李國欣，婁趙偉，李浩

（中國礦業(yè)大學信息與電氣工程學院，江蘇徐州221000）

0 引 言

近幾年，電力系統(tǒng)的電能質量越來越受到廣泛的重視，為了最大限度地消除電網中電壓與電流的高次諧波所引起的電容器故障，在電容器的回路中串聯(lián)接入電抗器，可以影響回路的參數(shù)，繼而改變系統(tǒng)的相關參數(shù)［1］，此方法已被普遍采用，并具有很好的效果。目前電網中，常見的電抗器接入系統(tǒng)的方式分為兩種，既并聯(lián)和串聯(lián)。串聯(lián)電抗器通常起到限流作用，并聯(lián)電抗器則經常用于無功補償［2］。在220 kV，110 kV，35 kV及10 kV的電力系統(tǒng)中電抗器是用來吸收電纜線路的充電容性無功的。

筆者參與了一起110 kV某變電站的3號電容器組串聯(lián)電抗器的發(fā)熱問題分析，通過對變電站的電抗器運行情況的實地調研，提出了三點可能原因，結合電能質量測試評估方法，進行有關電容器的理論分析，并參考相關技術標準，找出了電抗器運行過程中溫度過高的原因。此工程案例所提出的方法具有一般適用性，相對于從理論上對電抗器發(fā)熱問題做出的分析應對，該方法從實地勘查、理論分析與現(xiàn)場實際檢測分析三個角度排查電抗器溫度過高的事故原因，較為全面仔細。此法對于變電站中日常運行的電抗器溫升過高問題的研究與分析有很好的借鑒意義。同時，筆者提出了該110 kV變電站電抗器日常運行時防止出現(xiàn)溫升過高的相關建議及對策，確保電抗器安全穩(wěn)定地運行。

1 發(fā)熱事故概況

變電站10 kV II段母線上接有3號電容器，電抗率為 5%，串聯(lián)電抗器額定電流 315 A，感抗值1.031。在III段母線上的4號電容器，電抗率為5%，串聯(lián)電抗器額定電流157.5 A，感抗值2.062。

該變電站的運行人員，巡視中發(fā)現(xiàn)投運的3號電容器的串聯(lián)電抗器出現(xiàn)溫度過高的現(xiàn)象?，F(xiàn)場運行人員對3號電容器進行紅外測溫，當時裝置環(huán)境溫度為10℃左右，電抗器表面溫度為80℃左右，4號電容器表面溫度為68℃，3號電容器串聯(lián)電抗器溫度明顯高于4號電容器的串聯(lián)電抗器的溫度。在“0901-蘇電生〔2009〕108號【關于印發(fā)《提高變電站并聯(lián)電容器裝置運行可靠性的指導意見》的通知】”中指出：串聯(lián)電抗器溫升超過60 K時，或與相鄰相對比溫差明顯異常時，應及時處理。

分析認為造成電抗器發(fā)熱的可能原因有如下幾點：

（1）電抗器的質量不過關，存在設計和工藝生產上不過關；

（2）變電站的電能質量特別是諧波引起的電抗器發(fā)熱；

（3）正常投運時，外來異物堵塞電抗器的氣道，導致電抗器不能及時散熱，造成其溫升過高；

筆者在現(xiàn)場仔細觀察后，電抗器在裝設前經過嚴格的檢查與測試，不存在電抗器的設計生產上的質量不過關。鑒于此，進一步懷疑電抗器溫升過高應該是由于變電站的電能質量特別是諧波引起的。

2 電容器組諧波放大原理

當時，現(xiàn)場實際運行有2組既3號和4號電容器，其中3號電容器組串聯(lián)電抗器銘牌感抗值1.031 Ω，容抗值為20.62Ω；4號電容器組串聯(lián)電抗器銘牌感抗值2.114Ω，容抗值42.28Ω。以上容抗值均是按電抗率k＝5%計算得到的。

在該變電站中，系統(tǒng)和現(xiàn)場投運的電容器組構成的示意圖如圖1所示。In：諧波源電流；T：系統(tǒng)變壓器；C：電容器組；L：串聯(lián)電抗器；R：負荷支路。

同系統(tǒng)負荷阻抗值相比，系統(tǒng)短路阻抗值很小，所以對于負荷支路，可以忽略不計；又由于系統(tǒng)電抗遠大于系統(tǒng)電阻（即XS?RS），所以系統(tǒng)電阻也可忽略不計。因此，運行的兩臺電容器組和系統(tǒng)的阻抗可以等效電路如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)運行示意圖Fig.1 Schematic diagram of system operation

圖2 等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit diagram

圖2中Ic3n為流入3號電容器組支路的n次諧波電流；Ic4n為流入4號電容器組支路的n次諧波電流；Isn為流入系統(tǒng)的n次諧波電流；In為n次諧波源電流；n XL3為3號電容器組n次諧波串聯(lián)電抗；n XL4為4號電容器組n次諧波串聯(lián)電抗；n Xs為系統(tǒng)n次諧波短路感抗；Xc3/n為3號電容器組 n次諧波容抗；Xc4/n為4號電容器組n次諧波容抗。

根據圖2，可以計算電容器組各個支路諧波電流放大系數(shù)，如式（1）和式（2）：

式中 X′3＝nXs//（nXL4－Xc4/n）。

式中 X′4＝nXs//（nXL3－Xc3/n）。

系統(tǒng)諧波電流的放大系數(shù)的計算如式（3）所示：

式中 X′＝（nXL3－Xc3/n）//（nXL4－Xc4/n）。

由于3、4號電容器的電抗率K3＝K4＝5%，能夠消除5次及以上諧波。2臺電容器組的對外等值支路也可用一個等值感抗和等值容抗來表示［3］，經計算等值感抗XL＝0.683Ω，等值容抗值XC＝13.76 Ω，等值電抗率K＝5%。

計及諧振對電容器組的影響，經計算，分列運行時二號主變10 kV側大方式和小方式的短路阻抗值分別為0.337 255Ω、

0.557 424Ω。當2臺主變并列運行時10 kV側大方式和小方式情況下短路阻抗值分別為0.167 322 Ω、0.272 715Ω。

根據系統(tǒng)短路阻抗和電容器組阻抗，計算得出：2臺主變并列運行時，大方式下諧振次數(shù)為4.01，小方式下諧振次數(shù)為3.79；2＃主變單獨運行時，大方式下諧振次數(shù)為3.67，小方式下為3.33。

綜合考慮諧振影響，得到不同諧振源及不同運行方式下的3、4、5次諧波放大系數(shù)計算結果如表1所示。

表1 不同運行方式及不同諧振源下的諧波放大系數(shù)計算結果Tab.1 Calculation results of amplification factors under different operation modes and different resonance sources

根據理論計算，在變壓器并列大方式運行情況下會造成4次諧波放大。由于一般4次諧波較少，因此按5%電抗率進行配置正常情況下可不考慮諧振問題。

3 電能質量測試與分析

該變電站10 kV母線上線路較多，在實際運行過程中存在諧波的影響可能性大，會對系統(tǒng)內無功補償設備造成影響。為探究電抗器發(fā)熱原因，決定對電容器所在的相關線路及支路進行電能質量測試分析，關注的重點是諧波的變化。

筆者采用專業(yè)測試儀器在現(xiàn)場對相關線路及支路進行測試。在測試時間內，3號電容器基波電流最大值依次為A相334.17 A、B相334.28 A和C相333.99 A，均已超過額定電流（315 A）運行。根據JB/T 5346-1998《串聯(lián)電抗器》規(guī)定：電抗器應能在工頻電流為1.35倍額定電流的最大工作電流下連續(xù)運行［4］；說明此電抗器運行在允許電流范圍內。

另外，根據JB/T 5346-1998《串聯(lián)電抗器》規(guī)定：電抗器應能在三次和五次諧波電流含量均不大于35%，總電流方均根值不大于1.2倍額定電流的情況下連續(xù)運行［4］。由計算得到，A、B、C三相 3、5次諧波電流含量分別為11.64%、11.20%和13.26%，均在35%的范圍內，且三相電流方均根值分別為337.71 A、336.87 A和337.18 A，都低于1.2倍額定電流值，是允許連續(xù)運行的。

為直觀判斷電容器組運行對諧波的影響，對3號電容器和4號電容器進行了切除操作，圖3為3號電容器切除時的102開關諧波含量趨勢圖。

從圖中可以看出，在3號電容器切除時刻的前后十分鐘內，各次諧波含量中，5次諧波含量變化較大，其余各次并沒有明顯的變化［5］，說明實際運行的電容器對5次諧波起到了較明顯濾除作用，諧波并沒有被放大［6］。4號電容器切除時103開關諧波含量趨勢與圖3類似，因此不再贅述。

圖3 10 kV 102開關2-7次諧波趨勢圖Fig.3 Trend diagram of 10 kV 102 switch 2-7 sub harmonic

4 建議與對策

現(xiàn)場用同樣的方法對4號電容器進行電能質量檢測，在測試時間內，3號電容器和4號電容器運行環(huán)境相同，負載率和諧波比例基本一致，但4號電容器串聯(lián)電抗器溫升正常，無過熱現(xiàn)象，而3號所串電抗器溫升過高。排出了變電站的電能質量特別是諧波引起的電抗器發(fā)熱的事故原因。

通過上述過程的排查與檢測，最終得出結論：由于電抗器長時間投入使用，缺少必要的維護與清理，外來異物堵塞電抗器的氣道，導致其無法正常散熱，最終造成電抗器溫升過高，致使電抗器發(fā)熱［7］。針對現(xiàn)場運行的3號電容器串聯(lián)電抗器的溫升超標問題，筆者提出以下建議與對策：

（1）3號電容器串聯(lián)電抗器發(fā)熱明顯，存在運行安全隱患，建議對其進行更換或請制造廠家進行改造，如：降低鐵芯的Bm值，或者換高牌號的硅鋼片，使其溫升符合供電公司要求；

（2）在現(xiàn)有條件下，更換電抗器柜體板門結構為網狀結構，加強通風，可以在氣溫較高的情況下，增加一定數(shù)量的風扇。以降低柜內環(huán)境溫度；

（3）定期對3號電容器所在線路及變電站相關線路進行電能質量檢測分析，防止因電能質量問題，特別是諧波引起電抗器的異常發(fā)熱；

（4）現(xiàn)場運行人員加強3號電容器的巡視和測溫，一旦出現(xiàn)異常溫升或溫度過高，應立即停運檢查。

5 結束語

電抗器是變電站應用較多的電力系統(tǒng)元件，也是其重要的基礎元件。鑒于本次工程實例，今后，在變電站為新建電容器組選擇串聯(lián)電抗器時，需考慮裝置接入處的諧波背景［8］，校核接入系統(tǒng)的電容器組是否會發(fā)生有害的并聯(lián)諧振、串聯(lián)諧振和諧波放大［9］，將設備投運后，發(fā)生的發(fā)熱或燒毀事故的概率，降到最低。電抗器的使用應該嚴格按照國家和地方標準進行采購安裝，否則容易導致溫升超標進而影響電抗器工作效率。嚴格執(zhí)行電抗器的相關運行技術要求，保證電力網安全有效地運行［10］。