電氣設(shè)備過負(fù)荷的經(jīng)濟(jì)解決方案

【摘 要】通過對(duì)事故的原因分析，供電線路發(fā)熱的解決方案及相應(yīng)經(jīng)濟(jì)效益的思考。

【關(guān)鍵詞】無功補(bǔ)償；諧波；功率因數(shù)；過負(fù)荷

0.引言

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展和用電負(fù)荷的不斷增加，越來越多的非線性負(fù)荷接入電網(wǎng)，電力系統(tǒng)中的諧波及閃變問題越來越來突出。

中國(guó)重汽濟(jì)南橋箱公司沖焊車間西中頻爐鋁制母線近期頻繁短路。8月11日、8月20日、9月5日連續(xù)發(fā)生3次短路故障，母線溫度長(zhǎng)期維持在60-80℃之間；工作狀態(tài)儀表顯示最大相電流1400A以上；多次頻繁故障嚴(yán)重影響生產(chǎn)，故提出相應(yīng)方案，效果明顯且具有值得推廣的經(jīng)濟(jì)效益。

1.故障原因及對(duì)策

1.1故障信息收集

配電室：變壓器容量2000KVA，組別DYn11；集中補(bǔ)償800KVAR，低壓供電線路出現(xiàn)：東中頻、西中頻、壓力機(jī)、照明。

設(shè)備：750KW中頻電源，中頻出線電壓500V，額定電流1500A

供電線路線路：額定電流1600A密集型硬鋁母線，80米4（4*185+1*95）電纜20米。

滿負(fù)荷運(yùn)行經(jīng)集中補(bǔ)償后功率因數(shù)0.85；故障線路cosψ=0.66，儀表顯示三相最大電流1400A以上。

鉗形萬用表測(cè)量故障線路電流互感器電流2-9A不等。（互感器變比4000/5）

最近3次故障均為相間短路，分布于不同段間，但故障點(diǎn)均位于連接器附近，短路發(fā)生之前溫度長(zhǎng)期超過60℃。

拆解故障母線：母線主要采用1mm厚聚四氟乙烯定向薄膜作為絕緣材料，為密集型封裝；灼穿點(diǎn)附近絕緣薄膜板結(jié)、碎化。

整改前三相電壓、電流值：A：227V， 1406A B：227V， 1391A C：226V， 1421A

故障發(fā)生前故障點(diǎn)附近溫度：故障點(diǎn)一：72℃；故障點(diǎn)二：74℃；故障點(diǎn)三：73℃；故障點(diǎn)四：69℃。

1.2故障分析

諧波不僅導(dǎo)致電氣設(shè)備壽命縮短、網(wǎng)損加大、系統(tǒng)發(fā)生諧波諧振的可能性增大，亦會(huì)引起電氣設(shè)備絕緣壽命的縮短，進(jìn)而發(fā)生相地或相間短路故障。

由于故障線路為實(shí)心板質(zhì)鋁材，而本段母線設(shè)計(jì)電流額定值偏小。諧波的集膚效使電流集中在導(dǎo)體表面流過，造成線路額定電流的 “過負(fù)荷”，進(jìn)而影響運(yùn)行母線溫度升高，停機(jī)后母線溫度下降產(chǎn)生熱脹冷縮效應(yīng)，連接片松動(dòng)，加劇溫升攀高，隨著時(shí)間推移絕緣老化加速，伴隨著壓力機(jī)的震動(dòng)，部分板結(jié)絕緣薄膜脫落，最終導(dǎo)致短路故障發(fā)生。

4000/5互感器經(jīng)鉗形萬用表檢測(cè)后數(shù)據(jù)為3-9A，9A這一數(shù)字跟互感器的額定電流有出入，眾所周知互感器一次側(cè)通過范圍內(nèi)的任意電流，二次側(cè)電流值應(yīng)保持在5A以內(nèi)，而測(cè)量數(shù)據(jù)顯示9A，初步推斷為諧波干擾測(cè)量結(jié)果；采用帶有屏蔽功能的檢測(cè)設(shè)備后測(cè)量數(shù)值穩(wěn)定在5A以下，而儀表所帶互感器變比已被鎖死，故受諧波影響不明顯，顯示數(shù)據(jù)可用，經(jīng)精密電能質(zhì)量分析儀測(cè)量誤差在允許范圍內(nèi)。

1.3解決方案思路

由于該段線路發(fā)生多次短路故障，灼傷點(diǎn)經(jīng)打磨，母線截面積減小，相應(yīng)載流量下降，只能削減諧波的同時(shí)增大線路載流量或降低線路電流。

增大線路載流量：線路更換為2000A以上硬母線。優(yōu)點(diǎn)是過載能力強(qiáng)、有利于后期擴(kuò)容；缺點(diǎn)是開關(guān)容量需與母線容量匹配、投資大、施工周期長(zhǎng)，整改費(fèi)用45萬左右。

濾除諧波、降低線路電流：安裝就地補(bǔ)償部分消諧設(shè)備。降低了線路實(shí)際通過電流，削減了主要諧波量。優(yōu)點(diǎn)是投資小、便于安裝；缺點(diǎn)是增加維護(hù)量、有一定風(fēng)險(xiǎn)（如不隨中頻設(shè)備同時(shí)開啟或故障，此段母線回到事故前隱患狀態(tài)），整改費(fèi)用8萬左右。

2.方案分析

從經(jīng)濟(jì)與實(shí)際效果角度，應(yīng)選擇濾除諧波、降低線路電流方案，安裝就地補(bǔ)償部分消諧設(shè)備，以消除3次及3的倍數(shù)的諧波為主，設(shè)備全開補(bǔ)償功率因數(shù)至0.8-0.9即可。

2.1計(jì)算方法

功率因數(shù)從0.66提高至0.9以上；按照公式Q=√3*U*I*sinΦ；S=P/cosΦ；Q=P*tanΦ計(jì)算。

補(bǔ)償容量缺口約為500KVAR，由于設(shè)備為間斷性負(fù)荷，所需無功補(bǔ)償量在持續(xù)增長(zhǎng)至最高點(diǎn)后，隨著處理件的推出，負(fù)荷降低，相應(yīng)的所需補(bǔ)償量開始回落，故只要保證滿載運(yùn)行時(shí)cosψ=0.9即可。故采用分組試211的投切方式：在中頻爐啟動(dòng)時(shí)將第一組200 Kvar電容器組投入，保證在啟動(dòng)到加載過程中保持在較高值；隨著負(fù)荷增大，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)情況自動(dòng)將第二組第三組150Kvar電容器組陸續(xù)投入，使系統(tǒng)始終保持在適當(dāng)功率因數(shù)值之內(nèi)。

2.2設(shè)計(jì)要求

（1）應(yīng)滿足國(guó)家、行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，具備“五防”的要求；（2）銅排的連接部分必須搪錫；（3）各母線的連接應(yīng)良好，絕緣支撐件、安裝件及其它附件安裝應(yīng)牢固可靠；（4）每段母線上的兩臺(tái)電容器柜一套自動(dòng)補(bǔ)償儀同時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、手動(dòng)功能；（5）電容器裝置采用可控硅動(dòng)態(tài)無功功率補(bǔ)償器；（6）觸發(fā)器：采用光電觸發(fā)技術(shù)。

2.3設(shè)備主要參數(shù)

選用山大華天HTEQ-V31-0.4/480補(bǔ)償消諧柜。

（1）額定電壓0.4kV；（2）額定頻率50Hz；（3）電容允許偏差0- +5%；（4）三相電容不平衡度≤2%；（5）接線方式角形接線；（6）所配電抗器電抗率6%；（7）補(bǔ)償方式動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償，抑制部分3次及其倍數(shù)諧波；（8）保護(hù)功能：缺相、短路、過電壓、過流、欠壓、過熱。

3.整改效果

本方案是專為沖焊中頻爐濾波補(bǔ)償設(shè)計(jì)的，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情及設(shè)計(jì)原則，濾波補(bǔ)償裝置的作用有四個(gè)：

（1）消諧作用：針對(duì)3次特征諧波電流進(jìn)行支路濾波，從根本上解決母線的集膚發(fā)熱效應(yīng)和燒毀問題，延長(zhǎng)用電設(shè)備及母線的使用壽命。

（2）增加一項(xiàng)節(jié)能項(xiàng)目：設(shè)計(jì)濾波裝置，吸收和抑制諧波源設(shè)備產(chǎn)生的諧波電流、諧波電壓，投入濾波設(shè)備后，在條件不變、同等產(chǎn)量的情況下，節(jié)能3-5%左右。

（3）降低運(yùn)行線路溫升：削減諧波的同時(shí)，消除表層“過負(fù)荷”的現(xiàn)象，保證線路溫升的下降。

（4）提高整個(gè)系統(tǒng)的功率因數(shù)，使考核點(diǎn)的平均功率因數(shù)達(dá)到預(yù)期要求，有效降低電流或者說提高變壓器的負(fù)載能力。

3.1測(cè)試效果對(duì)比

測(cè)試時(shí)間：2011年9月19日

測(cè)試儀器：DZ-4A電能質(zhì)量分析儀、AR330紅外測(cè)溫儀

測(cè)量方法：DZ-4A電能質(zhì)量分析儀通過PT和CT對(duì)0.4kV中頻設(shè)備供電線路電流和電壓進(jìn)行采樣和分析，從而得到實(shí)時(shí)數(shù)值及其波形數(shù)據(jù)； AR330紅外測(cè)溫儀據(jù)測(cè)量點(diǎn)1M內(nèi)進(jìn)行溫度檢測(cè)。

儀器測(cè)量方式：DZ-4A電能質(zhì)量分析儀測(cè)量方式是在3秒鐘內(nèi)對(duì)3相電壓和3相電流信號(hào)進(jìn)行6次同步等間隔采樣，利用FFT分析出這6次采樣的測(cè)量結(jié)果，然后進(jìn)行方均根處理，這樣可以區(qū)分暫態(tài)現(xiàn)象和諧波。處理結(jié)果作為一個(gè)采樣樣本，按照設(shè)定的定時(shí)區(qū)間進(jìn)行定時(shí)采樣記錄，記錄結(jié)果用后臺(tái)機(jī)程序分析整理統(tǒng)計(jì)；AR330紅外測(cè)溫儀直接讀取數(shù)據(jù)。

統(tǒng)計(jì)分析方法：DZ-4A電能質(zhì)量分析儀在設(shè)定的時(shí)間段內(nèi)對(duì)所選擇的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，分析出各次諧波電壓和電流的最大值、最小值、平均值、參考值（即95%概率值，其取法為：將各次測(cè)量值按從大到小的順序排列，去除總數(shù)的5%的較大值，取其剩余95%中最大的那個(gè)測(cè)量值作為代表值）；AR330紅外測(cè)溫儀選取4處故障點(diǎn)測(cè)試。

測(cè)試結(jié)果：整改前三相電壓、電流值：A：227V， 992A；B：226V， 1012A；C：225V， 994A

3.2結(jié)論

對(duì)比可看出整改前后電壓、電流雖然波形不完全是正玄波，但濾波效果顯著改善，實(shí)測(cè)電流整改后線路電流下降400A以上，線路損耗降低，溫升降低；經(jīng)過本次整改滿足了設(shè)備負(fù)載、線路要求，運(yùn)行至今未發(fā)生事故。

4.結(jié)束語

由于中頻爐是諧波源設(shè)備之一，諧波含量較為嚴(yán)重，如果單獨(dú)只做補(bǔ)償，一般的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)、就地?zé)o功補(bǔ)償，解決不了諧波問題，而且有的無功補(bǔ)償還會(huì)帶來一定副作用，放大諧波，強(qiáng)制性使用可能會(huì)引起系統(tǒng)諧振，使得諧波電壓和諧波電流畸變更為嚴(yán)重，過電流值較大，將影響電容器壽命和系統(tǒng)穩(wěn)定性，造成功率因數(shù)偏低.所以根據(jù)系統(tǒng)自身實(shí)際情況。

鑒于中頻電源設(shè)備諧波危害精密設(shè)備、功率較高的特點(diǎn)，可將多套中頻設(shè)備與諧波影響較輕的設(shè)備共用一條供電母線，針對(duì)某些大功率設(shè)備采用就地補(bǔ)償外的方式，不僅使線路容量滿足了設(shè)備用電需求，而且降低了投資。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

[1]劉介才編.工廠供電（第四版）.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007，7.