李冬雪李云帆.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院 .大連天籟安全評(píng)價(jià)咨詢有限公司

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典型非線性負(fù)荷對(duì)主變運(yùn)行性能的影響分析

李冬雪1李云帆2
1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院 2.大連天籟安全評(píng)價(jià)咨詢有限公司

【摘要】本文以大連馬場(chǎng)220kV變電站為例，對(duì)二號(hào)主變高低壓側(cè)電壓畸變率、閃變電壓和諧波電流進(jìn)行了測(cè)試，以測(cè)試結(jié)果為依據(jù)對(duì)2號(hào)主變?cè)肼暜惓，F(xiàn)象進(jìn)行了分析，從而確定了主變產(chǎn)生異常噪聲的原因，從制造工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面提出了抑制噪聲的幾點(diǎn)措施，不僅給變電站的運(yùn)行成本帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益，而且消除了設(shè)備上的安全隱患，為電網(wǎng)的安全運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)的硬件保障。

【關(guān)鍵詞】非線性負(fù)荷；變壓器；噪聲；設(shè)計(jì)

電弧爐變壓器是煉鋼電弧爐最關(guān)鍵的大型配套設(shè)備。其運(yùn)行時(shí)要經(jīng)受電爐煉鋼過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊過(guò)電壓，如果對(duì)這種沖擊過(guò)電壓不加以限制，對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量將產(chǎn)生非常嚴(yán)重的影響。本文通過(guò)對(duì)大連馬場(chǎng)220kV變電站二號(hào)主變?cè)肼暜惓，F(xiàn)象的分析，確定了產(chǎn)生異常噪聲的原因，提出了抑制噪聲的幾點(diǎn)措施，不僅給變電站的運(yùn)行成本帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益，而且消除了設(shè)備上的安全隱患，為電網(wǎng)的安全運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)的硬件保障。

1　主變?cè)肼暜惓７治?/h2>

馬場(chǎng)220kV變電站共運(yùn)行4臺(tái)主變，馬場(chǎng)220kV變電站2號(hào)主變（220/36.7/10.5kV，YN，yn0，d11）35kV側(cè)為鋼廠冶煉電弧爐沖擊性負(fù)荷，經(jīng)測(cè)試兩臺(tái)主變35kV側(cè)諧波和閃變超標(biāo)，兩臺(tái)主變?cè)肼暶黠@異常，在日常檢查中發(fā)現(xiàn)#2主變繞組墊塊已松動(dòng)。為了監(jiān)測(cè)東北特鋼沖擊負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響，大連供電公司2010～2012年進(jìn)行了三次諧波測(cè)試工作，系統(tǒng)接線圖如圖1，測(cè)試內(nèi)容，見(jiàn)表1。

測(cè)試方案：

針對(duì)變電站附近鋼廠投運(yùn)時(shí)對(duì)馬場(chǎng)220kV變電站2號(hào)主變出現(xiàn)聲音異常和噪聲過(guò)大的現(xiàn)象，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)的諧波及閃變測(cè)試。在馬場(chǎng)2號(hào)主變低壓側(cè)（35kV側(cè)）進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試35kV母線AB相電壓、CB相電壓，35kV母線進(jìn)線A相電流、C相電流。

圖1　系統(tǒng)接線圖

表1　2010～2012年度諧波測(cè)試

在完成對(duì)主變低壓側(cè)的電能質(zhì)量測(cè)試后，對(duì)馬場(chǎng)220kV變電站2號(hào)主變高壓側(cè)（220kV側(cè)）進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試220kV母線A、B、C相電壓，220kV母線進(jìn)線A、B、C相電流。

諧波及閃變等測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表2、3。

表2　電網(wǎng)諧波電壓（相電壓）、閃變限值

表3　各次諧波電流允許值

一次側(cè)測(cè)試結(jié)果：2號(hào)主變220kV母線A相電壓最大值為134.26kV，最小值為131.53kV，95％概率大值為133.48kV； 220kV母線A相電壓總畸變率最大值為1.32， 最小值為0.72，95％概率大值為0.90；220kV母線A相電壓中5次諧波電壓含有率相對(duì)較大，最大值為0.99％，95％概率大值為0.77％；2號(hào)主變A相最大負(fù)荷電流為58.99A；諧波電流中5次諧波相對(duì)較大。

根據(jù)電壓閃變的測(cè)試結(jié)果看，2號(hào)主變一次側(cè)母線電壓長(zhǎng)時(shí)閃變最大值為0.63。

二次側(cè)測(cè)試結(jié)果：2號(hào)主變35kV母線AB相電壓最大值為37.15kV；最小值為35.06kV；95％概率大值為36.62kV；CB相電壓最大值為37.48kV；最小值為35.17kV；95％概率大值為36.69kV；35kV母線AB相電壓總畸變率最大值為6.48；最小值為0.54；95％概率大值為3.08；CB相電壓總畸變率最大值為6.09；最小值為0.54；95％概率大值為3.13；35kV母線AB相電壓中2次諧波電壓含量最大，占基波含量的4.07％（最大值）0.25％（95％概率大值），其次是3、4、5、6、7次諧波含量相對(duì)較高，其中AB相3次諧波占基波含量的2.13％（最大值）0.66％（95％概率大值），4次諧波占基波含量的2.48％（最大值）0.19％ （95％概率大值），5次諧波占基波含量的2.48％（最大值）2.16％（95％概率大值），6次諧波占基波含量的2.21％（最大值）0.25％（95％概率大值），7次諧波占基波含量的2.43％（最大值）1.72％（95％概率大值），CB相諧波電壓的含量與AB相電壓的變化趨勢(shì)相似；2號(hào)主變最大負(fù)荷電流A相為1.47kA，C相為1.84kA，負(fù)荷具有一定的周期變化特點(diǎn)，諧波電流中2、5、7次諧波電流相對(duì)較大，其中2、5次諧波電流最大。

根據(jù)電壓閃變的測(cè)試結(jié)果看，2號(hào)主變二次側(cè)母線電壓長(zhǎng)時(shí)閃變最大值為4.21。

測(cè)試結(jié)論：

（1）從測(cè)試結(jié)果看，本次測(cè)試的整個(gè)測(cè)試周期內(nèi)，2號(hào)主變高壓側(cè)諧波電壓總畸變率的95％概率大值為0.90％（A相）滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的限制值，A相各次諧波電壓含有率均未發(fā)生超標(biāo)的情況。2號(hào)主變一次側(cè)各次諧波電流在測(cè)試周期諧波電流未超標(biāo)（圖2和圖3給出了主變高壓側(cè)3次和5次諧波的測(cè)試曲線）從圖2、3中可以看出諧波電流95％概率大值未超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限制值。2號(hào)主變一次側(cè)母線電壓長(zhǎng)時(shí)閃變最大值為0.63，未超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限制值。

（2）主變低壓側(cè)諧波電壓總畸變率的95％概率大值為3.08（AB相）、3.13（CB相），具體數(shù)據(jù)如圖4、5。超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的限制值，其中2、3、4、5、6、7次諧波電壓含有率在沖擊時(shí)刻發(fā)生超標(biāo)，主變二次側(cè)諧波電流在一個(gè)生產(chǎn)周期2次諧波電流短時(shí)出現(xiàn)155.2A的較大值，5次諧波電流為50～70A超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限制值，2號(hào)主變二次側(cè)母線電壓長(zhǎng)時(shí)閃變最大值為4.21，超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限制值。

（3）2號(hào)主變2次、5次諧波電流超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限制值會(huì)增大變壓器噪聲和發(fā)熱，因#2主變高壓側(cè)電能質(zhì)量未超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限制值，低壓側(cè)并未給其它用戶供電，不會(huì)因?yàn)殡娔苜|(zhì)量問(wèn)題對(duì)其它用戶產(chǎn)生影響。

從測(cè)試結(jié)論不難看出，2號(hào)主變低壓側(cè)5次諧波電流超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限制值是導(dǎo)致變壓器噪聲增大的主要原因。

圖2　3次諧波電流變化曲線

圖3　5次諧波電流變化曲線

圖4　測(cè)試過(guò)程35kV母線AB相電壓閃變變化曲線

圖5　測(cè)試過(guò)程35kV母線CB相電壓閃變變化曲線

2　諧波電流對(duì)主變運(yùn)行的危害

產(chǎn)生諧波的根本原因是由于給非線性阻抗特性的電氣設(shè)備（如東北特鋼的電弧爐）供電。這些非線性負(fù)荷在工作時(shí)向系統(tǒng)反饋高次諧波，導(dǎo)致供電系統(tǒng)的的電壓、電流波形畸變，使電力質(zhì)量變壞。

影響變壓器鐵芯噪聲的頻譜范圍通常在100～500Hz之間，諧波電流對(duì)變壓器的危害主要有以下幾個(gè)方面：

（1）增大變壓器的銅損耗和鐵損耗，隨著諧波頻率增高，集膚效應(yīng)會(huì)更加嚴(yán)重，鐵損耗也會(huì)更大。

（2）會(huì)引起變壓器外殼外層硅鋼片和某些緊固件發(fā)熱，并有可能引起變壓器局部嚴(yán)重過(guò)熱。

（3）會(huì)引起變壓器的噪聲過(guò)大和振動(dòng)。由于電弧爐負(fù)載電流變化很大，以致繞組產(chǎn)生震動(dòng)，特別當(dāng)預(yù)緊力不足時(shí)，巨大的軸向電磁力將使線匝絕緣和墊塊承受氣隙的出現(xiàn)和消失所引起的的機(jī)械震蕩，導(dǎo)致絕緣損壞。

3　動(dòng)力變壓器的選型與優(yōu)化設(shè)計(jì)

為提高變電站運(yùn)行的安全性、可靠性，從提高供電能力、降低維修成本、節(jié)能降耗和適應(yīng)電網(wǎng)發(fā)展，將馬場(chǎng)220kV變電站一號(hào)主變更換為抗諧波和沖擊能力強(qiáng)的鋼廠冶煉專用動(dòng)力變壓器是十分必要的。

根據(jù)馬場(chǎng)變電站的現(xiàn)有情況，與變壓器廠家溝通后，初步確定馬場(chǎng)變電站一號(hào)主變改造的主要設(shè)備參數(shù)如下：

（1）接線組別：由于YNd11接線組別變壓器較YNynd11接線型式變壓器對(duì)諧波的抑制效果好，因此，建議將現(xiàn)有的三繞組YNynd11接線型式兩臺(tái)主變，更換為雙繞組YNd11接線型式主變。

（2）短路阻抗：經(jīng)過(guò)溝通溝通核算，在滿足其供電要求的前提下，提高心變壓器的短路阻抗，由原12％提高到15％～18％，以滿足變壓器抗沖擊能力。

（3）過(guò)負(fù)荷能力：要求變壓器具有1.4倍的長(zhǎng)期過(guò)負(fù)荷能力，以保證主變?cè)跊_擊性負(fù)荷下安全工作。

噪音方面采取的優(yōu)化措施：降低鐵心磁密Bm。由1.7T降到1.59T（直接減小鐵心激磁時(shí)磁致伸縮引起的鐵心振動(dòng)）主要按照變壓器的運(yùn)行負(fù)荷的情況，控制變壓器的磁密，以滿足噪音要求；使用磁致伸縮小的優(yōu)質(zhì)Hi-B硅鋼片；多級(jí)階梯型（Step-Lap）鐵心疊級(jí)結(jié)構(gòu)；油箱上使用阻尼加強(qiáng)筋；優(yōu)化設(shè)計(jì)避免鐵心和油箱的共震區(qū)域。

4　變壓器性能對(duì)企業(yè)電網(wǎng)的影響

變壓器諧波電流對(duì)企業(yè)電網(wǎng)的影響主要表現(xiàn)在造成電網(wǎng)的功率損耗增加，縮短設(shè)備使用壽命，接地保護(hù)功能或者設(shè)備遙控功能失常，用電負(fù)荷高導(dǎo)致線路和設(shè)備過(guò)熱等，特別是諧波產(chǎn)生的中性線電流，可導(dǎo)致配電變壓器的零線電流甚至超過(guò)相線電流值，造成企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備及輔助性設(shè)備無(wú)法安全可靠運(yùn)行。尤其是電網(wǎng)設(shè)計(jì)要求為為一級(jí)負(fù)荷（例如消防設(shè)備設(shè)施的供電）的化工生產(chǎn)、金屬冶煉等高危行業(yè)，供電中斷對(duì)企業(yè)的消防系統(tǒng)正常啟動(dòng)以及事故發(fā)生時(shí)消防系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施的可靠性啟動(dòng)造成極大的影響。對(duì)電網(wǎng)的安全性、穩(wěn)定性可靠性電流影響還表現(xiàn)在可能引起電網(wǎng)發(fā)生諧振，使正常的供電中斷、事故升級(jí)。

5　結(jié)論

本文對(duì)大連馬場(chǎng)220kV變電站一號(hào)主變?cè)肼暜惓，F(xiàn)象進(jìn)行了分析，通過(guò)測(cè)試一號(hào)主變高低壓測(cè)電壓畸變率和諧波電流，確定了產(chǎn)生異常噪聲的原因，提出了抑制主變?cè)肼暤膸c(diǎn)優(yōu)化措施，優(yōu)化設(shè)計(jì)后主變壓器的空載和負(fù)載損耗大幅度降低。為變電站的運(yùn)行成本帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益為電網(wǎng)的安全運(yùn)行提供了有力保障。

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