李國(guó)欣，婁趙偉，李浩

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，江蘇徐州221000）

0 引 言

近幾年，電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量越來(lái)越受到廣泛的重視，為了最大限度地消除電網(wǎng)中電壓與電流的高次諧波所引起的電容器故障，在電容器的回路中串聯(lián)接入電抗器，可以影響回路的參數(shù)，繼而改變系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)［1］，此方法已被普遍采用，并具有很好的效果。目前電網(wǎng)中，常見(jiàn)的電抗器接入系統(tǒng)的方式分為兩種，既并聯(lián)和串聯(lián)。串聯(lián)電抗器通常起到限流作用，并聯(lián)電抗器則經(jīng)常用于無(wú)功補(bǔ)償［2］。在220 kV，110 kV，35 kV及10 kV的電力系統(tǒng)中電抗器是用來(lái)吸收電纜線路的充電容性無(wú)功的。

筆者參與了一起110 kV某變電站的3號(hào)電容器組串聯(lián)電抗器的發(fā)熱問(wèn)題分析，通過(guò)對(duì)變電站的電抗器運(yùn)行情況的實(shí)地調(diào)研，提出了三點(diǎn)可能原因，結(jié)合電能質(zhì)量測(cè)試評(píng)估方法，進(jìn)行有關(guān)電容器的理論分析，并參考相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，找出了電抗器運(yùn)行過(guò)程中溫度過(guò)高的原因。此工程案例所提出的方法具有一般適用性，相對(duì)于從理論上對(duì)電抗器發(fā)熱問(wèn)題做出的分析應(yīng)對(duì)，該方法從實(shí)地勘查、理論分析與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)分析三個(gè)角度排查電抗器溫度過(guò)高的事故原因，較為全面仔細(xì)。此法對(duì)于變電站中日常運(yùn)行的電抗器溫升過(guò)高問(wèn)題的研究與分析有很好的借鑒意義。同時(shí)，筆者提出了該110 kV變電站電抗器日常運(yùn)行時(shí)防止出現(xiàn)溫升過(guò)高的相關(guān)建議及對(duì)策，確保電抗器安全穩(wěn)定地運(yùn)行。

1 發(fā)熱事故概況

變電站10 kV II段母線上接有3號(hào)電容器，電抗率為 5%，串聯(lián)電抗器額定電流 315 A，感抗值1.031。在III段母線上的4號(hào)電容器，電抗率為5%，串聯(lián)電抗器額定電流157.5 A，感抗值2.062。

該變電站的運(yùn)行人員，巡視中發(fā)現(xiàn)投運(yùn)的3號(hào)電容器的串聯(lián)電抗器出現(xiàn)溫度過(guò)高的現(xiàn)象?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員對(duì)3號(hào)電容器進(jìn)行紅外測(cè)溫，當(dāng)時(shí)裝置環(huán)境溫度為10℃左右，電抗器表面溫度為80℃左右，4號(hào)電容器表面溫度為68℃，3號(hào)電容器串聯(lián)電抗器溫度明顯高于4號(hào)電容器的串聯(lián)電抗器的溫度。在“0901-蘇電生〔2009〕108號(hào)【關(guān)于印發(fā)《提高變電站并聯(lián)電容器裝置運(yùn)行可靠性的指導(dǎo)意見(jiàn)》的通知】”中指出：串聯(lián)電抗器溫升超過(guò)60 K時(shí)，或與相鄰相對(duì)比溫差明顯異常時(shí)，應(yīng)及時(shí)處理。

分析認(rèn)為造成電抗器發(fā)熱的可能原因有如下幾點(diǎn)：

（1）電抗器的質(zhì)量不過(guò)關(guān)，存在設(shè)計(jì)和工藝生產(chǎn)上不過(guò)關(guān)；

（2）變電站的電能質(zhì)量特別是諧波引起的電抗器發(fā)熱；

（3）正常投運(yùn)時(shí)，外來(lái)異物堵塞電抗器的氣道，導(dǎo)致電抗器不能及時(shí)散熱，造成其溫升過(guò)高；

筆者在現(xiàn)場(chǎng)仔細(xì)觀察后，電抗器在裝設(shè)前經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的檢查與測(cè)試，不存在電抗器的設(shè)計(jì)生產(chǎn)上的質(zhì)量不過(guò)關(guān)。鑒于此，進(jìn)一步懷疑電抗器溫升過(guò)高應(yīng)該是由于變電站的電能質(zhì)量特別是諧波引起的。

2 電容器組諧波放大原理

當(dāng)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行有2組既3號(hào)和4號(hào)電容器，其中3號(hào)電容器組串聯(lián)電抗器銘牌感抗值1.031 Ω，容抗值為20.62Ω；4號(hào)電容器組串聯(lián)電抗器銘牌感抗值2.114Ω，容抗值42.28Ω。以上容抗值均是按電抗率k＝5%計(jì)算得到的。

在該變電站中，系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)投運(yùn)的電容器組構(gòu)成的示意圖如圖1所示。In：諧波源電流；T：系統(tǒng)變壓器；C：電容器組；L：串聯(lián)電抗器；R：負(fù)荷支路。

同系統(tǒng)負(fù)荷阻抗值相比，系統(tǒng)短路阻抗值很小，所以對(duì)于負(fù)荷支路，可以忽略不計(jì)；又由于系統(tǒng)電抗遠(yuǎn)大于系統(tǒng)電阻（即XS?RS），所以系統(tǒng)電阻也可忽略不計(jì)。因此，運(yùn)行的兩臺(tái)電容器組和系統(tǒng)的阻抗可以等效電路如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)運(yùn)行示意圖Fig.1 Schematic diagram of system operation

圖2 等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit diagram

圖2中Ic3n為流入3號(hào)電容器組支路的n次諧波電流；Ic4n為流入4號(hào)電容器組支路的n次諧波電流；Isn為流入系統(tǒng)的n次諧波電流；In為n次諧波源電流；n XL3為3號(hào)電容器組n次諧波串聯(lián)電抗；n XL4為4號(hào)電容器組n次諧波串聯(lián)電抗；n Xs為系統(tǒng)n次諧波短路感抗；Xc3/n為3號(hào)電容器組 n次諧波容抗；Xc4/n為4號(hào)電容器組n次諧波容抗。

根據(jù)圖2，可以計(jì)算電容器組各個(gè)支路諧波電流放大系數(shù)，如式（1）和式（2）：

式中 X′3＝nXs//（nXL4－Xc4/n）。

式中 X′4＝nXs//（nXL3－Xc3/n）。

系統(tǒng)諧波電流的放大系數(shù)的計(jì)算如式（3）所示：

式中 X′＝（nXL3－Xc3/n）//（nXL4－Xc4/n）。

由于3、4號(hào)電容器的電抗率K3＝K4＝5%，能夠消除5次及以上諧波。2臺(tái)電容器組的對(duì)外等值支路也可用一個(gè)等值感抗和等值容抗來(lái)表示［3］，經(jīng)計(jì)算等值感抗XL＝0.683Ω，等值容抗值XC＝13.76 Ω，等值電抗率K＝5%。

計(jì)及諧振對(duì)電容器組的影響，經(jīng)計(jì)算，分列運(yùn)行時(shí)二號(hào)主變10 kV側(cè)大方式和小方式的短路阻抗值分別為0.337 255Ω、

0.557 424Ω。當(dāng)2臺(tái)主變并列運(yùn)行時(shí)10 kV側(cè)大方式和小方式情況下短路阻抗值分別為0.167 322 Ω、0.272 715Ω。

根據(jù)系統(tǒng)短路阻抗和電容器組阻抗，計(jì)算得出：2臺(tái)主變并列運(yùn)行時(shí)，大方式下諧振次數(shù)為4.01，小方式下諧振次數(shù)為3.79；2＃主變單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，大方式下諧振次數(shù)為3.67，小方式下為3.33。

綜合考慮諧振影響，得到不同諧振源及不同運(yùn)行方式下的3、4、5次諧波放大系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 不同運(yùn)行方式及不同諧振源下的諧波放大系數(shù)計(jì)算結(jié)果Tab.1 Calculation results of amplification factors under different operation modes and different resonance sources

根據(jù)理論計(jì)算，在變壓器并列大方式運(yùn)行情況下會(huì)造成4次諧波放大。由于一般4次諧波較少，因此按5%電抗率進(jìn)行配置正常情況下可不考慮諧振問(wèn)題。

3 電能質(zhì)量測(cè)試與分析

該變電站10 kV母線上線路較多，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中存在諧波的影響可能性大，會(huì)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備造成影響。為探究電抗器發(fā)熱原因，決定對(duì)電容器所在的相關(guān)線路及支路進(jìn)行電能質(zhì)量測(cè)試分析，關(guān)注的重點(diǎn)是諧波的變化。

筆者采用專業(yè)測(cè)試儀器在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)相關(guān)線路及支路進(jìn)行測(cè)試。在測(cè)試時(shí)間內(nèi)，3號(hào)電容器基波電流最大值依次為A相334.17 A、B相334.28 A和C相333.99 A，均已超過(guò)額定電流（315 A）運(yùn)行。根據(jù)JB/T 5346-1998《串聯(lián)電抗器》規(guī)定：電抗器應(yīng)能在工頻電流為1.35倍額定電流的最大工作電流下連續(xù)運(yùn)行［4］；說(shuō)明此電抗器運(yùn)行在允許電流范圍內(nèi)。

另外，根據(jù)JB/T 5346-1998《串聯(lián)電抗器》規(guī)定：電抗器應(yīng)能在三次和五次諧波電流含量均不大于35%，總電流方均根值不大于1.2倍額定電流的情況下連續(xù)運(yùn)行［4］。由計(jì)算得到，A、B、C三相 3、5次諧波電流含量分別為11.64%、11.20%和13.26%，均在35%的范圍內(nèi)，且三相電流方均根值分別為337.71 A、336.87 A和337.18 A，都低于1.2倍額定電流值，是允許連續(xù)運(yùn)行的。

為直觀判斷電容器組運(yùn)行對(duì)諧波的影響，對(duì)3號(hào)電容器和4號(hào)電容器進(jìn)行了切除操作，圖3為3號(hào)電容器切除時(shí)的102開(kāi)關(guān)諧波含量趨勢(shì)圖。

從圖中可以看出，在3號(hào)電容器切除時(shí)刻的前后十分鐘內(nèi)，各次諧波含量中，5次諧波含量變化較大，其余各次并沒(méi)有明顯的變化［5］，說(shuō)明實(shí)際運(yùn)行的電容器對(duì)5次諧波起到了較明顯濾除作用，諧波并沒(méi)有被放大［6］。4號(hào)電容器切除時(shí)103開(kāi)關(guān)諧波含量趨勢(shì)與圖3類似，因此不再贅述。

圖3 10 kV 102開(kāi)關(guān)2-7次諧波趨勢(shì)圖Fig.3 Trend diagram of 10 kV 102 switch 2-7 sub harmonic

4 建議與對(duì)策

現(xiàn)場(chǎng)用同樣的方法對(duì)4號(hào)電容器進(jìn)行電能質(zhì)量檢測(cè)，在測(cè)試時(shí)間內(nèi)，3號(hào)電容器和4號(hào)電容器運(yùn)行環(huán)境相同，負(fù)載率和諧波比例基本一致，但4號(hào)電容器串聯(lián)電抗器溫升正常，無(wú)過(guò)熱現(xiàn)象，而3號(hào)所串電抗器溫升過(guò)高。排出了變電站的電能質(zhì)量特別是諧波引起的電抗器發(fā)熱的事故原因。

通過(guò)上述過(guò)程的排查與檢測(cè)，最終得出結(jié)論：由于電抗器長(zhǎng)時(shí)間投入使用，缺少必要的維護(hù)與清理，外來(lái)異物堵塞電抗器的氣道，導(dǎo)致其無(wú)法正常散熱，最終造成電抗器溫升過(guò)高，致使電抗器發(fā)熱［7］。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的3號(hào)電容器串聯(lián)電抗器的溫升超標(biāo)問(wèn)題，筆者提出以下建議與對(duì)策：

（1）3號(hào)電容器串聯(lián)電抗器發(fā)熱明顯，存在運(yùn)行安全隱患，建議對(duì)其進(jìn)行更換或請(qǐng)制造廠家進(jìn)行改造，如：降低鐵芯的Bm值，或者換高牌號(hào)的硅鋼片，使其溫升符合供電公司要求；

（2）在現(xiàn)有條件下，更換電抗器柜體板門結(jié)構(gòu)為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)通風(fēng)，可以在氣溫較高的情況下，增加一定數(shù)量的風(fēng)扇。以降低柜內(nèi)環(huán)境溫度；

（3）定期對(duì)3號(hào)電容器所在線路及變電站相關(guān)線路進(jìn)行電能質(zhì)量檢測(cè)分析，防止因電能質(zhì)量問(wèn)題，特別是諧波引起電抗器的異常發(fā)熱；

（4）現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員加強(qiáng)3號(hào)電容器的巡視和測(cè)溫，一旦出現(xiàn)異常溫升或溫度過(guò)高，應(yīng)立即停運(yùn)檢查。

5 結(jié)束語(yǔ)

電抗器是變電站應(yīng)用較多的電力系統(tǒng)元件，也是其重要的基礎(chǔ)元件。鑒于本次工程實(shí)例，今后，在變電站為新建電容器組選擇串聯(lián)電抗器時(shí)，需考慮裝置接入處的諧波背景［8］，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［9］，將設(shè)備投運(yùn)后，發(fā)生的發(fā)熱或燒毀事故的概率，降到最低。電抗器的使用應(yīng)該嚴(yán)格按照國(guó)家和地方標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行采購(gòu)安裝，否則容易導(dǎo)致溫升超標(biāo)進(jìn)而影響電抗器工作效率。嚴(yán)格執(zhí)行電抗器的相關(guān)運(yùn)行技術(shù)要求，保證電力網(wǎng)安全有效地運(yùn)行［10］。