利用電能質量諧波分析處理串聯電抗器故障的應用

鎮江供電公司 周 鵬 黃 濤 朱志華

一、故障現象

110kV團結變10kVⅠ段電容器二160電抗器型號為CKSGQ-54/11/√3-4.5%，出廠日期為2005年1月，于2005-10-20正式投運。其技術參數如下：額定容量54kvar，額定端電壓285.8V，額定電流63A，額定電抗率4.5%，額定電抗值4.537Ω。此電抗器于2011-04-14發生故障，電抗器A相線圈表面出現焦黃，為內部急劇過熱所致。A相線圈已損壞，無法修復。

二、故障原因分析

10kVⅠ段電容器一、二（對應150、160開關）主要對團結變10kVⅠ段母線負荷進行補償。

根據團結變線101、102電能質量測試結果分析（見表1、表2），主要存在5、7次諧波分量，其中5次諧波分量較大，然后為7次諧波分量，3次諧波分量較小。5次諧波電流最大值有37.71A，7次諧波最大值有14.94A。5次諧波離允許注入系統母線的國標值折算值53.39A已相差不遠，說明5次、7次諧波在本段電網中還是較嚴重的。因此選擇合理的電抗率對電容器組運行時的諧波諧振發生會有較大影響。

表1 101開關電能質量統計報表（電流）

表2 102開關電能質量統計報表（電流）

根據提供的該段線路的最小短路容量266.95MVA，電容器組的容量1200kVar，在電抗率4.5%時，發生5次諧波諧振的機率較大，計算如下：Qc=Sd*(1/n2-A)，其中Qc—發生n次諧振的電容器容量M var；Sd—電容器安裝點的母線短路容量MVA；n—諧波次數；A—電抗器的電抗率。

計算：

此值已接近1200 kvar，當母線短路容量更大一點時，5次諧波發生諧振的可能是非常大的。

諧振發生時，會產生嚴重的諧波過電壓，過電流，使電容器的發生損壞，外熔斷器熔斷，電抗器因過電壓過電流產生嚴重的過熱，損壞干式電抗器的固體絕緣，從而引起內部短路發生，損壞電抗器。

根據團結變線101、102電能質量測試結果分析，系統本身的諧波也對電抗器正常運行產生了影響。此電抗器為干式鐵芯電抗器，磁回路在電抗器的硅鋼鐵芯內部，高次諧波對硅鋼片的渦流損耗是與f2成正比的，所以當5次7次諧波較多時，電抗器的鐵損會放大許多。電流中諧波電流較大也會加劇電抗器的損耗，發生電抗器的過熱現象。

根據通常的濾波原理，當LC串聯回路中，我們要求濾掉某次諧波時，則要求此回路的阻抗在某次諧波頻率下為0，即在此LC串聯回路中Xcn=XnL，其中Xcn=1/2πnfc；XL=2πnfL，Xnc-在n次諧波下的電容器阻抗；XnL-在n次諧波下的電抗器阻抗；Xc-在工頻下的電容器阻抗；XL-在工頻下的電抗器阻抗，則Xnc=Xc/n；XnL=XL*n，若Xcn=XnL，則Xc=n2XL，即XL/Xc=1/n2。此電容器組電抗器XL/Xc=4.5%=0.045，當n=5時，等式二邊接近相等，也說明此電容器組接近于一個5次波的濾波裝置，此電容器回路的阻抗對5次波接近于0，母線上的5次以上諧波都將于此電容器回路中吸收。故此電容器回路中的諧波電流將會是比較嚴重的。

當此電容器組從一個補償裝置成為一個濾波裝置后，電抗器的性質發生了變化，原先的串聯電抗器變成了濾波電抗器。從電抗器的設計上，補償電容器中用的串聯電抗器和濾波電抗器是不同的，濾波電抗器要充分考慮諧波的影響，要滿足諧波電壓和電流的要求，故在設計上鐵芯和導線都是有非常大的余量的，當串聯電抗器用作濾波電抗器用時，鐵芯和線圈因諧波的原因會嚴重發熱，損壞內部絕緣，過早地發生電抗器損壞。

團結變10kVⅠ段電容器二160電抗器CKSGQ-54/11/√3-4.5%，本身是2005年出廠的產品，繞制工藝為包繞式，用浸過樹脂的玻璃絲和導線一起纏繞而成，經高溫固化成一個整體。內部層間為B—F級的絕緣紙。耐熱等級一般只有B級，能承受不高于70K的溫升（加環境溫度一般不超過100℃），此電抗器已使用了6年多，在此使用過程中肯定經受了長期的高溫，內部絕緣已受損傷。當電容器投切操作或諧振過程中受到高電壓沖擊時，引起絕緣徹底損壞而擊穿，引起層間導線的短路，從而產生高溫，表面焦黃，線圈已損壞，無法修復。

三、結論

根據分析結果，決定更換電抗器，并把電抗率改為5%，以避免電容器組與母線容量的諧振，遠離5次波的諧振點，避免使電容器組成為5次波的完全濾波通道，延長電容器，電抗器的使用壽命。

[1]邱關源.電路[M].北京:高等教育出版社,1989.

[2]本書編委會.電抗器設計計算與管理制度及預防性試驗標準規范實用手冊[M].北京:北方工業出版社,2007.

[3]GB10229－1988,電抗器[S].