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(tǒng)實時對船舶感應磁場進行抵消。消磁電源屬于消磁系統(tǒng)一部分，受消磁系統(tǒng)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(yōu)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(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)場拆解故障變壓器，發(fā)現(xiàn)與變壓器并聯(lián)的CBB61型電容鼓包且內容物溢出，電容周圍出現(xiàn)碳化痕跡。經了解，這種現(xiàn)象出現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)母線相連，若電力系統(tǒng)出現(xiàn)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(tǒng)存在的過電壓現(xiàn)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(tǒng)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(lián)，變壓器繞組可近似看作一個電阻和電感串聯(lián)，補償電容和電感組成了一個并聯(lián)諧振電路[1]，變壓器原邊繞組與電容組成并聯(lián)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(lián)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(fā)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(fā)生諧振時流過電容的電流增大，且電力系統(tǒng)中諧波占比越高，電流越大[3]，最終使電容發(fā)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(huán)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(fā)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(lián)浪涌保護器。在瞬態(tài)浪涌電壓未出現(xiàn)前，保護器呈現(xiàn)極高電阻，當瞬態(tài)浪涌電壓到來時，保護器迅速轉變?yōu)榈碗娮瑁瑢⒗擞侩娏鞣至髦帘Ｗo器一端，同時將保護設備兩端電壓限制在較低水平，瞬態(tài)浪涌電壓過后，保護器又重新恢復高電阻狀態(tài)。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(tǒng)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(lián)電路的諧振頻率，重新選擇電容值，使諧振頻率與電力系統(tǒng)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(tǒng)電壓再次發(fā)生畸變，很可能再次發(fā)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(tǒng)母線上，防止電力系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)場勘驗后，發(fā)現(xiàn)該船消磁電源補償電容燒毀。利用FLUKE 437電能質量監(jiān)測儀監(jiān)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(xiàn)了變形，且奇次諧波占比較大。同樣利用FLUKE 437電能質量監(jiān)測儀監(jiān)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(fā)電機供電，電壓波形明顯且奇次諧波含量較高?？梢酝茢嘣摯烹娫吹难a償電容由于諧波引發(fā)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(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)的電能質量有密切關系。由于船舶電力系統(tǒng)是一個獨立、小型、完整的電力系統(tǒng)，且有大量非線性負荷的存在，船舶電力系統(tǒng)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(jiān)測，保證用電設備的安全運行。