某型消磁電源補償電容故障分析和處理

王進金

(92601部隊,廣東 湛江 524009)

船舶在地磁場作用下，會產生與地磁場大小成正比的感應磁場。為提高船舶磁隱身性能，船舶需要安裝消磁系統實時對船舶感應磁場進行抵消。消磁電源屬于消磁系統一部分，受消磁系統控制,為消磁繞組供電,產生與感應磁場相互抵消的磁場。部分消磁電源采用變壓器-整流橋形式，具有重量輕、體積小、噪聲小等優點。同時對電網污染較大，需要加入濾波或諧波吸收裝置。本文就變壓器-整流橋形式的某型消磁電源內部補償電容實際工作中出現的故障進行分析并提出解決方法。

1 故障原因分析

1.1 消磁電源結構

某型消磁電源由三相變壓器、三相全控整流橋、補償電容等組成，消磁電源結構示意圖如圖1所示。三相變壓器將船舶電力系統中的三相380 V交流電降至三相220 V，同時提高副邊輸出電流，使消磁電源輸出滿足電流大(20～60 A)、電壓小(100～200 V)的特點。三相全控整流橋將變壓器輸出的三相220 V交流電整流成直流電為消磁繞組提供消磁電流。補償電容吸收變壓器作為非線性負載產生的高次諧波電流。

圖1 消磁電源結構示意圖

1.2 故障現象

某型消磁電源在運行過程中，變壓器內部突然冒出白煙。現場拆解故障變壓器，發現與變壓器并聯的CBB61型電容鼓包且內容物溢出，電容周圍出現碳化痕跡。經了解，這種現象出現較為頻繁，屬于常見故障。

1.3 原因分析

電容變形的根本原因是電容內部壓力無法釋放使外殼膨脹，一般電容內部壓力來自溫度和電擊穿。下面從3個方面分析引起電容溫度過高的原因。

1)船舶電力系統存在浪涌電壓使電容過電壓工作。船舶用電器存在大量電感負載和大型負載，接通或斷開這些負載會產生瞬時過電壓。CBB電容兩端直接與電力系統母線相連，若電力系統出現過電壓，電容將直接承受超過耐壓值幾倍甚至十幾倍的電壓值，導致電容被擊穿。CBB電容帶有自愈功能，在被電擊穿后仍能恢復正常，但容量和絕緣電阻會顯著減小，損耗角大幅度上升。電力系統存在的過電壓現象將導致電容反復被擊穿，最終電容變形失效。

2)船舶電力系統存在諧波引起諧振導致電容過電流工作。由于補償電容與變壓器并聯，變壓器繞組可近似看作一個電阻和電感串聯，補償電容和電感組成了一個并聯諧振電路[1]，變壓器原邊繞組與電容組成并聯諧振電路圖如圖2所示。

圖2 變壓器原邊繞組與電容組成并聯諧振電路圖

此諧振電路中，電路總阻抗Z(jω)為：

(1)

式中，j為虛數；ω為電壓角頻率；R為變壓器原邊電阻值；L為變壓器原邊等效電感值；C為補償電容容值。

(2)

(3)

式中，U為變壓器原邊電壓值。

以實際變壓器為例，L約為30 mH，C約為10 μF，工作頻率為50 Hz，計算得到發生諧振時流過電容的電流。諧振電流與基波電流比值如表1所示，由表1可知，發生諧振時流過電容的電流增大，且電力系統中諧波占比越高，電流越大[3]，最終使電容發熱嚴重導致膨脹失效。

表1 諧振電流與基波電流比值 %

3)電容工作環境溫度過高。此型變壓器長時間工作在封閉、高溫的艙室，缺乏通風散熱條件。CBB電容耐受溫度為-40℃～+85℃，個別高質量型號可耐受至+105℃，電容安裝在變壓器旁側，直接與變壓器外殼接觸，變壓器散發的熱量直接被電容吸收且電容工作自身也產生熱量，導致電容溫度升高，最終超出了耐受溫度，使電容變形。

2 解決方法

針對可能導致變壓器補償電容故障的原因，提出以下幾種解決辦法。

1)并聯浪涌保護器。在瞬態浪涌電壓未出現前，保護器呈現極高電阻，當瞬態浪涌電壓到來時，保護器迅速轉變為低電阻，將浪涌電流分流至保護器一端，同時將保護設備兩端電壓限制在較低水平，瞬態浪涌電壓過后，保護器又重新恢復高電阻狀態。浪涌保護器具體參數的選擇，根據變壓器額定電壓、額定電流以及補償電容耐壓值等決定。其缺點是浪涌保護器價格相對較高。

2)更換其它電容值的電容。利用設備測出電力系統中各次諧波的頻率，根據公式(2)計算出變壓器與補償電容組成的RLC并聯電路的諧振頻率，重新選擇電容值，使諧振頻率與電力系統中各次諧波的頻率相互錯開，使補償電容不受諧振影響。其缺點是沒有從根本上解決問題，一旦電力系統電壓再次發生畸變，很可能再次發生諧振燒毀電容。

3)安裝濾波器。選擇中心頻率為變壓器電容組成的RLC電路的諧振頻率，帶寬較大的有源或無源帶阻濾波器安裝在電力系統母線上，防止電力系統中特定頻率的諧波(主要是頻率與諧振頻率相當的諧波)流入變壓器引起電路諧振。其缺點是濾波器價格較高，安裝較復雜[4-5]。

4)增加冷卻措施。在變壓器工作場所安裝專門冷卻和溫控裝置對其進行冷卻，防止補償電容因溫度過高而膨脹失效。其缺點是經濟性較差。

5)消除船舶電力系統的諧波來源。通過對電能質量進行分析，查找出諧波源，并通過安裝有源或無源濾波器等消除諧波對電力系統的影響，從根本上解決補償電容被過電壓擊穿或諧振引起燒毀的故障。其缺點是耗時長，流程復雜，工作量大[6]。

3 故障實例

3.1 某船故障實例

某船船員報告消磁電源使用過程中變壓器內部冒出白煙，修理人員到現場勘驗后，發現該船消磁電源補償電容燒毀。利用FLUKE 437電能質量監測儀監測該船消磁電源電壓，得到其消磁電源電壓波形如圖3所示，其中UBC、UAB、UCA分別為電壓線B與C，A與B，C與A之間的電壓。某船消磁電源諧波分量如圖4所示。

圖3 某船消磁電源電壓波形

圖4 某船消磁電源諧波分量

從圖3可以看出，該船消磁電源電壓明顯出現了變形，且奇次諧波占比較大。同樣利用FLUKE 437電能質量監測儀監測同型號修理樣機，得到其消磁電源的電壓波形如圖5所示、諧波分量如圖6所示。與某型船消磁電源電壓波形比較可以看出，修理樣機消磁電源采用市電供電，其波形無明顯變形且諧波含量較少；某型船消磁電源采用船舶上的發電機供電，電壓波形明顯且奇次諧波含量較高。可以推斷該船消磁電源的補償電容由于諧波引發的諧振導致過流燒毀。

圖5 修理樣機消磁電源電壓波形

圖6 修理樣機消磁電源諧波分量

3.2 解決方法

由于船舶電力系統的復雜性以及船舶出航任務需要，修理人員對其采用更換電容的方法避開諧振頻率。經過測量，補償電容值為4 μF，變壓器等效電感約100 mH，諧振頻率約為250 Hz，更換后補償電容值為6 μF，更換后諧振頻率約為200 Hz，與電壓中的含量較大的5次諧波錯開。更換后，消磁電源長時間運行后電容未出現故障。

4 結束語

從文中分析可以看出，引起該故障的原因與船舶電力系統的電能質量有密切關系。由于船舶電力系統是一個獨立、小型、完整的電力系統，且有大量非線性負荷的存在，船舶電力系統的電能質量問題較為突出，此類型故障只是電能質量問題的一個片面反映。因此需要對船舶的電能質量進行監測，保證用電設備的安全運行。