使用FLUKE 43B頻譜分析解決水泥企業調諧無功補償故障問題_FLUKE_43B

使用FLUKE 43B頻譜分析解決水泥企業調諧無功補償故障問題

2013/3/8 10:14:09

Abstract: This article explains the harmonic resonance properties of high harmonics and reactive power compensation loop by harmonic current harmonic resonance region characteristic curve. And monitor system harmonicwave current distribution by the FLUKE 43B quality analyzer, and use the instrument to provide spectrum analysis graphics analysis system background harmonic changes and local equipment operating parameters, scientificly judgereactive power compensation slip failure.

Key words: Fluke 43B, frequency spectrum, adjust harmonic and compensate branch circuit, reactor, fault analysis.

FLUKE 43B是美國福祿克公司出品用于電能質量分析與監測的專用儀器，它的功能非常強大，可以利用其進行電力質量監視，得到實時數據，從而進行電力質量分析。

2010年在我公司配套水泥企業應用的低壓可控硅投切的調諧無功補償設備中，連續出現一些損失嚴重質量事故，在這些事故聚焦點都是直指電抗器事故源頭，而這些電抗故障大都體現在銅鋁連接頭燒黃脫落或打火、電抗器有線圈嚴重發熱后絕緣層變色甚至燒毀、并在通電后有明顯電磁震動聲和忽大忽小的持續氣隙震蕩聲響等明顯質量事故，為了全面徹底解決該批次質量事故給公司造成不良影響，公司決定組織專門事故調查組，采用FLUKE 43B頻譜分析儀對各個事故原因進行分析調查。

1 調諧無功補償裝置簡介

無功補償設備是提高電能傳輸質量的一種重要手段，隨著工業技術的發展，不斷有新的電力電子裝置和其他非線性負荷(又稱畸變負荷)接入電網，使電網與以前相比發生了很大變化，最顯著的變化就是電網中諧波含量大幅度增加，例如水泥生產企業內的廣泛使用大量空壓機、風機、泵類的中小型配套輔助設備，就廣泛的使用了變頻器和固態軟起動器等設備，這些大多以6脈整流設備產生的以5、7、9次等奇次諧波為主諧波源，使得無功補償設備的安全性和可靠性大大降低，在考慮對系統的無功補償時，就必須采用調諧型并聯無功補償技術來抑制系統內諧波問題。

調諧型無功補償裝置采用電容器串聯電抗器的方法，使該回路調諧頻率低于網絡中產生的最低次諧波的頻率，使支路工頻時呈容性，改善功率因數，在諧波頻率時成感性，防止諧波放大，避免系統諧振和抑制諧波、限制合閘涌流等。補償裝置調諧頻率及補償容量由電容器和電抗器的特性參數共同決定，通常系統諧波源設備視在功率占配電變壓器視在功率25%以上時，建議配置調諧補償裝置的，然而調諧補償支路一旦出現電抗率與電容器的匹配不佳，對于無功補償系統而言，其導致的后果往往適得其反的，所以，如何辨別無功補償設備受諧波影響程度是目前調諧型并聯無功補償技術所普遍關注的重點。

2 調諧頻譜分析判斷無功補償支路串聯電抗器是否合適的依據

諧波是疊加在工頻正弦波上的一個高頻干擾量，它會給電網的傳輸電量造成波形畸變，從而帶來污染，而所謂背景諧波就是指的是電網初始狀態下的諧波情況，它分為兩部分，一部分為上級電網的諧波滲透，另一部分來自本級電網內部諧波源影響。因此通過背景諧波這個參考點，就可以進行投入用電設備和調諧補償設備前后的對比分析，從而獲得諧波對系統影響和變化，反之，由諧波情況可判斷出補償設備配置是否合理。

理論計算和工程實踐證明，串聯6%或7%電抗率的特征是對5次以下諧波呈容性（如對3次諧波放大作用），而對5次以上諧波有一定濾除作用，且濾除率不會超過35%以上；而串聯3%電抗率特征是對7次以下諧波諧波放大作用，而對7次以上諧波有一定濾除作用… … 以此類推，就可以從頻譜分析角度找到規律：從幾次諧波為界限，該次諧波以前諧波呈放大趨勢，而之后呈有比例濾除效果，減小幅度大約控制在30%左右，甚至略低，就可以判斷電抗器的電抗率是針對幾次諧波以上進行調諧補償了，然后反算電抗率就可以判斷電抗率是否符合設定要求了。如，采用電抗器的電抗率為6%調諧型無功補償支路，經過經MATLAB仿真計算后，諧波電流諧振特性曲線見圖1：

圖1 串聯6%電抗器電路諧波諧振特性曲線

從圖1可以看出，3次諧波綜合參量落在容性區的輕度放大區域，被調諧型補償支路放大了，而5、7次諧波綜合參量都落在了感性區，則被調諧補償支路進行部分濾波補償。所以，調諧補償系統串聯6%電抗率作用就是可以使5次以下的諧波（如2、3次諧波）均有一定放大作用，而對于5次以上的諧波（如5、7、9次等高次諧波）會起到一定濾波補償效果，濾波率基本在35%以下，同時也可以限制系統開關合閘浪涌作用。

3 利用FLUKE 43B儀表判斷和分析調諧無功補償支路故障

3.1 低壓調諧無功補償支路元器件質量問題判斷流程

1）使用FLUKE 43B儀表的電壓、電流測試功能檢測支路相關參數（電容器端電壓、電抗器上壓降、支路運行電流），對過載情況作出判斷。

2）利用系統背景諧波頻譜分析方法，推斷調諧無功補償支路元器件質量問題。即在進線柜觀測點位置，通過FLUKE 43B儀表電流鉗測得的不同工況下諧波電流畸變率頻譜圖，分析對比調諧無功補償設備投入前后背景諧波參數變化規律，從而推斷出調諧補償支路三相電抗器質量。

3.2 現場頻譜數據分析推斷配置7%電抗率的電抗器不合格實例

3.2.1 測試數據

某水泥廠低壓配電室電力系統配置及諧波情況見表1，利用FLUKE 43B測試背景諧波電流畸變率變化情況見表2。

表1 電力系統配置及諧波情況（系統電壓：395.9 V）

項目	未投入調諧補償設備前	投入調諧補償設備后
系統背景諧波（電流畸變率）	電流總畸變率：22.2%； 3次：3.6%；5次：22.0%； 7次：7.7%；	電流總畸變率：18.3%； 3次：3.8%；5次：15.7%； 7次：6.5%；
系統背景諧波（電流畸變率）	短接電抗器后：電流畸變率：25.2%；3次：1.5%；5次：21.8%； 7次：9.2%；

項目	短接電抗器后	投入電容補償后
電容器端電壓	406.4 V	466 V
電容支路的電流	45.8 A	92.7 A
電抗器上壓降	/ （短接）	電抗器兩端的壓降： 92.8 V
電容型號：BSMJ-0.45-30-3 (額定電流：38.5A，容值：471.6μF)，補償30kVar三組，三角形接法；
電抗器型號：SKSG-450V-30 kVar；電抗率：7% ；F級；每30 kVar支路一組三相鐵心電抗

測試數據與理論計算數據對比分析（標稱30kVar、450V的電容）見表2

表2 測試數據與理論計算數據對比

電容端電壓V	電抗率	參數比較		支路電流A	電抗器壓降V
運行電壓： 406.4 V	0.0 % （短接）	理論計算正常運行值		34.76 A	/
		實際測量值	直接投入純電容后	45.8 A	/
運行電壓： 466 V（抬升）	7 %	理論計算正常運行值		39.86A	18.8 V
		實際測量值	電容串7%電抗率投入后	92.7 A	92.8V

3.2.2 數據分析

1）投電容前的背景電流總畸變率為22.2%，以5次諧波22%為主，如果直接投入純電容補償，則會出現系統的基波和諧波一同放大，反映在回路里主要表現在支路電流超載（45.8/34.76=1.32倍），電容直接投入有明顯的“嗡嗡”聲，顯然長期工作在1.3倍的超載狀態下，對電容有百害而無一利的，這就說明該無功補償支路是需要進行串聯6～7%電抗率的進行調諧無功補償；

2）電容串標稱的7%電抗進行調諧補償后，從背景諧波參數明顯看出，3次諧波并沒有被放大跡象，而5次諧波20%削減到了15.7%，下降率接近30%左右，7次諧波也下降不明顯，說明串的電抗器的電抗率偏到了接近5次諧波的諧振頻率附近了，從測試的支路電流也明顯看出，電流92.7A遠遠大于正常的39.86A的運行值，運行電壓466V也超出了實際的額定450的額定電壓1.04倍，電抗器的壓降92.8V遠遠大于運行壓降18.8V正常值，調諧補償支路運行參數的嚴重超標，導致了電抗器出現了明顯的噪音和發熱現象，由此證明了5次諧波電流一定是朝著這些支路魚貫而入，遠遠超出了這些支路的額定承載能力，造成該支路的最脆弱的不合格的電抗器先期損壞，因此可以肯定，7%電抗率出現了嚴重偏離，電抗器有嚴重質量問題，實際成了針對5次諧波呈感性的4%左右的濾波電抗率了，主要起針對5次諧波有濾波作用，而失去了應有的調諧補償作用；

現場處理措施：馬上更換成合格的7%電抗率電抗器，為用戶解決燃眉之急。

3.3、現場頻譜數據分析推斷配置6%電抗率的電抗器不合格實例

同樣方式，也檢測出另一個低壓配電室配置的6%電抗率的電抗器不合格。該低壓配電室背景諧波見圖3。

由圖3可以看出沒有調諧無功補償時，該系統的背景諧波為6.4%，主要為5次諧波，而投入調諧補償設備后，該系統的背景諧波明顯減少為2.2%，而該柜體明確標識配置串聯電抗器的電抗率為6%，那么按照理論分析該系統背景諧波變化應該為放大3次諧波，而對5次以上的背景諧波有一定抑制作用，但從頻譜分析圖中清晰看出，該系統對5次諧波成感性，且濾除率遠遠大于30%以上，明顯只針對5次諧波產生濾除作用，可以證明該回路的串接6%的電抗器明顯偏小接近4%左右。

現場處理措施：由于用戶正在生產，在測得了系統背景諧波通常含量不大情況下，現場先短接所有調諧電抗器使其暫時退出濾波補償狀態，保證無功補償設備的并聯電容在不超載情況下，暫時維系系統無功補償狀態，保證系統功率因數補償合格，而后迅速調集合格6%電抗器到現場，在設備維修間隙統一更換掉原先不合格電抗器，從而徹底解決該事故。

3.4 現場頻譜數據分析推斷高壓調諧電抗率配置錯誤的實例

由于高壓電壓等級限制，高壓調諧補償設備基本是沒有檢測手段或測試成本較高，無法完成對電容器和電抗器運行參數必要直觀的測量，只能在本柜位置粗略觀測以下電壓、電流等基本參數，來簡單判斷一下回路電流參數有無過載可能性，而利用系統背景諧波和本柜諧波參數頻譜分析，是高壓調諧補償設備用來推斷支路元器件質量問題主要手段，方法與以上低壓調諧補償設備故障判斷方法基本一致。

表3和圖4是某水泥廠高壓配電室進線柜諧波背景參數數據和圖形

表3 諧波背景參數數據

項目	投入調諧補償設備前	投入調諧補償設備后
系統背景諧波（電流畸變率）	電流總畸變率：1.7%； 5次：1.2%；7次：1.0 %；	電流總畸變率：5.3%； 5次：5.2%；7次：0.6 %；

比較調諧補償柜投入和切除時的諧波參數，可以明顯看出沒有調諧補償時，該系統的背景諧波并不大僅為1.7%，微乎其微，而一旦投入了串電抗的調諧補償回路后，系統的諧波參數放大至5.3%，而對7次以下諧波成容性，有一定的放大作用，而7次以上諧波均沒有減弱或放大明顯跡象，查圖紙后獲得信息是電抗器錯誤的按2%的電抗率配置的，并沒有按抑制合閘浪涌1%電抗率來配置電抗器，盡管2%的電抗器本身的諧振頻率就是7次，但背景諧波里7次諧波很微弱，5次諧波較強，因此會出現放大5次諧波的作用（圖4b）。

4. 補救措施

通過一系列針對水泥企業調諧無功補償事故得追根溯源，找出了影響調諧支路故障的電抗器制造質量低劣是禍根，如何控制電抗器質量是生產企業面臨困局當務之急，至此，公司意識到了重視電抗器質量控制重要性，從而徹底改變了以往電抗器只檢驗外觀質量和合格證書的一貫思維模式，從設計源頭就規范了電抗器技術條件附加條款，電抗器的技術標準一定要符合GB10229-88《電抗器》、JB5346-91《串聯電抗器》、IEC289-88《電抗器》、CECS 32：9《并聯電容器用串聯電抗器設計選擇標準》相關技術要求，并在技術參數方面與電抗器生產廠家做出了明確約定。同時加強了電抗器進貨檢驗措施，實施了電抗器進貨抽檢改為每只必檢，檢驗采取伏安測試法進行所有電抗器進貨檢驗線性度說否符合以上提到的相關國標的要求，對不合格電抗器堅決退回或索賠。經過一段時間嚴抓共管，調諧電抗器質量得到明顯改觀，后續調諧電抗質量事故得到迅速遏制。

5 結語

通過以上我公司處理現場調諧補償設備的事故實例驗證和分析說明，利用諧波電流的諧振特性方程的綜合參量來區分諧波分布區域與濾波、補償、諧振的具體關系，明確了通常調諧補償回路串聯6%電抗率具體作用，同時總結出了一整套利用FLUKE 43B儀表判斷和分析調諧無功補償支路的故障問題，為解決諧波對調諧補償支路的影響理清了一個清晰思路。

參考文獻：

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