勵磁涌流引起濾波電容器損壞原因分析及改進措施

石橫特鋼集團有限公司 孫富強 祝兆華 董金虎 姬廣盈

1 設備運行狀態簡要介紹

2022年11月，某公司軋鋼變電站投運，所帶負荷為煉鋼兩臺精煉爐、大型板材生產線。軋鋼變電站站內35kV 無功補償采用TCR+FC 型SVC 裝置，濾波支路采用2次、3次、4次濾波支路兼作補償。2次濾波支路為C 型高通濾波支路，達到拓寬頻帶，增加阻尼和減少電阻基波功率損耗的效果，3次及4次濾波支路均為單調諧濾波支路，達到最佳的濾波效果。SVC 裝置的容量及參數：某公司SVC 裝置包括掛接在35kV 母線的一組晶閘管控制電抗器（TCR），3組濾波支路。TCR 支路額定容量42MVar。2次濾波支路安裝容量12MVar，額定電流125A。3次濾波支路安裝容量24MVar，額定電流294.12A。4次濾波支路安裝容量24MVar，額定電流333.34A。2次、3次、4次濾波支路均投入中性點不平衡電流保護、過電壓保護、低電壓保護及過流保護、速斷保護功能。

2 事故概況

2022年11月25日21:34，軋鋼變電站報全站事故總信號，SVC 2次通道保護裝置報不平衡電流1跳閘，連鎖35kV SVC-TCR 2次R3005、3次R3007、4次R3011斷路器跳閘。SVC 跳閘時煉鋼1#精煉爐上精煉，SVC 2次通道保護裝置報不平衡電流1跳閘；查看故障錄波煉鋼精煉爐三相電流分別為A：605A；B：953A；C 相：626A。

2.1 繼電保護裝置動作記錄

2022年11月25日21:34:07 755ms，某公司軋鋼變電站SVC 系統H2次濾波器，電容器保護裝置出口跳閘，同時濾波設備運行現場安裝的視頻監控拍到保護裝置動作時2次濾波支路有閃光出現。H2次濾波支路保護裝置動作報文為：0ms 整組啟動、0671ms 不平衡電流1動作，不平衡電流動作值為：2.322A，時間0.671s；H2次濾波支路中性點電流互感器變比10/5。H2次濾波支路容量為12Mvar，額定電流125A，不平衡電流動作定值為：0.29A，時間0.5s，保護裝置正確出口動作。

2.2 現場檢查情況

跳閘后2022年11月26日，H2次濾波支路轉檢修，進行故障排查，現場發現H2次濾波支路A 相電容器有一臺鼓肚，同時發現A 相電阻器上部環氧樹脂板有較多爬電痕跡。

2.3 試驗情況

對A 相8臺電容器進行了試驗，鼓肚電容器電容值為1.23uF，偏離額定電容值約90%，其他7臺電容器電容值均在±5%正常范圍內。環氧樹脂板在表面擦拭干凈后，搖測絕緣電阻均合格。

3 事故時故障錄波數據分析

通過調取山大電力故障錄波的波形數據，事故分析如下：

一是煉鋼精煉爐投入后約100ms 2次濾波支路三相諧波電流含量分別為A 相2次諧波電流319A；B 相2次諧波電流278A；C 相2次諧波電流271A。煉鋼精煉爐投入后約100ms，精煉爐三相諧波電流含量分別為A 相2次諧波電流334A；B 相2次諧波電流286A；C 相2次諧波電流318A。可以看出精煉爐發出的勵磁涌流中2次諧波幾乎全被濾波支路吸收。

二是煉鋼精煉爐投入后約125ms 2次濾波支路三相諧波電流含量分別為A 相2次諧波電流34A；B 相2次諧波電流255A；C 相2次諧波電流255A。煉鋼精煉爐投入后約125ms，精煉爐三相諧波電流含量分別為A 相2次諧波電流241A；B 相2次諧波電流271A；C相2次諧波電流299A。可以看出該時刻B 相、C 相精煉爐勵磁涌流中2次諧波幾乎全部被濾波支路吸收，A相精煉爐發出2次諧波電流241A，2次濾波支路僅吸收諧波電流34A，說明此時，A 相濾波支路調諧發生變化，推斷該時刻A 相已發生電容器單元損壞問題。

實際了解故障時的生產工況：煉鋼精煉爐變壓器合閘準備生產。煉鋼精煉爐變壓器合閘發出較大二次諧波，符合變壓器勵磁涌流二次諧波含量較大的特征，二次諧波含量最大值達到330A，產生的2次諧波被2次濾波支路全部吸收，煉鋼精煉爐變壓器空投后大概125ms，2次濾波支路A 相電容器出現單元故障導致A 相參數偏調，吸收2次諧波能力大幅降低。

4 電容器擊穿及閃光結論分析

一是由以上的工況和錄波波形數據分析判斷為：由于煉鋼精煉爐空投的勵磁涌流含有大量2次諧波電流，2次諧波流入2次濾波支路，導致A 相電容器薄弱元件擊穿，進而進一步增加電容器極間端電壓，進而引發電容器擊穿故障。

二是電阻器上出現的閃光分析原因是：電容器正常時，濾波電阻上的基波電壓接近零，在2次諧波超大，電容器內部元件擊穿的情況下，電阻上的電壓增加，電壓達到一定數值，環氧板表面污漬也較多，天氣潮濕，將會引起爬電現象產生，這和環氧樹脂板外觀的表現是一致的，不是明顯的燒痕。

5 采取的措施如下

為了防止再次發生電容器擊穿事故，設計院提出把2次濾波電抗器偏調到最大，發生涌流時降低2次諧波流入，防止諧波或者涌流過大對電容器的損害，并對此措施進行仿真分析，仿真分析如下。調節電抗器值仿真分析：設備參數見表1。

表1 SVC 各濾波支路電容器參數

表2 SVC 各濾波支路電抗器參數

表3 電抗器電感值調整前后值及調諧點

仿真：假設負荷產生的諧波電流2次20A，3次20A，4次20A。建立仿真模型進行仿真分析。

當2次濾波電抗器按照2次諧波調諧時，電感值為額定電感值23.72mH，2次諧波調諧頻率為100Hz，流入供電系統的諧波電流為7.9A。流入2次濾波支路的2次諧波電流是18.9A。流入2次濾波支路的諧波電流比例是負荷產生諧波電流的95%.

當2次濾波電抗器按照偏調5%的電感值后（調到最大檔位），電感值為214.3m，2次濾波支路調諧頻率為97.8Hz，為1.95次。經仿真，流入供電系統的諧波電流為13.6A。流入2次濾波支路的2次諧波電流是12A。流入2次濾波支路的諧波電流比例是負荷產生諧波電流的60%。

根據上述分析，當濾波電抗器偏調5%的電感值（調到最大檔位）時，流入2次濾波支路的2次諧波電流只有負荷諧波電流的60%，減少了37%的諧波電流流入2次濾波支路內。見，調節濾波電抗器電感值后，可以明顯降低流入2次濾波支路內的2次諧波電流。為了防止2次支路設備故障，不能盡快投入3次、4次支路，對2次濾波支路退出后，2次諧波放大后的影響仿真分析：當退出2次濾波支路后，經仿真，2次諧波電流從20A 放大到36A，放大了1.8倍，不影響3次、4次支路正常運行，沒有在2次頻率處形成諧振。

2次濾波支路偏調后測試分析：2次濾波支路偏調后，采用電能質量測試儀在線數據測試，測試時間17h。

調諧前的35kV 總進及2次濾波支路電流。電感值調整前，對35kV 總進、2次濾波支路的電流同時進行了測試。35kV 負荷有兩臺精煉爐，且交錯生產。測試時，測試儀器的不同電流通道按照實際電流互感器變比設置。

測試到的最大電流達到1750A（勵磁涌流），變壓器投入時的勵磁涌流大小與變壓器投入時電壓角度、鐵芯剩磁等都有關系，所以測試數據顯示的變壓器投入時，存在很多沖擊性的電流遠大于爐變額定電流，電流不相等。變壓器投入時的勵磁涌流包含有大量2次諧波電流，每一次變壓器投入，2次濾波支路都會有電流增大的現象，表明2次濾波支路吸收了大量2次諧波電流。經過實測，最大流入2次濾波支路的2次諧波電流為106.6A，95%概率的2次諧波電流值為8.3A。詳見表4。

表4 調整前35kV 總進諧波電流及2次濾波諧波電流

GB/T 14549-1993《電能質量公用電網諧波》規定，一般取95%概率的諧波電流值作為長期流入諧波電流值，經計算，當2次諧波電流為8.3A，母線電壓為36kV 時（實際系統運行電壓），電容器的過電壓系數為0.9，沒有超過電容器額定電壓。按照流入2次濾波支路的最大諧波電流106.6A 計算，電容器實際電壓是其額定電壓的1.29倍。參照GB/T11024.1-2010，過電壓持續時間在1min 之內，電容器最高可耐受的工頻過電壓倍數為1.3倍。2次濾波支路電容器的最大2次諧波電流每次持續時間只是數個周波，因此變壓器投入運行時，其產生勵磁涌流的2次諧波電流雖然被2次濾波支路吸收，但是引起的電容器端的過電壓沒有超過其過電壓耐受限值。

表5中所列數據為間諧波電流，流入2次濾波支路的間諧波電流不大，對電容器電容不會造成影響。總進及2次濾波支路的間諧波電流95%概率大值很小，說明了精煉爐產生的間諧波電流較小，同時濾波支路也未對間諧波電流放大很多。

表5 調整前35kV 總進間諧波電流及2次濾波間諧波電流

調諧后的35kV 總進及2次濾波支路的電流：測試時，同時測試了35kV 總進電流、2次濾波支路電流、精煉爐電流。電抗器調整后，根據表6所示，流入2次濾波支路的最大2次諧波電流值是65.98A，95%概率大值是3.53A。根據表4所示，流入2次濾波支路的最大2次諧波電流值是106.6A，95%概率大值是8.31A，流入2次濾波支路的2次諧波電流減少50%左右，說明電抗器電感值調整后，能夠有效降低流入2次濾波支路的諧波電流。按照流入的最大2次諧波電流65.98A 計算，電容器的過電壓水平是1.13，加在電容器上的過電壓水平明顯降低。

表6 調整后總進、2次濾波支路諧波電流

根據表7可知，電感值調整后，流入2次濾波支路的諧波電流不大，不會對設備造成影響。

表7 調整后總進、2次濾波支路間諧波電流

根據上述分析得出以下結論：精煉爐本身產生的諧波電流不大。95%概率的2次諧波電流是4A，3次諧波電流是10.8A，4次諧波電流是2A，5次諧波電流是8.12A。精煉爐的額定電流是528A，精煉爐投入時的勵磁涌流較大，測試時間內，最大勵磁電流達到2000A，很多能達到1000A。2次濾波支路電感值調整前后，均沒有出現諧波及間諧波諧振的放大的問題。2次濾波電抗器電感值調整后，有效的降低了流入2次濾波支路的2次諧波電流值，電容器過電壓明顯降低。2次濾波電抗器電感值調整后，總的2次諧波電流值從5.4A 上升到6.02A，對流入系統諧波電流影響不大。