一起由諧波引起變壓器過熱故障的分析及解決措施

程濤 CHENG Tao；王俊立 WANG Jun-li；龍云 LONG Yun

（天津市大港油田公司第六采油廠電力辦公室，黃驊 061100）

（Tianjin Dagang Oilfield Company No.6 Oil Production Factory Electric Power Office，Huanghua 061100，China）

一起由諧波引起變壓器過熱故障的分析及解決措施

程濤 CHENG Tao；王俊立 WANG Jun-li；龍云 LONG Yun

（天津市大港油田公司第六采油廠電力辦公室，黃驊 061100）

（Tianjin Dagang Oilfield Company No.6 Oil Production Factory Electric Power Office，Huanghua 061100，China）

本文從一起電纜（從電機到變頻器電纜）絕緣破損的故障引起的，通過深入對變頻器的內部結構和原理的探討，找出造成電源電力變壓器異響和異熱的原因，從而引申出諧波產生的原因和其在日常工作和生活中的危害，并對抑制諧波的幾種常用方法進行探討。

電力變壓器；交-直-交變頻器；變頻器諧波抑制

0 引言

在天津市大港油田公司第六采油廠由于部分油井高含蠟，高瀝青質的原因，因此在這些油井上常采用井底電加熱結合電機低轉速的工藝方式進行開采，所以變頻器在該單位應用十分廣泛。在現代工業調速傳動領域中，和以往機械調速不同的是，變頻器配合電機調速有很多機械調速無法比擬的優點，但是由于變頻器的工作特性，其逆變電路會對其他供電電源形成的典型的一個非線性負載產生的諧波。因此，變頻器是電力系統電網中最為重要的諧波源之一，也是對電能質量產生的重要影響。

1 故障發生經過

2012年10月下旬，筆者在單位抄表的過程中，發現羊16-16井的變壓器發出沉重、尖銳的鳴叫聲，且變壓器運行的溫度較高，達到60多度，當時以為變壓器內部繞組和鐵心問題，所以要求更換變壓器，更換完畢后，油井正常啟動，故障現象消失。但轉天早上，此井故障停機，經檢測，發現啟動柜電纜出線端絕緣破損。恢復絕緣后，油井正常運行。

2 故障原因的查找

這個故障從表現來看，只是變壓器發出沉重、尖銳的鳴叫聲，且變壓器運行的溫度異常，達到60多度，而電機在變頻器調速運行模式下，沒有受到影響能正常運行，運行電流在電機的額定電流以下。所以根據故障現象，針對造成變壓器過熱的原因進行分析，排查。一般造成變壓器過熱的原因有：變壓器超載運行、變壓器本身鐵芯、磁路、繞組故障，環境溫度過高，諧波等原因。

2.1 對變壓器進行檢查 ①停電后側量變壓器高低壓測的直流阻值，變壓器的高低壓繞組的直流電阻都符合規范，均不超過最小值的2%；②用2500vMΩ表測量變壓器的絕緣電阻，也均滿足技術要求；③切斷負荷，變壓器帶電運行，傾聽變壓器運行聲音，聲音是連續均勻的嗡嗡聲，且聲音較小，沒有其他雜音，運行溫度也較低，說明，造成變壓器鐵芯和繞組的原因已經排除。

2.2 對電機本體進行檢查 測量電機繞組的直流電阻。三相繞組的阻值分別為0.157Ω，0.159Ω，0.159Ω。各相繞組間的差值不大于最小相的2%，滿足電機規范，符合電機的技術要求。對電機三相繞組絕緣進行測量，在500vMΩ的測量下，均達到500歐姆以上，滿足電機的絕緣要求。空載運行，電流較小，且三相電流平衡。帶負載運行后，運行電流小于電機的額定電流。通過以上兩項檢查，可排除電機和負載故障引起的可能。

2.3 對變頻器進行檢查 打開變頻器外殼，檢查內部的電子元器件、線路板，沒有明顯的燒毀、鼓肚、虛接等現象，帶電后，空載運行正常。帶電機空載運行，變頻啟動柜電源側，負載側運行電流都較低。說明變頻器電路正常，可排除啟動柜故障引起的可能性。

2.4 對電纜的檢查 恢復絕緣后，電纜直流阻值、絕緣電阻正常。聯系到上文提到的電纜（從電機到變頻器電纜之間）雖然絕緣破損，但沒有造成電機和變頻控制柜停止工作，變壓器、變頻柜、電機帶病運行。且變壓器的運行聲比較尖銳均勻。這兩個因素說明由于變頻器出線端（負載側）阻抗發生畸變，雖然運行電流有效值變化不大，但波形發生畸變，造成高頻諧波竄入電源側，影響到了變壓器的正常運行，造成變壓器過熱。

3 故障原因分析

現場所使用的變頻器是采用交-直-交結構（如圖1所示），通過把工頻（頻率50Hz）變成直流后，再通過開關電路轉換成所需頻率的交流電源，通過電機轉速與頻率的關系公式n=60f/p，以實現電機的多轉速運行。根據公式，我們不難看出，電機的轉速變化和電源的頻率變化是呈線性關系的。變頻器是通過該原理將50Hz的工頻交流電通過的整流和逆變轉換為頻率的，其中可調交流電源的方向。變頻器輸入部分大多數為橋式整流電路部分，其中輸出部分是可控逆變電路部分，這些元件都是由非線性設備組成的，在進行接通和斷開過程中，其輸入端處和輸出端處都會有一定的高次諧波產生。特別熟變頻器輸入端的諧波還會產生輸入測配電線路對上級電網產生的不良影響。

圖1 一般通用變頻器為交－直－交結構

在用變頻器的輸出側產生的諧波主要是在逆變電路的輸出回路中，輸出電壓與輸出電流都會產生諧波。由于變頻器是通過設備CPU產生的6組大小脈寬可調整的SPWM波控制三相的6組功率元件通和斷，從而產生高壓信號和頻率信號，雖然可調但是不是標準的正弦波三相輸出電壓。所以，當電流流經負載電機時，由于電纜破損，絕緣降低，改變了變頻器輸出側的阻抗，與所加的電壓不呈線性關系加劇，就形成強烈的非正弦畸形波電流，從而產生諧波諧振。

產生的諧波諧振竄入電源側，強烈的諧波電壓的存在，增加了變壓器磁滯損耗、渦流損耗以及絕緣的電場強度，強烈的諧波電流的存在大大增加了銅損。諧波對供電線路產生了附加諧波損耗。由于電流集膚效應和鄰近的效應，使設備的電阻隨頻率的增加而增加，與此同時，也大大增加了變壓器熱損耗，使變壓器運行溫度急劇上升。

圖2 基波與高次諧波畸波

4 解決方案

現今主要抑制消除諧波的常用方式有四種：①在設備內部安裝諧波補償設備來進行諧波補償；②對電力系統設備自身元件進行改造，消除其產生諧波的可能，且功率因數控制在1左右；③在電源電網中安裝設備來抑制和消除諧波影響。具體做法有以下幾種：1）安裝匹配的電抗器。2）安裝匹配的濾波器。3）安裝多相脈沖整流設備。④通過規范安裝標準來減少或削弱變頻器諧波：1）當電機負載電纜其長度大于50米（無屏蔽時），為了防止電機在啟動時的瞬時過零電壓，在變頻器與電機負載之間安裝適當的交流電抗器；2）安裝具有隔離的變壓器，可以將來自電源側絕大部分的干擾擋在變壓器之前；3）通過合理布線，來屏蔽輻射，在電機負載和變頻器設備當中的電纜穿鋼管或用鎧裝電纜，并和其他的弱電信號線分開電纜溝敷設，降低干擾，變頻器還可使用專用接地線。

5 結論

變頻調速技術極大的提高了工作效率，但變頻器產生的諧波困擾給設備的穩定運行也相對產生了一定的影響，這是急需解決的最大難題。而將諧波危害控制在最小范圍內，避免電網諧波污染，以提高電源電能質量，將是今后工作中值得探索的方向。

[1]宋小剛.電力諧波治理方案[J].上海電力，2008(06).

[2]吳競昌主編.供電系統諧波[M].中國電力出版社,1998.

[3]鄭渠岸.電力系統諧波治理淺析[J].天津電力技術，2011(01).

Analysis of Transformer Overheating Caused by Harmonic Wave and Countermeasures

Based on a cable (from the motor to the converter cable)insulation damage fault,this article makes in-depth discussion on the internal structure and principle of the inverter,and finds out the causes of abnormal sound and heat of power supply power transformer,which lead to the causes of harmonic wave and its harm in daily work and life,and discusses several commonly used methods to restrain the harmonic wave.

power transformer；AC-DC-AC frequency converter；frequency converter harmonic suppression

程濤（1974-），男，四川儀隴人，助理工程師，研究方向為電氣自動化。

TM41

A

1006-4311（2014）15-0050-02