諧波引起串聯電抗器發熱異常分析

    諧波引起串聯電抗器發熱異常分析
    變頻器因具有調速方便、保護功能齊全等優點在油田內得到大量的應用，這些非線性負載產生的諧波引起電網電流、電壓波形發生畸變，導致并聯電容器補償裝置無法正常投運，串聯電抗器發熱、電容器燒毀頻繁發生。

    串聯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。但如果不考慮并聯電容器接入母線處的諧波背景，任意組合串聯電抗器和并聯電容器，會發生諧波的放大和諧振。本文通過具體計算、現場諧波測試，分析塔河油田110kV十區變電站 串聯電抗器發熱的原因，并提出改進的措施。

    一、情況簡介
    110kV十區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，遂將并聯電容器組退出運行。分析認為電抗器發熱可能由以下原因引起：A電抗器質量存在設計和工藝上的缺陷。B電網諧波引起。

圖1 電抗器線圈和鐵芯紅外成像測溫圖

    現場檢查未發現電抗器壓塊松動現象，絕緣電阻、直流電阻和電抗值也都正常，電抗器不存在質量問題。十區變電站10kV配電線路帶載大量使用變頻器調速的400V電動機負荷，現場諧波測試后發現，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標準限值要求，但已嚴重污染了電網。

    因此，初步判斷電抗器發熱應該是由于變頻器等非線性負載產生的諧波注入電網，在電容器組投入系統后引起諧波電流電壓放大甚至諧振造成的。現計算分析如下：

    二、電抗器發熱計算分析
    1.電容器組接入系統后高次諧波的狀態
    電容器組接入系統后的等值電路圖[2](忽略電阻)見圖4。式中，Xs為系統等值基波電抗，XL為串聯電抗器基波電抗，XC為并聯電容器基波容抗，n為諧波次數，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，當時，電容支路串聯諧振，即表示并聯電容器裝置與電網在第n次諧波發生串聯諧振。

    當時，系統和電容支路并聯諧振，即表示并聯電容器裝置與電網在第n次諧波發生并聯諧振，并可推導出電容器裝置的諧振容量QCX為式中,Sd為并聯電容器裝置安裝處的母線短路容量(MVA), QCX為發生n次諧波諧振的電容器容量(Mvar), K為電抗率。

    根據文獻[3]，計算十區變10kV母線上發生3次、5次諧波諧振的電容器容量(電抗率為6%)。將表1中有關參數代入式(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%的串聯電抗器不會發生3次、5次諧波并聯諧振。

    3. 諧波電壓放大分析
    為了便于分析，忽略系統諧波電阻及負載諧波電阻，引入諧波電壓放大率KVN, KVN為并聯電容器支路電壓與系統諧波電壓之比。從圖4可知KVN= UCLn/Un，根據式(1)、(2)、(3)推導出式中,Sd為并聯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。電抗率為6%時，將有關參數代入式(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次諧波電壓放大率電抗率K諧波電壓放大倍數。

    從計算結果可以看出,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十區變再次投入1組1500kvar電容器組后進行諧波測試，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%，現場實測諧波數據見圖5。電容器組投入運行后，產生了3次諧波放大，超過GB/T14549-93標準3.2%的限值[4]。

    三、串聯電抗器發熱異常分析
    綜合計算及現場諧波測試數據分析，串聯電抗器發熱的原因是電容器組投入運行后，產生了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熱達106.1℃。

    四、 串聯電抗器改進措施
    在十區變電站諧波背景下，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，因此考慮調節并聯電路的參數，使電容支路對于3次及以上諧波均呈感性，根據可得，對于諧波次數最低3次的，K>11.11%。若十區變電站1500kvar電容器組的電抗率按照12%配置，將有關參數代入式(5)，經過計算， 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次諧波電壓放大率電抗率K諧波電壓放大倍數KVN123456789101112%1.011.060.530.8790.9100.9210.9270.9300.9320.9330.934由計算結果可以看出，12%的串聯電抗器對3次諧波電壓放大率僅為0.53。同時，驗算當電抗率為12%時，將表1中有關參數代入式(4)，計算十區變10kV母線上發生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，1500kvar的電容器組配置電抗率為12%的串聯電抗器不會發生3次、5次諧波并聯諧振。將串聯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，設備運行良好。

    五、結束語
    總結本次電抗器發熱異常的理論計算和實測數據結果，今后在新建變電站電容器組裝置選擇串聯電抗器時，需考慮裝置接入處的諧波背景，校核接入系統的電容器組是否會發生有害的并聯諧振、串聯諧振和諧波放大，避免設備投運后可能發生的發熱、燒毀事故。

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