諧波引起串聯(lián)電抗器發(fā)熱異常分析

引言

變頻器因具有調(diào)速方便、保護(hù)功能齊全等優(yōu)點在油田內(nèi)得到大量的應(yīng)用，這些非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波引起電網(wǎng)電流、電壓波形發(fā)生畸變，導(dǎo)致并聯(lián)電容器補償裝置無法正常投運，串聯(lián)電抗器發(fā)熱、電容器燒毀頻繁發(fā)生。串聯(lián)電抗器的主要作用是抑制高次諧波和限制合閘涌流[1]，防止諧波對電容器造成危害。但如果不考慮并聯(lián)電容器接入母線處的諧波背景，任意組合串聯(lián)電抗器和并聯(lián)電容器，會發(fā)生諧波的放大和諧振。本文通過具體計算、現(xiàn)場諧波測試，分析塔河油田110kV十區(qū)變電站串聯(lián)電抗器發(fā)熱的原因，并提出改進(jìn)的措施。

一、情況簡介

110kV十區(qū)變電站新裝兩套容量(1500+1500)kvar的電容器組，共分4組，每組容量1500kvar，選配電容器型號PhMKPM-6.6/1/500,單體容量500kvar,電容量33.17μF,額定電壓12/ kV，額定電流24.06A。選配電抗器的電抗率為6%，型號：R7PM 10.0/3/1500，Qn90 kvar,電感量18.38mH,共4臺。2013年8月16日投運1組1500kvar電容器組運行一周后，電抗器噪音增大，紅外成像測溫顯示線圈和鐵芯溫度升高到106.1℃，紅外成像測溫圖見圖1。為避免電抗器燒損事故，遂將并聯(lián)電容器組退出運行。

分析認(rèn)為電抗器發(fā)熱可能由以下原因引起：

(1) 電抗器質(zhì)量存在設(shè)計和工藝上的缺陷。

(2) 電網(wǎng)諧波引起。

圖1 電抗器線圈和鐵芯紅外成像測溫圖

現(xiàn)場檢查未發(fā)現(xiàn)電抗器壓塊松動現(xiàn)象，絕緣電阻、直流電阻和電抗值也都正常，電抗器不存在質(zhì)量問題。

十區(qū)變電站10kV配電線路帶載大量使用變頻器調(diào)速的400V電動機負(fù)荷，現(xiàn)場諧波測試后發(fā)現(xiàn)，在電容器組不投入的情況下，諧波電壓總畸變率(THDV)95%概率大值為3.25%，其中5次諧波畸變率2.58%，7次諧波畸變率1.36%，11次諧波畸變率1.14%。諧波電流主要以5、7、11、13次諧波電流為特征諧波，其中5次諧波含量最大，達(dá)12.93A。諧波電壓、電流頻譜圖見圖2、圖3。諧波電壓、電流雖未超過GB/T14549-93標(biāo)準(zhǔn)限值要求，但已嚴(yán)重污染了電網(wǎng)。

因此，初步判斷電抗器發(fā)熱應(yīng)該是由于變頻器等非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波注入電網(wǎng)，在電容器組投入系統(tǒng)后引起諧波電流電壓放大甚至諧振造成的?，F(xiàn)計算分析如下：

二、電抗器發(fā)熱計算分析

1.電容器組接入系統(tǒng)后高次諧波的狀態(tài)

電容器組接入系統(tǒng)后的等值電路圖[2](忽略電阻)見圖4。

圖4 電容器組接入系統(tǒng)后的等值電路

式中，Xs為系統(tǒng)等值基波電抗，XL為串聯(lián)電抗器基波電抗，XC為并聯(lián)電容器基波容抗，n為諧波次數(shù)，In為諧波源注入回路的第n次諧波電流。

在不同的諧波阻抗條件下，當(dāng)

時，電容支路串聯(lián)諧振，即表示并聯(lián)電容器裝置與電網(wǎng)在第n次諧波發(fā)生串聯(lián)諧振。當(dāng)

時，系統(tǒng)和電容支路并聯(lián)諧振，即表示并聯(lián)電容器裝置與電網(wǎng)在第n次諧波發(fā)生并聯(lián)諧振，并可推導(dǎo)出電容器裝置的諧振容量QCX為

式中,Sd為并聯(lián)電容器裝置安裝處的母線短路容量(MVA), QCX為發(fā)生n次諧波諧振的電容器容量(Mvar), K為電抗率。

2.諧振分析

系統(tǒng)及元件參數(shù)見表1。

表1 系統(tǒng)及元件的參數(shù)

根據(jù)文獻(xiàn)[3]，計算十區(qū)變10kV母線上發(fā)生3次、5次諧波諧振的電容器容量(電抗率為6%)。將表1中有關(guān)參數(shù)代入式(4)，得3次、5次諧波諧振的電容器容量分別為

由此可見，1500kvar的電容器組配置電抗率為6%的串聯(lián)電抗器不會發(fā)生3次、5次諧波并聯(lián)諧振。

3. 諧波電壓放大分析

為了便于分析，忽略系統(tǒng)諧波電阻及負(fù)載諧波電阻，引入諧波電壓放大率KVN, KVN為并聯(lián)電容器支路電壓與系統(tǒng)諧波電壓之比。從圖4可知KVN= UCLn/Un，根據(jù)式(1)、(2)、(3)推導(dǎo)出

式中,Sd為并聯(lián)電容器裝置安裝處的母線短路容量(MVA), QCN為電容器容量(Mvar), K為電抗率, n為諧波次數(shù)。

電抗率為6%時，將有關(guān)參數(shù)代入式(5)，計算1500kvar電容器組對1～11次諧波電壓放大率KVN，見表2。

表2配置6%電抗器的1500kvar電容器組對1～11次諧波電壓放大率

從計算結(jié)果可以看出,1500kvar電容器組對3次諧波電壓放大率KVN為1.18，對5次諧波電壓放大率KVN為0.72。為驗證理論計算的價值， 110kV十區(qū)變再次投入1組1500kvar電容器組后進(jìn)行諧波測試，諧波電壓總畸變率(THDV)為4.95%，其中3次諧波電壓畸變率3.92%，5次諧波電壓畸變率2.28%，現(xiàn)場實測諧波數(shù)據(jù)見圖5。電容器組投入運行后，產(chǎn)生了3次諧波放大，超過GB/T14549-93標(biāo)準(zhǔn)3.2%的限值[4]。

圖5 現(xiàn)場實測諧波數(shù)據(jù)(投入1500kvar電容器組)

三、發(fā)熱異常分析

綜合計算及現(xiàn)場諧波測試數(shù)據(jù)分析，串聯(lián)電抗器發(fā)熱的原因是電容器組投入運行后，產(chǎn)生了3次諧波放大，即使比例不大的諧波電流，也增大了電抗器鐵芯磁滯損耗和渦流損耗，引起電抗器繞組和鐵芯發(fā)熱達(dá)106.1℃。

四、 改進(jìn)措施

在十區(qū)變電站諧波背景下，作為非特征階次諧波存在的3次諧波對電容器組的影響是不可忽視的，因此考慮調(diào)節(jié)并聯(lián)電路的參數(shù)，使電容支路對于3次及以上諧波均呈感性，根據(jù)

可得，對于諧波次數(shù)最低3次的，K>11.11%。

若十區(qū)變電站1500kvar電容器組的電抗率按照12%配置，將有關(guān)參數(shù)代入式(5)，經(jīng)過計算， 1～11次諧波電壓放大率KVN見表3。

表3配置12%電抗器的1500kvar電容器組對1～11次諧波電壓放大率

由計算結(jié)果可以看出，12%的串聯(lián)電抗器對3次諧波電壓放大率僅為0.53。

同時，驗算當(dāng)電抗率為12%時，將表1中有關(guān)參數(shù)代入式(4)，計算十區(qū)變10kV母線上發(fā)生3次、5次諧波諧振的電容器容量，得3次、5次諧波諧振的電容器容量分別為

由此可見，1500kvar的電容器組配置電抗率為12%的串聯(lián)電抗器不會發(fā)生3次、5次諧波并聯(lián)諧振。

將串聯(lián)電抗器更換為相同額定容量、額定電流，電抗率為12%的電抗器后，設(shè)備運行良好。

五、結(jié)束語

總結(jié)本次電抗器發(fā)熱異常的理論計算和實測數(shù)據(jù)結(jié)果，今后在新建變電站電容器組裝置選擇串聯(lián)電抗器時，需考慮裝置接入處的諧波背景，校核接入系統(tǒng)的電容器組是否會發(fā)生有害的并聯(lián)諧振、串聯(lián)諧振和諧波放大，避免設(shè)備投運后可能發(fā)生的發(fā)熱、燒毀事故。

參考文獻(xiàn)

[1] 潘艷，劉連光，胡國新. 補償電容器串聯(lián)電抗對無源LC濾波器性能的影響[J].電網(wǎng)技術(shù)，2001,(7)：56～59,71

[2] 電力工業(yè)部電力規(guī)劃設(shè)計總院.電力系統(tǒng)設(shè)計手冊[M].北京：中國電力出版社，1998

[3] GB 50227-95，并聯(lián)電容器裝置設(shè)計規(guī)范[S].

[4] GB/T 14549-93，電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波[S].

作者簡歷：

石華超--1981年9月，大學(xué)本科，機電儀工程師，主要負(fù)責(zé)油田電網(wǎng)輸變電設(shè)備技術(shù)管理、繼電保護(hù)計算。