諧波治理電抗器燒毀原因分析(上)

      一、前 言
      近年來隨著電抗器的廣泛應用，時有發生諧波治理電抗器燒毀事故，嚴重影響了安全生產運行，現結合我站實際情況和網上部分文獻資料作出以下分析，水平有限，僅供參考。
   
      我站電抗器運行時電流較大，部分電抗器溫升接近100度，如在較低氣溫時退出運行，短時間內熱脹冷縮是會導致電抗器表皮絕緣開裂，在絕緣劣化到一定程度時，若遇到較大的過電流時容易發生匝間短路，電抗器的并聯進線因電流過大而發熱，熱量累積數分鐘后到達燃點，而保護裝置在過流過壓時不能及時啟動最終導致電抗器燒毀。

      二、電抗器燒毀的原因及分析
      1、諧波治理電抗器燒毀原因有如下幾個原因：
      A、長期工作電流過大加速了電抗器的絕緣老化，縮短了電抗器壽命。
      B、劇烈的熱脹冷縮是電抗器表皮絕緣開裂的直接原因。
      C、保護裝置在過流過壓初期不能及時動作防止事故的發生。
      D、電抗器自身結構不合理，粉塵污染影響散熱等等
 
      2、電抗器工作電流過大：我站有兩種電抗器，一種容量144KVAR，額定系統電壓38.1KV，額定電流108A（銘牌上147A為誤導）；另一種容量240KVAR，額定系統電壓38.1KV，額定電流電流180A。我站有數次電抗器投入數分鐘內即燒毀的事故，可能的原因是電抗器投入時過大的電流燒斷了本身絕緣脆弱的進線，使其他進線電流變大，最終熱量累積導致電抗器被燒毀。產生瞬時過電流的原因是電化公司負荷帶動過于迅速，在電抗器還未依次投入但負荷已較高的時候，系統會產生很大的電流。解決的方法是加強與電化公司的溝通，要求其較為平緩的帶起負荷，另外，目前無功補償控制裝置在符合合閘條件的情況下需要等待5分鐘才能合閘，最好能在符合相關要求的前提下縮短這一等待時間。
 
       根據負荷平穩時的記錄，全部電抗器的日均電流均達到了額定值，部分超過了10%，雖然電抗器可以長期在1.35倍額定電流下工作，但長期電流過大不利于電抗器的壽命。長期電流過大可能的原因：電抗率選擇不當導致放大諧波。可通過實測確定35KV母線電壓總畸變率是否超過3%，奇次諧波含有量是否超過2.4%，若超過則可嘗試用12%電抗器進行驗算，進行諧波測試時應在負荷穩定時進行。
 
      諧波是指頻率為基波整數倍數（1以外）的交流量，它因負載的非線性而產生，諧波對電力系統有很大的危害。當高次諧波作用電容器組上時，使電容器組電抗減小，電流增大，使系統產生諧波過電壓，甚至諧振。串聯電抗器可以有效減小諧波，限制合閘涌流。但若電抗率選擇不當可能會導致諧波放大。
 
      電抗器的選擇：額定端電壓UL=Uc*K 額定容量SL=Sc*K （UL：電抗器額定端電壓 Uc：電容器額定電壓 SL:電抗器額定容量 Sc：電容器額定容量 K：電抗率；電抗率的選擇根據標準,當接入電網處的背景諧波為3次及以上時，一般為12%；也可采用4.5%～6%與12%兩種電抗率。但設計規范說的較含糊，實際較難執行，我認為上述情況應區別對待，并通過驗算確定電抗率是否合適。
 
      3、電容器裝置接入處背景諧波為3次［2］
      3次諧波含量較小，可選擇0.1%～1%的串聯電抗器，但應驗算電容器裝置投入后3 次諧波放大是否超過或接近國標限值[3]，并且有一定的裕度。(2)3次諧波含量較大，已經超過或接近國標限值，選擇 12%或12%與4.5%～6%的串聯電抗器混合裝設。電容器裝置接入處的背景諧波為3 次、5 次：(1) 3 次諧波含量很小，5次諧波含量較大（包括已經超過或接近國標限值），選擇 4.5%～6%的串聯電抗器，忌用 0.1%～1%的串聯電抗器。(2) 3 次諧波含量略大，5次諧波含量較小，選擇0.1%～1%的串聯電抗器，但應驗算電容器裝置投入后3 次諧波放大是否超過或接近國標限值，并且有一定的裕度。(3) 3 次諧波含量較大，已經超過或接近國標限值，選擇12%或12%與4.5%～6%的串聯電抗器混合裝設。
 
      4、電容器裝置接入處的背景諧波為5 次及以上：(1)5次諧波含量較小，應選擇4.5%～6%的串聯電抗器。5次諧波含量較大，應選擇4.5%的串聯電抗器。對于采用 0.1%～1%的串聯電抗器，要防止對5次、7次諧波的嚴重放大或諧振；對于采用4.5%～6%的串聯電抗器，要防止對3次諧波的嚴重放大或諧振。具體驗算見3.電抗率的選擇分析。
 
      5、運行人員注意事項：首先需要降低電抗器電流，溫升，其次在天氣劇烈變化的時候調度和運行應盡量不改變無功補償的運行方式，在運行人員巡視時檢查電抗器外絕緣破裂情況、瓷瓶有無明顯的放電現象、有無異響等。
 
      6、維護人員注意事項：運行維護單位在干式空心電抗器停電檢修期間除按照規程規定進行試驗外，還應進行全面檢查，檢查的重點是最外層和最內層包封表面的開裂情況。必要時可采用內窺鏡檢查各個包封層表面的開裂情況以及是否存在鼓包和樹枝狀爬電現象。對運行時間較長且包封表面開裂嚴重的，建議逐步進行更換;對包封表面輕微開裂的，建議進行噴涂RTV涂料處理，以延緩包封開裂后水份進入繞組內部對導線絕緣層侵蝕的速度。

      7、保護裝置不啟動：我站電抗器的毀壞 , 除了諧波引起過流或過壓導致過熱之外 ,保護裝置在過流過壓時不能及時動作 ,也是電抗器毀壞的間接原因[4]。目前 ,電容器組多為單星形接線的并聯電容器組 ,其保護配置大致有速斷保護、過流保護、壓差保護、電壓不平衡保護、過壓及低壓保護等 ,經分析 ,這些保護對電抗器故障都不起什么保護作用。

      A、過電流與速斷保護:一般情況下,電容器組的電流大小如式：Ic =Us／(1-K)Xc式中: Us =電源電壓;Xc=電容器組容抗;K=電抗率。可以看出,電容器組串接電抗器的電抗率 K越高,流過電容器回路的電流 Ic將越大,反之亦然。當電抗器出現線圈短路或燒毀,其電感值隨之變小,K越小,則回路電流Ic愈小。因此,以Ic增大為判據的速斷和過流保護根本不會有反應。
 
      B、電壓壓差保護：電壓差動保護只是從電容器首尾兩端取信號只有當電容器有故障時,才會有電壓信號出現。因此,只要電容器不發生故障,即使電抗器全部短路,電壓差動保護也不會動作。
 
      C、不平衡電壓保護：在單星形接線的電容器組中,當某相電抗器發生故障時,就會引起三相回路阻抗的不平衡,從而中性點電位發生偏移,三相開口三角出現不平衡電壓。但由于每組電容器容抗遠大于電抗器感抗,根據每臺電容器組內部不同的小電容元件的并聯個數M和串聯個數N,不平衡電壓保護整定值取值范圍一般為008～015倍的相電壓。通常,如果1臺電容器組內部有1 個或幾個小電容元件出故障后,三相所出現的不平衡電壓對于電抗率為 6%及以下的電抗器故障所出現的不平衡電壓要大得多,因此,電抗率6% 及以下的電抗器故障保護不會動作。對于電抗率為12 %～13%的電抗器故障,保護即使動作時電抗器也已瀕臨短路,甚至處于保護死區。
 
      D、過電壓保護及低電壓保護：過電壓保護和低電壓保護所取的電壓是從系統母線上取的,并根據母線電壓的升降情況做出反應，電抗器燒毀對母線電壓沒有影響, 因此這兩種保護也不會動作。  
 
      據以上分析,目前的串聯電抗器幾乎處于無保護狀態。背景諧波較嚴重的變電站,在諧波得到較好的治理之前,值班員應將電抗器作為巡視的重點設備,特別是在負荷高峰期,應增加電抗器巡視和紅外測溫的次數, 以便及早發現電抗器故障并及時切除電容器裝置,避免事故擴大。不過,要從根本上解決問題,就應對該站進行諧波治理,給電抗器安裝如高溫報警、端電壓保護等保護裝置。

      E、電抗器結構不合理，粉塵污染：與廠家聯系，督促廠家改進產品質量，要求廠家做出事故分析。粉塵污染暫無法解決。