某車廠沖壓車間無功補(bǔ)償柜電氣事故案例分析

梁曉亮, 楊 洋, 史貴風(fēng)

[1.北京中冶設(shè)備研究設(shè)計(jì)總院有限公司, 北京 100029;2.上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司, 上海 200063]

0 引 言

汽車沖壓車間中使用大量非線性負(fù)載(如機(jī)器人、直流電源、沖壓機(jī)等),這些諧波源和沖擊性負(fù)荷使得配電系統(tǒng)存在大量的諧波、電壓波動(dòng)、電壓暫降,產(chǎn)生大量的無功功率,造成系統(tǒng)功率因數(shù)低等電能質(zhì)量問題[1]。

某車廠沖壓車間發(fā)生電容器燒毀,并引發(fā)整個(gè)無功補(bǔ)償柜起火燒毀事故,文獻(xiàn)[2]對電力電容器常見故障特征及其原因進(jìn)行了介紹,認(rèn)為設(shè)備制造質(zhì)量、補(bǔ)償回路設(shè)計(jì)、系統(tǒng)諧波、運(yùn)行環(huán)境等因素造成電容器故障時(shí)有發(fā)生。首先對整個(gè)配電系統(tǒng)總進(jìn)線端、無功補(bǔ)償支路進(jìn)線端、有源濾波裝置輸出端進(jìn)行電能質(zhì)量在線監(jiān)測,同時(shí)長時(shí)在線錄取各個(gè)測試回路的電壓、電流波形,評估諧波對此次事故的潛在影響,現(xiàn)場對該車間內(nèi)的無功補(bǔ)償柜、電容器、電抗器等低壓元器件進(jìn)行抽樣,送到專業(yè)實(shí)驗(yàn)室,依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)對送檢器件特性進(jìn)行驗(yàn)證分析。通過現(xiàn)場檢驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)室檢測相結(jié)合,最后總結(jié)了此次事故發(fā)生的可能原因,并給出了解決方案及措施。

1 檢測區(qū)域概述

沖壓車間無功補(bǔ)償支路設(shè)計(jì)總安裝容量為1 200 kvar,分別設(shè)置了11組70 kvar、7組50 kvar、1組25 kvar電容器,電抗器的串抗均為7%,系統(tǒng)主回路母線末端配置了兩臺(tái)背靠背的額定容量為150 A的有源濾波裝置(APF),沖壓車間一次電力系統(tǒng)圖如圖1所示。事故時(shí),沖壓車間無功補(bǔ)償柜電容器先有異味,接著發(fā)生爆炸并伴有明火,繼而引發(fā)補(bǔ)償柜起火,考慮到?jīng)_壓車間電能質(zhì)量問題的復(fù)雜性,本次檢測主要對系統(tǒng)諧波及產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行分析評估。

圖1 沖壓車間一次電力系統(tǒng)圖

2 事故檢測內(nèi)容

2.1 沖壓車間配電系統(tǒng)電能質(zhì)量監(jiān)測

本次電能質(zhì)量測試及評估依據(jù)GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》,系統(tǒng)的監(jiān)測點(diǎn)選擇分別位于該配電間變壓器出線端,無功補(bǔ)償柜0.4 kV進(jìn)線端,APF 0.4 kV進(jìn)線端。為全面對比供配電系統(tǒng)在各種運(yùn)行環(huán)境下電能質(zhì)量指標(biāo)的情況,在檢測現(xiàn)場模擬以下4種工況進(jìn)行檢測分析,檢測工況描述如下:

(1) 工況一:無功補(bǔ)償支路未投入運(yùn)行,APF未投入運(yùn)行。

(2) 工況二:無功補(bǔ)償支路投入運(yùn)行,APF未投入運(yùn)行。

(3) 工況三:無功補(bǔ)償支路未投入運(yùn)行,APF投入運(yùn)行。

(4) 工況四:無功補(bǔ)償支路投入運(yùn)行,APF投入運(yùn)行。

整個(gè)測試過程中,工廠正常生產(chǎn)進(jìn)行。測得系統(tǒng)0.4 kV總進(jìn)線端電壓總諧波畸變率監(jiān)測數(shù)據(jù)如表1所示,系統(tǒng)0.4 kV總進(jìn)線端各次諧波電壓畸變率監(jiān)測數(shù)據(jù)如表2所示,系統(tǒng)0.4 kV總進(jìn)線端諧波電流監(jiān)測數(shù)據(jù)如表3所示,無功補(bǔ)償柜支路、有源濾波支路諧波電流監(jiān)測數(shù)據(jù)如表4所示。

由表1～表3可以看出:在4種工況下,沖壓車間0.4 kV總進(jìn)線端的諧波值均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。由表4可以看出,APF投入運(yùn)行后,無功補(bǔ)償支路的諧波電流有所減小,但APF并未有效補(bǔ)償系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)的諧波電流,LC支路投入后,APF 5次諧波電流輸出異常。

表1 系統(tǒng)0.4 kV總進(jìn)線端電壓總諧波畸變率監(jiān)測數(shù)據(jù)

表2 系統(tǒng)0.4 kV總進(jìn)線端各次諧波電壓畸變率監(jiān)測數(shù)據(jù)

表3 系統(tǒng)0.4 kV總進(jìn)線端諧波電流監(jiān)測數(shù)據(jù)

表4 無功補(bǔ)償柜支路、有源濾波支路諧波電流監(jiān)測數(shù)據(jù)

2.2 檢測過程中的異常波形

在沖壓區(qū)域檢測過程中,無功補(bǔ)償裝置處于自動(dòng)投切狀態(tài)時(shí),對0.4 kV總進(jìn)線端,無功補(bǔ)償支路,有源濾波支路進(jìn)行長時(shí)在線錄波,在查閱波形數(shù)據(jù)時(shí),發(fā)現(xiàn)以上異常數(shù)據(jù),局部異常波形如圖2～圖4所示。

由圖2可見,無功補(bǔ)償支路出現(xiàn)類似B相、C相相間短路的現(xiàn)象,此時(shí)系統(tǒng)電壓無異常變化,無功補(bǔ)償支路B相與C相電流峰值達(dá)到約970、910 A,之后經(jīng)過約0.045 s后,電容器組投入運(yùn)行。

由圖3可見,沖壓區(qū)域無功補(bǔ)償處于自動(dòng)投切狀態(tài)時(shí),有源濾波裝置未投入運(yùn)行,供電系統(tǒng)出現(xiàn)類似系統(tǒng)振蕩的波形,持續(xù)時(shí)間約為半個(gè)周波。

由圖4可見,沖壓區(qū)域無功補(bǔ)償裝置處于自動(dòng)投切狀態(tài)時(shí),同一組電容器組再投延時(shí)時(shí)間為1 s,檢測到的數(shù)據(jù)與控制器設(shè)置相符。

圖2 局部異常波形圖1

2.3 送檢樣品-低壓元器件測試

從事故現(xiàn)場抽取低壓元器件:無功補(bǔ)償柜一面,電容柜內(nèi)電容器4組,電抗器4組,送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測試。實(shí)驗(yàn)室無功補(bǔ)償柜支路、有源濾波支路諧波電流監(jiān)測數(shù)據(jù)如表5所示。

2.4 事故原因分析

沖壓車間的負(fù)荷功率變化較快,在該種環(huán)境的運(yùn)行情況下,電容器組為滿足控制點(diǎn)對功率因數(shù)的要求,將會(huì)頻繁投切。沖壓車間電容器組控制裝置再投延時(shí)時(shí)間間隔設(shè)置為1 s,結(jié)合實(shí)驗(yàn)室電容器的放電試驗(yàn),電容器由峰值電壓下降到50 V的時(shí)間約為150 s,而本次檢測的無功補(bǔ)償裝置中未發(fā)現(xiàn)設(shè)置相應(yīng)的放電回路或類似功能裝置,電容器組存在未有效放電即再次投入運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn),電容器的殘壓疊加,可能影響電容器的壽命,甚至?xí)?dǎo)致電容器過電壓,最終導(dǎo)致電容器炸裂。在現(xiàn)場檢測期間,已監(jiān)測到?jīng)_壓車間電容器組投切時(shí),存在電流峰值為900 A的類似擊穿短路的異常現(xiàn)象,若電容器組頻繁投切,則會(huì)多次發(fā)生該現(xiàn)象,導(dǎo)致電容器存在因過流而損壞的風(fēng)險(xiǎn)[3]。

圖3 局部異常波形圖2

圖4 局部異常波形圖3

從現(xiàn)場抽檢的電容器產(chǎn)品送至專業(yè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測,檢測結(jié)果顯示,其中1組電容器的電容值偏差超出標(biāo)準(zhǔn)要求范圍,說明該電容器容值存在明顯的衰減,已接近5次諧波諧振點(diǎn),若繼續(xù)長期投入運(yùn)行,將很大可能導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生諧振。

從現(xiàn)場抽樣的電容器中選取2組電容器進(jìn)行破壞性試驗(yàn),2組電容器試驗(yàn)過程中均產(chǎn)生爆炸聲響,觀察電容器端子及外殼爆裂,不符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求,可判定該電容器不合格(電容器破壞性試驗(yàn)是型式試驗(yàn)中的必檢項(xiàng)目之一,根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)要求,電容器的外殼可以變形和損傷,但不能爆裂)。另外,從事故現(xiàn)場電容器損壞的狀況來看,電容器外殼存在明顯的碎裂痕跡,也可以判斷電容器在電氣系統(tǒng)實(shí)際使用中出現(xiàn)了類似實(shí)驗(yàn)室中的爆炸現(xiàn)象,說明電容器組的性能不符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

表5 實(shí)驗(yàn)室無功補(bǔ)償柜支路、有源濾波支路諧波電流監(jiān)測數(shù)據(jù)

3 解決方案及措施

為滿足相應(yīng)沖壓車間的快速功率變化的特性,且從監(jiān)控的檢測數(shù)據(jù)看沖壓車間諧波電流發(fā)生量并不高,可在TSC傳統(tǒng)補(bǔ)償裝置中增加必要的放電回路或類似功能裝置,使電容器組投入時(shí),電容器端子間的電壓不高于電容器額定電壓的10%,但需綜合考慮放電回路功率消耗的問題;也可選用具備零過渡過程的低壓動(dòng)態(tài)無功功率補(bǔ)償裝置等。同時(shí),配電系統(tǒng)選用的電容器應(yīng)滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求[4]。

考慮到近幾年發(fā)展較好的新型電力電子裝置,也可采用有源型無功補(bǔ)償裝置(SVG)或SVG配合固定無源無功補(bǔ)償裝置,提升無功補(bǔ)償效果[5]。

4 結(jié) 語

本文針對某汽車制造廠沖壓車間無功補(bǔ)償柜燒毀事故,對整個(gè)車間的配電系統(tǒng)電能質(zhì)量進(jìn)行整體評估,同時(shí)從事故現(xiàn)場抽取無功補(bǔ)償柜、電容器、電抗器,送到專業(yè)實(shí)驗(yàn)室依據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)對抽取的樣品進(jìn)行檢測,結(jié)合現(xiàn)場測試和實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果,給出了事故發(fā)生的原因,最后給出相應(yīng)的解決方案和措施,以保障該廠沖壓車間電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。