引言

目前,低壓公用配電房和配電線(xiàn)路大多安裝有低壓動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置,但補(bǔ)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(xiàn)路的無(wú)功補(bǔ)償裝置并沒(méi)有投入運(yùn)行,導(dǎo)致供電功率因數(shù)低下。補(bǔ)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(hù)使用了大量非線(xiàn)性負(fù)荷,如居民家里用的照明裝置很多都會(huì)采用1ED燈和節(jié)能燈,1ED的電子開(kāi)關(guān)電源和節(jié)能燈都是諧波源,會(huì)產(chǎn)生大量高次諧波,這些諧波除了會(huì)導(dǎo)致補(bǔ)償裝置的控制器及接觸器產(chǎn)生誤動(dòng)和異常過(guò)熱損壞之外,高次諧波還會(huì)對(duì)補(bǔ)償電容器內(nèi)部產(chǎn)生過(guò)電流和過(guò)電壓損壞。

同時(shí),高次諧波還將消耗大量無(wú)功功率,如果無(wú)功功率不足,配電變壓器的損耗就會(huì)增大:配電線(xiàn)路由于線(xiàn)路長(zhǎng),會(huì)消耗大量無(wú)功功率,而無(wú)功功率不足,配電線(xiàn)路的損耗也會(huì)增大,終端用戶(hù)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(cè)試報(bào)告

2012-08-21T17:46,220kV某變電站10kV#1電容器組過(guò)流V段保護(hù)動(dòng)作,10kV#1電容器組571DR開(kāi)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(yàn)班對(duì)220kV某變電站10kV1M母線(xiàn)進(jìn)行了電能質(zhì)量測(cè)試,發(fā)現(xiàn)10kV1M母線(xiàn)2次、4次諧波電流數(shù)值較大。對(duì)變電站10kV1M母線(xiàn)所供電的10kV線(xiàn)路逐條進(jìn)行測(cè)試,發(fā)現(xiàn)10kV某R線(xiàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)2次、4次諧波電流較大,其中最大值接近國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)值:10kV某線(xiàn)實(shí)測(cè)諧波數(shù)據(jù)5次、7次諧波電流超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)值。

2012年9月19日一26日,對(duì)10kV某I線(xiàn)、10kV某線(xiàn)、客戶(hù)配變進(jìn)行跟蹤測(cè)量分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)10kV某I線(xiàn)供電的某廠產(chǎn)生的4次、5次諧波電流超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)值,且2次諧波電流較大:10kV某線(xiàn)供電的某廠產(chǎn)生的5次、7次諧波電流超過(guò)國(guó)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(yàn)班對(duì)#1電容器組進(jìn)行電氣試驗(yàn),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(yàn)項(xiàng)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(duì)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(yàn)收合格后,2014年10月30日10kV#1電容器組投入運(yùn)行,合閘時(shí)又發(fā)生不平衡電壓跳閘(兩次的動(dòng)作電壓都是29V左右）。

根據(jù)跳閘情況以及與設(shè)計(jì)、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(duì)電容器、放電線(xiàn)圈、電抗器、避雷器及高壓開(kāi)關(guān)重新進(jìn)行了絕緣試驗(yàn),同時(shí)對(duì)放電線(xiàn)圈進(jìn)行比差、角差和勵(lì)磁特性試驗(yàn)。以上全部試驗(yàn)數(shù)據(jù)正常,初步認(rèn)為一次設(shè)備沒(méi)有問(wèn)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(dòng)作,我所對(duì)以往某站電能質(zhì)量測(cè)試的結(jié)果以及跳閘時(shí)刻的相間電壓和諧波進(jìn)行了分析。

1.2.1用戶(hù)諧波測(cè)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(hù)普測(cè)中發(fā)現(xiàn)某站兩條10kV用戶(hù)專(zhuān)線(xiàn)諧波電流超標(biāo)。

(1）10kV1M母線(xiàn):10kV某線(xiàn)路F715,5次、7次諧波電流超標(biāo)（分別是42.81A和13.03A,計(jì)算限值分別為5.38A和4.74A）。母線(xiàn)諧波電壓總畸變率為2.93%（國(guó)標(biāo)4%）,三相電壓不平衡度和電壓偏差由于測(cè)試時(shí)實(shí)際接線(xiàn)方式為V接,未能進(jìn)行比較。

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

根據(jù)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)記錄,當(dāng)時(shí)10kV1M及2M并列運(yùn)行,#2電容器組也正常投入運(yùn)行,10kV母線(xiàn)的電能質(zhì)量情況是一樣的。10kV母線(xiàn)PT監(jiān)測(cè)的是10kV母線(xiàn)電壓情況,而放電線(xiàn)圈監(jiān)測(cè)的是電容器組內(nèi)部各相電容器的電壓,10kV母線(xiàn)電能質(zhì)量情況對(duì)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(cè)和分析。由于保護(hù)提供的信息非常少,甚至沒(méi)有電壓不平衡的具體相別,因此無(wú)法準(zhǔn)確判斷跳閘時(shí)的諧波情況,也無(wú)法判別是否是合閘電流所產(chǎn)生的電壓不平衡。

通過(guò)對(duì)以上兩個(gè)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(dòng)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(xiàn)路大多安裝有低壓動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置,但補(bǔ)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(xiàn)路的無(wú)功補(bǔ)償裝置并沒(méi)有投入運(yùn)行,導(dǎo)致供電功率因數(shù)低下。

2防諧型低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)

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

2.1設(shè)計(jì)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(dòng)沖擊以及諧波干擾,設(shè)計(jì)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(yùn)行,當(dāng)作用電壓超過(guò)一定幅值時(shí)避雷器總是先動(dòng)作,通過(guò)它自身泄放掉大量的能量,限制過(guò)電壓,保護(hù)電容控制保護(hù)器。電容控制保護(hù)器設(shè)計(jì)原理圖如圖1所示。

高頻情況下感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)足以抵消線(xiàn)圈的干擾,起到屏蔽的作用,當(dāng)頻率高到一定程度時(shí),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(hào)并將吸收的能量轉(zhuǎn)化成熱能耗散掉,在低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置中,低壓磁環(huán)用于抑制低次諧波干擾信號(hào)的通過(guò)。

2.2設(shè)計(jì)控制器防諧功能

無(wú)功補(bǔ)償控制器采樣電壓受諧波電壓影響,諧波干擾會(huì)導(dǎo)致控制器采樣信號(hào)不穩(wěn)定,并且控制器也經(jīng)常受過(guò)電壓沖擊而容易損壞,所以增加防過(guò)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(xiàn)圈防諧方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.3設(shè)計(jì)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(jì),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(xiàn),選擇負(fù)荷較大的用電時(shí)段通過(guò)便攜式電能質(zhì)量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置連續(xù)不間斷監(jiān)測(cè)獲得。一般配電房連續(xù)不間斷監(jiān)測(cè)1天即24h,用電負(fù)荷變化較大的配電房連續(xù)監(jiān)測(cè)7天或1個(gè)月。根據(jù)不同的諧波含量,設(shè)計(jì)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(guò)電流,為此設(shè)計(jì)了電容電流保護(hù)模塊,原理圖如圖2所示。

2.4設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置或靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償,兩種裝置都可以隨著負(fù)荷的變動(dòng)而自動(dòng)投切電容器。

第一種方案:動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置接觸器由主開(kāi)關(guān)和副開(kāi)關(guān)組成,補(bǔ)償裝置不需要即時(shí)合分閘,通過(guò)設(shè)置程序,需要合閘時(shí)先通過(guò)副開(kāi)關(guān)合閘,之后再合主開(kāi)關(guān),而需要分閘時(shí)又先分開(kāi)副開(kāi)關(guān),再分開(kāi)主開(kāi)關(guān)。主開(kāi)關(guān)是具有可控分合閘功能的空氣開(kāi)關(guān),副開(kāi)關(guān)是具有信號(hào)輸出功能的復(fù)合開(kāi)關(guān),這樣可以延長(zhǎng)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)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(xiàn)路直接采用靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置,采用大容量接觸器,同時(shí)搭配防諧器,降低接觸器合閘電流。動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置接觸器中的元件容易受諧波干擾而損壞,同時(shí)疊加的諧波電流也會(huì)造成控制器接觸點(diǎn)過(guò)熱燒熔,觸點(diǎn)不能分開(kāi):而直接采用靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置,采用大容量接觸器可避免接觸點(diǎn)過(guò)熱燒熔現(xiàn)象。不過(guò),當(dāng)負(fù)荷處于輕載或空載狀態(tài)時(shí),控制器將無(wú)法投入小容量電容器,難免會(huì)導(dǎo)致負(fù)荷功率因數(shù)偏低。為防止輕載或空載時(shí)失去補(bǔ)償,設(shè)計(jì)自動(dòng)補(bǔ)償模塊,設(shè)計(jì)原理圖如圖3所示。

2.5設(shè)計(jì)過(guò)電流保護(hù)裝置

由于配電線(xiàn)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(shí)為防止電容器因過(guò)流、過(guò)壓而損壞,甚至發(fā)生爆炸,設(shè)計(jì)了過(guò)電流保護(hù)裝置,以延長(zhǎng)電容器壽命。

3結(jié)語(yǔ)

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