谐波引起串联电抗器发热异常分析
谐波引起串联电抗器发热异常分析
变频器因具有调速方便、保护功能齐全等优点在油田内得到大量的应用，这些非线性负载产生的谐波引起电网电流、电压波形发生畸变，导致并联电容器补偿装置无法正常投运，串联电抗器发热、电容器烧毁频繁发生。
串联电抗器的主要作用是抑制高次谐波和限制合闸涌流[1]，防止谐波对电容器造成危害。但如果不考虑并联电容器接入母线处的谐波背景，任意组合串联电抗器和并联电容器，会发生谐波的放大和谐振。本文通过具体计算、现场谐波测试，分析塔河油田110kV十区变电站 串联电抗器发热的原因，并提出改进的措施。
一、情况简介
110kV十区变电站新装两套容量(1500 1500)kvar的电容器组，共分4组，每组容量1500kvar，选配电容器型号PhMKPM-6.6/1/500,单体容量500kvar,电容量33.17μF,额定电压12/ kV，额定电流24.06A。选配电抗器的电抗率为6%，型号:R7PM 10.0/3/1500，Qn90 kvar,电感量18.38mH,共4台。2013年8月16日投运1组1500kvar电容器组运行一周后，电抗器噪音增大，红外成像测温显示线圈和铁芯温度升高到106.1℃，红外成像测温图见图1。为避免电抗器烧损事故，遂将并联电容器组退出运行。分析认为电抗器发热可能由以下原因引起:A电抗器质量存在设计和工艺上的缺陷。B电网谐波引起。
图1 电抗器线圈和铁芯红外成像测温图
现场检查未发现电抗器压块松动现象，绝缘电阻、直流电阻和电抗值也都正常，电抗器不存在质量问题。十区变电站10kV配电线路带载大量使用变频器调速的400V电动机负荷，现场谐波测试后发现，在电容器组不投入的情况下，谐波电压总畸变率(THDV)95%概率大值为3.25%，其中5次谐波畸变率2.58%，7次谐波畸变率1.36%，11次谐波畸变率1.14%。谐波电流主要以5、7、11、13次谐波电流为特征谐波，其中5次谐波含量最大，达12.93A。谐波电压、电流频谱图见图2、图3。谐波电压、电流虽未超过GB/T14549-93标准限值要求，但已严重污染了电网。
二、电抗器发热计算分析
1.电容器组接入系统后高次谐波的状态
电容器组接入系统后的等值电路图[2](忽略电阻)见图4。式中，Xs为系统等值基波电抗，XL为串联电抗器基波电抗，XC为并联电容器基波容抗，n为谐波次数，In为谐波源注入回路的第n次谐波电流。在不同的谐波阻抗条件下，当时，电容支路串联谐振，即表示并联电容器装置与电网在第n次谐波发生串联谐振。
当时，系统和电容支路并联谐振，即表示并联电容器装置与电网在第n次谐波发生并联谐振，并可推导出电容器装置的谐振容量QCX为式中,Sd为并联电容器装置安装处的母线短路容量(MVA), QCX为发生n次谐波谐振的电容器容量(Mvar), K为电抗率。
根据文献[3]，计算十区变10kV母线上发生3次、5次谐波谐振的电容器容量(电抗率为6%)。将表1中有关参数代入式(4)，得3次、5次谐波谐振的电容器容量分别为由此可见，1500kvar的电容器组配置电抗率为6%的串联电抗器不会发生3次、5次谐波并联谐振。
3. 谐波电压放大分析
为了便于分析，忽略系统谐波电阻及负载谐波电阻，引入谐波电压放大率KVN, KVN为并联电容器支路电压与系统谐波电压之比。从图4可知KVN= UCLn/Un，根据式(1)、(2)、(3)推导出式中,Sd为并联电容器装置安装处的母线短路容量(MVA), QCN为电容器容量(Mvar), K为电抗率, n为谐波次数。电抗率为6%时，将有关参数代入式(5)，计算1500kvar电容器组对1～11次谐波电压放大率KVN，见表2。表2配置6%电抗器的1500kvar电容器组对1～11次谐波电压放大率电抗率K谐波电压放大倍数。
从计算结果可以看出,1500kvar电容器组对3次谐波电压放大率KVN为1.18，对5次谐波电压放大率KVN为0.72。为验证理论计算的价值， 110kV十区变再次投入1组1500kvar电容器组后进行谐波测试，谐波电压总畸变率(THDV)为4.95%，其中3次谐波电压畸变率3.92%，5次谐波电压畸变率2.28%，现场实测谐波数据见图5。电容器组投入运行后，产生了3次谐波放大，超过GB/T14549-93标准3.2%的限值[4]。
三、串联电抗器发热异常分析
综合计算及现场谐波测试数据分析，串联电抗器发热的原因是电容器组投入运行后，产生了3次谐波放大，即使比例不大的谐波电流，也增大了电抗器铁芯磁滞损耗和涡流损耗，引起电抗器绕组和铁芯发热达106.1℃。
四、 串联电抗器改进措施
由此可见，1500kvar的电容器组配置电抗率为12%的串联电抗器不会发生3次、5次谐波并联谐振。将串联电抗器更换为相同额定容量、额定电流，电抗率为12%的电抗器后，设备运行良好。
五、结束语
总结本次电抗器发热异常的理论计算和实测数据结果，今后在新建变电站电容器组装置选择串联电抗器时，需考虑装置接入处的谐波背景，校核接入系统的电容器组是否会发生有害的并联谐振、串联谐振和谐波放大，避免设备投运后可能发生的发热、烧毁事故。