諧波引起串聯(lián)電抗器發(fā)熱異常分析 諧波引起串聯(lián)電抗器發(fā)熱異常分析
變頻器因具有調(diào)速方便、保護(hù)功能齊全等優(yōu)點(diǎn)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(bǔ)償裝置無(wú)法正常投運(yùn)，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(duì)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(huì)發(fā)生諧波的放大和諧振。本文通過(guò)具體計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)諧波測(cè)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(jiǎn)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(hào)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(hào)：R7PM 10.0/3/1500，Qn90 kvar,電感量18.38mH,共4臺(tái)。2013年8月16日投運(yùn)1組1500kvar電容器組運(yùn)行一周后，電抗器噪音增大，紅外成像測(cè)溫顯示線圈和鐵芯溫度升高到106.1℃，紅外成像測(cè)溫圖見(jiàn)圖1。為避免電抗器燒損事故，遂將并聯(lián)電容器組退出運(yùn)行。分析認(rèn)為電抗器發(fā)熱可能由以下原因引起：A電抗器質(zhì)量存在設(shè)計(jì)和工藝上的缺陷。B電網(wǎng)諧波引起。
圖1 電抗器線圈和鐵芯紅外成像測(cè)溫圖
現(xiàn)場(chǎng)檢查未發(fā)現(xiàn)電抗器壓塊松動(dòng)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(wèn)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(dòng)機(jī)負(fù)荷，現(xiàn)場(chǎng)諧波測(cè)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(jiàn)圖2、圖3。諧波電壓、電流雖未超過(guò)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。現(xiàn)計(jì)算分析如下：
二、電抗器發(fā)熱計(jì)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(jiàn)圖4。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(shí)，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(shí)，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。
根據(jù)文獻(xiàn)[3]，計(jì)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(jiàn)，1500kvar的電容器組配置電抗率為6%的串聯(lián)電抗器不會(huì)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(shí)，將有關(guān)參數(shù)代入式(5)，計(jì)算1500kvar電容器組對(duì)1～11次諧波電壓放大率KVN，見(jiàn)表2。表2配置6%電抗器的1500kvar電容器組對(duì)1～11次諧波電壓放大率電抗率K諧波電壓放大倍數(shù)。
從計(jì)算結(jié)果可以看出,1500kvar電容器組對(duì)3次諧波電壓放大率KVN為1.18，對(duì)5次諧波電壓放大率KVN為0.72。為驗(yàn)證理論計(jì)算的價(jià)值， 110kV十區(qū)變?cè)俅瓮度?組1500kvar電容器組后進(jìn)行諧波測(cè)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(chǎng)實(shí)測(cè)諧波數(shù)據(jù)見(jiàn)圖5。電容器組投入運(yùn)行后，產(chǎn)生了3次諧波放大，超過(guò)GB/T14549-93標(biāo)準(zhǔn)3.2%的限值[4]。
三、串聯(lián)電抗器發(fā)熱異常分析
綜合計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)諧波測(cè)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(yùn)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、 串聯(lián)電抗器改進(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(duì)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(duì)于3次及以上諧波均呈感性，根據(jù)可得，對(duì)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(guò)計(jì)算， 1～11次諧波電壓放大率KVN見(jiàn)表3。表3配置12%電抗器的1500kvar電容器組對(duì)1～11次諧波電壓放大率電抗率K諧波電壓放大倍數(shù)KVN123456789101112%1.011.060.530.8790.9100.9210.9270.9300.9320.9330.934由計(jì)算結(jié)果可以看出，12%的串聯(lián)電抗器對(duì)3次諧波電壓放大率僅為0.53。同時(shí)，驗(yàn)算當(dāng)電抗率為12%時(shí)，將表1中有關(guān)參數(shù)代入式(4)，計(jì)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123.
由此可見(jiàn)，1500kvar的電容器組配置電抗率為12%的串聯(lián)電抗器不會(huì)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(yùn)行良好。
五、結(jié)束語(yǔ)
總結(jié)本次電抗器發(fā)熱異常的理論計(jì)算和實(shí)測(cè)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(shí)，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(huì)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(yùn)后可能發(fā)生的發(fā)熱、燒毀事故。
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