電氣設備過負荷的經濟解決方案

【摘 要】通過對事故的原因分析，供電線路發(fā)熱的解決方案及相應經濟效益的思考。

【關鍵詞】無功補償；諧波；功率因數；過負荷

0.引言

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

中國重汽濟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；多次頻繁故障嚴重影響生產，故提出相應方案，效果明顯且具有值得推廣的經濟效益。

1.故障原因及對策

1.1故障信息收集

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

設備：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。

滿負荷運行經集中補償后功率因數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，但故障點均位于連接器附近，短路發(fā)生之前溫度長期超過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；灼穿點附近絕緣薄膜板結、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)生前故障點附近溫度：故障點一：72℃；故障點二：74℃；故障點三：73℃；故障點四：69℃。

1.2故障分析

諧波不僅導致電氣設備壽命縮短、網損加大、系統發(fā)生諧波諧振的可能性增大，亦會引起電氣設備絕緣壽命的縮短，進而發(fā)生相地或相間短路故障。

由于故障線路為實心板質鋁材，而本段母線設計電流額定值偏小。諧波的集膚效使電流集中在導體表面流過，造成線路額定電流的 “過負荷”，進而影響運行母線溫度升高，停機后母線溫度下降產生熱脹冷縮效應，連接片松動，加劇溫升攀高，隨著時間推移絕緣老化加速，伴隨著壓力機的震動，部分板結絕緣薄膜脫落，最終導致短路故障發(fā)生。

4000/5互感器經鉗形萬用表檢測后數據為3-9A，9A這一數字跟互感器的額定電流有出入，眾所周知互感器一次側通過范圍內的任意電流，二次側電流值應保持在5A以內，而測量數據顯示9A，初步推斷為諧波干擾測量結果；采用帶有屏蔽功能的檢測設備后測量數值穩(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，顯示數據可用，經精密電能質量分析儀測量誤差在允許范圍內。

1.3解決方案思路

由于該段線路發(fā)生多次短路故障，灼傷點經打磨，母線截面積減小，相應載流量下降，只能削減諧波的同時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)點是過載能力強、有利于后期擴容；缺點是開關容量需與母線容量匹配、投資大、施工周期長，整改費用45萬左右。

濾除諧波、降低線路電流：安裝就地補償部分消諧設備。降低了線路實際通過電流，削減了主要諧波量。優(yōu)點是投資小、便于安裝；缺點是增加維護量、有一定風險（如不隨中頻設備同時開啟或故障，此段母線回到事故前隱患狀態(tài)），整改費用8萬左右。

2.方案分析

從經濟與實際效果角度，應選擇濾除諧波、降低線路電流方案，安裝就地補償部分消諧設備，以消除3次及3的倍數的諧波為主，設備全開補償功率因數至0.8-0.9即可。

2.1計算方法

功率因數從0.66提高至0.9以上；按照公式Q=√3*U*I*sinΦ；S=P/cosΦ；Q=P*tanΦ計算。

補償容量缺口約為500KVAR，由于設備為間斷性負荷，所需無功補償量在持續(xù)增長至最高點后，隨著處理件的推出，負荷降低，相應的所需補償量開始回落，故只要保證滿載運行時cosψ=0.9即可。故采用分組試211的投切方式：在中頻爐啟動時將第一組200 Kvar電容器組投入，保證在啟動到加載過程中保持在較高值；隨著負荷增大，系統會根據情況自動將第二組第三組150Kvar電容器組陸續(xù)投入，使系統始終保持在適當功率因數值之內。

2.2設計要求

（1）應滿足國家、行業(yè)的相關標準的要求，具備“五防”的要求；（2）銅排的連接部分必須搪錫；（3）各母線的連接應良好，絕緣支撐件、安裝件及其它附件安裝應牢固可靠；（4）每段母線上的兩臺電容器柜一套自動補償儀同時實現自動、手動功能；（5）電容器裝置采用可控硅動態(tài)無功功率補償器；（6）觸發(fā)器：采用光電觸發(fā)技術。

2.3設備主要參數

選用山大華天HTEQ-V31-0.4/480補償消諧柜。

（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）補償方式動態(tài)跟蹤補償，抑制部分3次及其倍數諧波；（8）保護功能：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償設計的，根據實際運行情及設計原則，濾波補償裝置的作用有四個：

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

（2）增加一項節(jié)能項目：設計濾波裝置，吸收和抑制諧波源設備產生的諧波電流、諧波電壓，投入濾波設備后，在條件不變、同等產量的情況下，節(jié)能3-5%左右。

（3）降低運行線路溫升：削減諧波的同時，消除表層“過負荷”的現象，保證線路溫升的下降。

（4）提高整個系統的功率因數，使考核點的平均功率因數達到預期要求，有效降低電流或者說提高變壓器的負載能力。

3.1測試效果對比

測試時間：2011年9月19日

測試儀器：DZ-4A電能質量分析儀、AR330紅外測溫儀

測量方法：DZ-4A電能質量分析儀通過PT和CT對0.4kV中頻設備供電線路電流和電壓進行采樣和分析，從而得到實時數值及其波形數據； AR330紅外測溫儀據測量點1M內進行溫度檢測。

儀器測量方式：DZ-4A電能質量分析儀測量方式是在3秒鐘內對3相電壓和3相電流信號進行6次同步等間隔采樣，利用FFT分析出這6次采樣的測量結果，然后進行方均根處理，這樣可以區(qū)分暫態(tài)現象和諧波。處理結果作為一個采樣樣本，按照設定的定時區(qū)間進行定時采樣記錄，記錄結果用后臺機程序分析整理統計；AR330紅外測溫儀直接讀取數據。

統計分析方法：DZ-4A電能質量分析儀在設定的時間段內對所選擇的測量數據進行篩選，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：將各次測量值按從大到小的順序排列，去除總數的5%的較大值，取其剩余95%中最大的那個測量值作為代表值）；AR330紅外測溫儀選取4處故障點測試。

測試結果：整改前三相電壓、電流值：A：227V， 992A；B：226V， 1012A；C：225V， 994A

3.2結論

對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，實測電流整改后線路電流下降400A以上，線路損耗降低，溫升降低；經過本次整改滿足了設備負載、線路要求，運行至今未發(fā)生事故。

4.結束語

由于中頻爐是諧波源設備之一，諧波含量較為嚴重，如果單獨只做補償，一般的動態(tài)、靜態(tài)、就地無功補償，解決不了諧波問題，而且有的無功補償還會帶來一定副作用，放大諧波，強制性使用可能會引起系統諧振，使得諧波電壓和諧波電流畸變更為嚴重，過電流值較大，將影響電容器壽命和系統穩(wěn)定性，造成功率因數偏低.所以根據系統自身實際情況。

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

【參考文獻】

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