利用电能质量谐波分析处理串联电抗器故障的应用

时间：2024-09-03

镇江供电公司周鹏黄涛朱志华

一、故障现象

110kV团结变10kVⅠ段电容器二160电抗器型号为CKSGQ-54/11/√3-4.5%，出厂日期为2005年1月，于2005-10-20正式投运。其技术参数如下：额定容量54kvar，额定端电压285.8V，额定电流63A，额定电抗率4.5%，额定电抗值4.537Ω。此电抗器于2011-04-14发生故障，电抗器A相线圈表面出现焦黄，为内部急剧过热所致。A相线圈已损坏，无法修复。

二、故障原因分析

10kVⅠ段电容器一、二（对应150、160开关）主要对团结变10kVⅠ段母线负荷进行补偿。

根据团结变线101、102电能质量测试结果分析（见表1、表2），主要存在5、7次谐波分量，其中5次谐波分量较大，然后为7次谐波分量，3次谐波分量较小。5次谐波电流最大值有37.71A，7次谐波最大值有14.94A。5次谐波离允许注入系统母线的国标值折算值53.39A已相差不远，说明5次、7次谐波在本段电网中还是较严重的。因此选择合理的电抗率对电容器组运行时的谐波谐振发生会有较大影响。

表1 101开关电能质量统计报表（电流）

表2 102开关电能质量统计报表（电流）

根据提供的该段线路的最小短路容量266.95MVA，电容器组的容量1200kVar，在电抗率4.5%时，发生5次谐波谐振的机率较大，计算如下：Qc=Sd*(1/n2-A)，其中Qc—发生n次谐振的电容器容量M var；Sd—电容器安装点的母线短路容量MVA；n—谐波次数；A—电抗器的电抗率。

计算：

此值已接近1200 kvar，当母线短路容量更大一点时，5次谐波发生谐振的可能是非常大的。

谐振发生时，会产生严重的谐波过电压，过电流，使电容器的发生损坏，外熔断器熔断，电抗器因过电压过电流产生严重的过热，损坏干式电抗器的固体绝缘，从而引起内部短路发生，损坏电抗器。

根据团结变线101、102电能质量测试结果分析，系统本身的谐波也对电抗器正常运行产生了影响。此电抗器为干式铁芯电抗器，磁回路在电抗器的硅钢铁芯内部，高次谐波对硅钢片的涡流损耗是与f2成正比的，所以当5次7次谐波较多时，电抗器的铁损会放大许多。电流中谐波电流较大也会加剧电抗器的损耗，发生电抗器的过热现象。

根据通常的滤波原理，当LC串联回路中，我们要求滤掉某次谐波时，则要求此回路的阻抗在某次谐波频率下为0，即在此LC串联回路中Xcn=XnL，其中Xcn=1/2πnfc；XL=2πnfL，Xnc-在n次谐波下的电容器阻抗；XnL-在n次谐波下的电抗器阻抗；Xc-在工频下的电容器阻抗；XL-在工频下的电抗器阻抗，则Xnc=Xc/n；XnL=XL*n，若Xcn=XnL，则Xc=n2XL，即XL/Xc=1/n2。此电容器组电抗器XL/Xc=4.5%=0.045，当n=5时，等式二边接近相等，也说明此电容器组接近于一个5次波的滤波装置，此电容器回路的阻抗对5次波接近于0，母线上的5次以上谐波都将于此电容器回路中吸收。故此电容器回路中的谐波电流将会是比较严重的。

当此电容器组从一个补偿装置成为一个滤波装置后，电抗器的性质发生了变化，原先的串联电抗器变成了滤波电抗器。从电抗器的设计上，补偿电容器中用的串联电抗器和滤波电抗器是不同的，滤波电抗器要充分考虑谐波的影响，要满足谐波电压和电流的要求，故在设计上铁芯和导线都是有非常大的余量的，当串联电抗器用作滤波电抗器用时，铁芯和线圈因谐波的原因会严重发热，损坏内部绝缘，过早地发生电抗器损坏。

团结变10kVⅠ段电容器二160电抗器CKSGQ-54/11/√3-4.5%，本身是2005年出厂的产品，绕制工艺为包绕式，用浸过树脂的玻璃丝和导线一起缠绕而成，经高温固化成一个整体。内部层间为B—F级的绝缘纸。耐热等级一般只有B级，能承受不高于70K的温升（加环境温度一般不超过100℃），此电抗器已使用了6年多，在此使用过程中肯定经受了长期的高温，内部绝缘已受损伤。当电容器投切操作或谐振过程中受到高电压冲击时，引起绝缘彻底损坏而击穿，引起层间导线的短路，从而产生高温，表面焦黄，线圈已损坏，无法修复。