑L n(1)式中:n为投入35 kV系统中的电压互感器数量。加1代表未投入线路压变,只有一台母线压变。式(1)中未考虑主变压器在35 kV系统中的电感量,若将其算入,i的值将更高;当35 kV母线进线开关空充母线时,i值将很高,很容易发生谐振;投入线路时,系统内电压互感器的数量越少越好,被投入的线路越多、线路越长越好。由式(1)估算几种运行方式的i值(见表2和表3)。从表2、3可看出:单独投入虹桥牵引、中山公园牵引馈线和进线开关时,这2条线路长度都较短,i值很大,都超过了0.01,而投入第2条线路后,i值则大大减小;投入长线路时,i值不会很大;主变空充35 kV单母线时i值很大;正常运行时i值很小。表2 单一投入线路(即其他线路都未投入)时i值情况虹桥主变:35 kVⅡ段馈线开关运行方式中心和牵引站运行方式线路长度/km35 kV系统内电压互感器数量i值虹桥主变-停车场牵引35 kV虹车牵开关运行35 kV虹车牵开关运行;35 kV车泾牵开关热备用6.6 1+1 0.004 6虹桥主变-虹桥牵引35 kV虹桥牵开关运行35 kV虹桥牵开关运行;35 kV虹溪牵开关运行0.4 3+1 0.152 虹桥主变-中山公园牵引35 kV虹宁牵开关运行35 kV虹宁牵开关运行;35 kV宁杨牵开关运行2.4 3+1 0.025 虹桥主变-中潭路牵引35 kV虹潭牵开关运行35 kV虹潭牵开关运行;35 kV潭宝牵开关热备用10.6 1+1 0.002 9表3 投入第2条线路(即投入1条线路后再投1条线路)时i值情况虹桥主变:35 kVⅡ段馈线开关运行方式中心和牵引站运行方式线路长度/km系统内电压互感器数量i值虹桥主变-虹桥牵引35 kV虹潭牵开关运行;35 kV虹桥牵开关运行35 kV虹桥牵开关运行;35 kV虹溪牵开关运行10.6+0.4 4+1 0.006 9虹桥主变-中山公园牵引35kV虹潭牵开关运行;35 kV虹宁牵开关运行35 kV虹宁牵开关运行;35 kV宁杨牵开关运行10.6+2.4 4+1 0.005 8正常运行方式下(以虹桥主变35 kVⅡ段为例)主变:35 kV馈线开关全部运行中心、牵引及降压变电站的35kV进线开关全部运行6.661×2+0.3+0.944+10.68+1 0.005 435主变:空充35 kV母线时主变:35 kV馈线开关全部热备用中心、牵引及降压变电站的35kV进线开关全部热备用母线长度:0.02 km1 0.76 由此验证了3号线35 kV系统在某些运行方式下进行倒闸操作,特别是空充母线和空充短线路的情况下i值很大,超过了0.01,很容易发生工频位移过电压。这种过电压主要发生在操作时刻。•36• 城市轨道交通研究2006年 另外由于3号线35 kV系统存在着大量的谐波源,电网中谐波分量很高,随着列车运行的变化,其谐波强度、系统的电感量L和电容量C也在不断发生着变化。当系统由L、C决定的自振频率等于谐波源频率时,就很容易发生谐振。这种过电压主要发生在运行高低峰过渡时段。从产生谐振过电压的4点必要条件来看,第(1)、(2)点无法改变,但第(3)、(4)点可以尽量避免。即设法减小i值,避免有冲击的操作方式,并且增加谐振时的阻尼。3 建议解决方案(1)主变空充母线之前,先空充一条长线路(不送电压也不带负荷),以增加系统的电容量。此条措施主要是针对操作时产生工频过电压。(2)改变主变35 kV馈线开关的操作方式:先投线路最长的馈线开关,再投线路短的馈线开关。牵引站先投进线开关,当这类开关全部投完后,最后投变压器开关(包括中心变电站也是这样),以增加线路电容。这样做不仅可以改变系统L、C的匹配,还可以减轻操作过电压对设备的冲击。(3)将虹桥路牵引变电站和宝山路牵引变电站35kV联络线开关改热备用。以减少短线路投入的压变数。(4)在线路压变一次绕组中性接地点串联接入一电阻(有现成产品),再接地,增加谐振时的阻尼。这一条主要针对谐波谐振过电压。(5)对全线的线路压变进行一次励磁特性试验,以排除压变本身存在的问题。#p#分页标题#e#
参考文献
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伦敦———世界上公交最便捷的城市日前英国一家“旅行顾问”公司调查的结果,将伦敦列为世界公交最便捷的城
市。无论城市功能还是人口密度,伦敦都是世界上数一数二的大城市,但伦敦市区交通经过多年治理,已经基本不堵车,主要原因是80%以上的人选乘公共交通出行。人们喜欢使用公交有多种理由。首先是公交网络覆盖全城。伦敦的公交包括地铁、城市铁路、公共汽车、泰晤士河船运和出租车。地铁是公交的核心,运送速度比地面交通速度快一倍以上,运营时间从清晨5时到次日凌晨1时,全年乘客达9.5亿人次。它承担着全市公交总客运量的45%,日乘客一般超过300万人次。伦敦城市以环形划分区域,从市中心1区向外围放射至6区,12条地铁和1条轻轨线路纵横交错,总长400多km。平均每小时开出的列车达90个班次。在市中心区,一般步行10 min之内至少会有一个地铁站。二十几条市郊铁路总长3 000 km,与地铁一样具有高速、准时的特点,主要集中在泰晤士河南岸地铁较少的地区,占全市公交总客运量的12%,与地铁共同交织成整座城市的骨干公交网络。在高峰时段,近80%进入市中心的出行是通过轨道交通实现的。伦敦还有700多条线路的公共汽车,在轨道公交线路之间穿行,使公交网络更加缜密,日载客540万人次。“巴士就是我的私家车”,这是伦敦市政府鼓励市民出行乘坐公共汽车的广告用语。转乘方便是伦敦公交的另一特点。每条地铁线路基本可与10条线路交叉。地铁与城市铁路也有46个交叉站,在6区之内,买一张日票,地铁、城市铁路可通用。伦敦有5个机场,都有地铁、城市铁路及长途汽车相连。伦敦完善的轨道公交网络是在城市发展史上两次大的交通危机后促成的。第一次是在19世纪中叶,由于人口增长和伦敦市区的逐渐扩张,城市交通一度处于极度拥堵状态。为缓解危机,伦敦采取了将客运铁路引入市内成为城市公共交通,缓解了交通紧张状况。第二次是在19世纪末,由于经济的发展和伦敦市区的不断外延,再次导致了市中心交通拥挤。伦敦的应对措施是大量修建地铁。至20世纪初,伦敦具备了较为完善的内城地铁系统。进人21世纪,市中心交通拥挤问题再次突出,2003年2月,伦敦开始对非公交车辆征收入城费,鼓励使用公交,被看成是第三次解决城市交通拥堵的历史性举措。#p#分页标题#e#
