引言

目前,低壓公用配電房和配電線路大多安裝有低壓動態(tài)無功補償裝置,但補償裝置的控制器、接觸器和電容器經(jīng)常損壞,大量的低壓公用配電房和配電線路的無功補償裝置并沒有投入運行,導(dǎo)致供電功率因數(shù)低下。補償裝置的控制器、接觸器和電容器經(jīng)常損壞,除了環(huán)境溫濕度影響之外,諧波影響最為嚴(yán)重。

當(dāng)前電力用戶使用了大量非線性負(fù)荷,如居民家里用的照明裝置很多都會采用1ED燈和節(jié)能燈,1ED的電子開關(guān)電源和節(jié)能燈都是諧波源,會產(chǎn)生大量高次諧波,這些諧波除了會導(dǎo)致補償裝置的控制器及接觸器產(chǎn)生誤動和異常過熱損壞之外,高次諧波還會對補償電容器內(nèi)部產(chǎn)生過電流和過電壓損壞。

同時,高次諧波還將消耗大量無功功率,如果無功功率不足,配電變壓器的損耗就會增大:配電線路由于線路長,會消耗大量無功功率,而無功功率不足,配電線路的損耗也會增大,終端用戶電壓就有可能達(dá)不到使用要求。

1事故案例分析

1.1某生產(chǎn)廠諧波測試報告

2012-08-21T17:46,220kV某變電站10kV#1電容器組過流V段保護(hù)動作,10kV#1電容器組571DR開關(guān)跳閘。經(jīng)初步分析,認(rèn)為諧波是造成電容器組損壞的主要原因。2012年8月28日一9月6日,試驗班對220kV某變電站10kV1M母線進(jìn)行了電能質(zhì)量測試,發(fā)現(xiàn)10kV1M母線2次、4次諧波電流數(shù)值較大。對變電站10kV1M母線所供電的10kV線路逐條進(jìn)行測試,發(fā)現(xiàn)10kV某R線實測數(shù)據(jù)2次、4次諧波電流較大,其中最大值接近國家標(biāo)準(zhǔn)值:10kV某線實測諧波數(shù)據(jù)5次、7次諧波電流超過國家標(biāo)準(zhǔn)值。

2012年9月19日一26日,對10kV某I線、10kV某線、客戶配變進(jìn)行跟蹤測量分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)10kV某I線供電的某廠產(chǎn)生的4次、5次諧波電流超過國家標(biāo)準(zhǔn)值,且2次諧波電流較大:10kV某線供電的某廠產(chǎn)生的5次、7次諧波電流超過國家標(biāo)準(zhǔn)值。

1.2110kV某變電站#1電容器組故障原因初步分析

2013年,110kV某變電站10kV#1電容器組發(fā)生不平衡電壓跳閘,試驗班對#1電容器組進(jìn)行電氣試驗,結(jié)果發(fā)現(xiàn)A相電抗器直流電阻異常變小,阻值為20.04m0,其他兩相電抗器阻值分別為B相91.04m0、C相92.71m0,其他常規(guī)試驗項目正常。判斷是A相電抗器匝間短路,需更換。2014年8月一10月,對三相電抗器全部進(jìn)行更換,串聯(lián)電抗器由6%改為5%,交接驗收合格后,2014年10月30日10kV#1電容器組投入運行,合閘時又發(fā)生不平衡電壓跳閘(兩次的動作電壓都是29V左右）。

根據(jù)跳閘情況以及與設(shè)計、制造廠家溝通的情況,為進(jìn)一步確認(rèn)高壓設(shè)備是否處于正常的健康狀態(tài),我所對電容器、放電線圈、電抗器、避雷器及高壓開關(guān)重新進(jìn)行了絕緣試驗,同時對放電線圈進(jìn)行比差、角差和勵磁特性試驗。以上全部試驗數(shù)據(jù)正常,初步認(rèn)為一次設(shè)備沒有問題。

為分析是否是相間電壓或諧波影響導(dǎo)致電容器組電壓不平衡動作,我所對以往某站電能質(zhì)量測試的結(jié)果以及跳閘時刻的相間電壓和諧波進(jìn)行了分析。

1.2.1用戶諧波測試的結(jié)果分析

2014年9月9日,我所在電能質(zhì)量干擾源用戶普測中發(fā)現(xiàn)某站兩條10kV用戶專線諧波電流超標(biāo)。

(1）10kV1M母線:10kV某線路F715,5次、7次諧波電流超標(biāo)（分別是42.81A和13.03A,計算限值分別為5.38A和4.74A）。母線諧波電壓總畸變率為2.93%（國標(biāo)4%）,三相電壓不平衡度和電壓偏差由于測試時實際接線方式為V接,未能進(jìn)行比較。

（2）10kV2M母線:10kV某某線F721,3次、5次、7次諧波電流超標(biāo)（分別是5.30A、39.77A、16.54A,計算限值分別為4.34A、4.86A、4.34A）。母線諧波電壓總畸變率為2.93%（國標(biāo)4%）,三相電壓不平衡度為0.42%（國標(biāo)4%）,電壓偏差為（+1.14%,-1.49%）（國標(biāo)±7%）。1.2.2跳閘時刻的電壓和諧波

根據(jù)調(diào)度自動化系統(tǒng)記錄,當(dāng)時10kV1M及2M并列運行,#2電容器組也正常投入運行,10kV母線的電能質(zhì)量情況是一樣的。10kV母線PT監(jiān)測的是10kV母線電壓情況,而放電線圈監(jiān)測的是電容器組內(nèi)部各相電容器的電壓,10kV母線電能質(zhì)量情況對電容器組不平衡電壓跳閘的影響關(guān)系還需進(jìn)一步檢測和分析。由于保護(hù)提供的信息非常少,甚至沒有電壓不平衡的具體相別,因此無法準(zhǔn)確判斷跳閘時的諧波情況,也無法判別是否是合閘電流所產(chǎn)生的電壓不平衡。

通過對以上兩個事故案例的分析可知,諧波影響導(dǎo)致電容器組電壓不平衡動作,是造成電容器組損壞的主要原因。目前低壓公用配電房和配電線路大多安裝有低壓動態(tài)無功補償裝置,但補償裝置的控制器、接觸器和電容器經(jīng)常損壞,大量的低壓公用配電房和配電線路的無功補償裝置并沒有投入運行,導(dǎo)致供電功率因數(shù)低下。

2防諧型低壓無功補償裝置設(shè)計

為節(jié)能增效,提高低壓公用配電房和配電線路供電功率因數(shù),計劃研制一種防諧型低壓無功補償裝置,以減少補償裝置控制器、接觸器和電容器的損壞,提高低壓無功補償裝置的使用率[3]。

2.1設(shè)計電容控制保護(hù)模塊

為防止系統(tǒng)外雷電波、系統(tǒng)內(nèi)電壓波動沖擊以及諧波干擾,設(shè)計控制器保護(hù)模塊,由避雷器和電容控制保護(hù)器組成。避雷器與電容控制保護(hù)器并聯(lián)運行,當(dāng)作用電壓超過一定幅值時避雷器總是先動作,通過它自身泄放掉大量的能量,限制過電壓,保護(hù)電容控制保護(hù)器。電容控制保護(hù)器設(shè)計原理圖如圖1所示。

高頻情況下感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場足以抵消線圈的干擾,起到屏蔽的作用,當(dāng)頻率高到一定程度時,感應(yīng)電流就不再隨著頻率提高而繼續(xù)增大。裝置含有一種低壓磁環(huán)（鐵氧體抗干擾磁芯）,作用為吸收低頻信號并將吸收的能量轉(zhuǎn)化成熱能耗散掉,在低壓無功補償裝置中,低壓磁環(huán)用于抑制低次諧波干擾信號的通過。

2.2設(shè)計控制器防諧功能

無功補償控制器采樣電壓受諧波電壓影響,諧波干擾會導(dǎo)致控制器采樣信號不穩(wěn)定,并且控制器也經(jīng)常受過電壓沖擊而容易損壞,所以增加防過電壓功能和防諧功能加以保護(hù)。防諧功能主要是采用電感線圈防諧方式來實現(xiàn)。

2.3設(shè)計電容器防諧功能

防諧裝置根據(jù)配電房的諧波背景參數(shù)進(jìn)行設(shè)計,而配電房的諧波背景參數(shù)是根據(jù)一年內(nèi)用電負(fù)荷曲線,選擇負(fù)荷較大的用電時段通過便攜式電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置連續(xù)不間斷監(jiān)測獲得。一般配電房連續(xù)不間斷監(jiān)測1天即24h,用電負(fù)荷變化較大的配電房連續(xù)監(jiān)測7天或1個月。根據(jù)不同的諧波含量,設(shè)計不同參數(shù)的防諧裝置。電容器很容易放大諧波電流,從而產(chǎn)生過電流,為此設(shè)計了電容電流保護(hù)模塊,原理圖如圖2所示。

2.4設(shè)計接觸器保護(hù)功能

一般而言,配電房白天和晚上負(fù)荷相差較大,為此可采用動態(tài)無功補償裝置或靜態(tài)無功補償裝置進(jìn)行無功補償,兩種裝置都可以隨著負(fù)荷的變動而自動投切電容器。

第一種方案:動態(tài)無功補償裝置接觸器由主開關(guān)和副開關(guān)組成,補償裝置不需要即時合分閘,通過設(shè)置程序,需要合閘時先通過副開關(guān)合閘,之后再合主開關(guān),而需要分閘時又先分開副開關(guān),再分開主開關(guān)。主開關(guān)是具有可控分合閘功能的空氣開關(guān),副開關(guān)是具有信號輸出功能的復(fù)合開關(guān),這樣可以延長動態(tài)無功補償裝置接觸器的使用壽命。

第二種方案:公用配電房和配電線路直接采用靜態(tài)無功補償裝置,采用大容量接觸器,同時搭配防諧器,降低接觸器合閘電流。動態(tài)無功補償裝置接觸器中的元件容易受諧波干擾而損壞,同時疊加的諧波電流也會造成控制器接觸點過熱燒熔,觸點不能分開:而直接采用靜態(tài)無功補償裝置,采用大容量接觸器可避免接觸點過熱燒熔現(xiàn)象。不過,當(dāng)負(fù)荷處于輕載或空載狀態(tài)時,控制器將無法投入小容量電容器,難免會導(dǎo)致負(fù)荷功率因數(shù)偏低。為防止輕載或空載時失去補償,設(shè)計自動補償模塊,設(shè)計原理圖如圖3所示。

2.5設(shè)計過電流保護(hù)裝置

由于配電線路不斷變化,系統(tǒng)參數(shù)也在變化,電容器防諧裝置需要改變參數(shù),防止諧波放大,同時為防止電容器因過流、過壓而損壞,甚至發(fā)生爆炸,設(shè)計了過電流保護(hù)裝置,以延長電容器壽命。

3結(jié)語

新型防諧裝置具有以下優(yōu)點:通過防諧裝置,防止諧波入侵補償裝置,減少控制器、接觸器和電容器的損壞,確保補償裝置正常投運:設(shè)計過電流保護(hù)裝置,防止諧波放大,引起電容器故障甚至爆炸。