低压配电系统无功功率补偿装置的故障分析与技术改进

2022-09-11

1 工程概况

珠海市拱北水质净化厂三期工程是意大利政府贷款项目, 设计规模为8万m3/d, 采用A2O污水处理工艺, 该工期于2002年9月投入试运行。主要设备及低压配电系统 (马达控制中心以下简称MCC1、MCC2) 都为原装进口设备。MCC1装有2台变压器, 参数为500KVA, 10/0.4kV, Z=3.94%。MCC2装有2台变压器, 参数为630KVA, 10/0.4kV, Z=5.66%。在MCC1和MCC2的低压母线上并联安装有电容无功补偿装置进行功率因数的集中补偿, 以保证全厂总平均功率因数达到0.9以上, 满足供电要求, 采用接触器式自动投切。每台变压器无功补偿容量都为250kvar, 分5路投切, 每组容量为50kvar, 由COMAR品牌的15个额定容量为4.8kvar的单体电容采取一定的接线方式组成的三相电容器组。

2 故障现象

投运以来, 电容器曾多次发生爆炸, 导致变压器低压出线开关跳闸;无功补偿装置的元器件故障频繁, 如熔断器经常烧断、接触器触点熔化;位于MCC1附近的中控室控制系统主机经常无故死机;各PLC子站的UPS电源无故烧毁;运行中的设备无故跳停。到后期, 电容器5路全部投运, 都不能使补偿后的功率因数达到0.9, 被供电局罚款, 电容补偿装置已不能满足配电系统的运行要求。

3 原因分析

由于缺乏经验, 起初尚未发现装置故障原因, 误认为是设备质量问题, 或是元器件容量选择偏小而导致频繁烧坏。最初采取的措施是:更换烧断的熔断器, 增大其容量;更换接触器, 增大其容量。虽然运行效果有所好转, 但并没有从根本上解决问题, 仍然会经常烧坏上述元器件, 维修量居高不下。而已运行多年的一、二期国产设备却从未出现此类故障。为此, 先从对比一、二期和三期主要设备着手寻找原因, 通过比较发现, 一、二期和三期主要设备的控制方式完全不同 (如表1所示) , 三期工程为达到改善起动条件和节能降耗的目的, 主要设备都采用了变频器和软启动器控制。随着对变频器和软启动器工作原理的深入了解和对谐波危害的深刻认识, 知道由于这些非线性设备的存在, 产生了大量的谐波。大量谐波加在电容器两端时, 由于电容器对谐波阻抗很小, 谐波电流叠加在电容器的基波上, 使电容器电流变大, 温度升高, 寿命缩短, 引起电容器过负荷甚至爆炸, 并且烧坏元器件;其它设备故障都有可能是谐波干扰引起的。

注:Ithd为总谐波电流畸变率, Vthd为总谐波电压畸变率

3.1 变压器谐波参数对比分析

由于进水量不足, 负荷不大, 在前几年MCC1、MCC2都只投运一台变压器。我们采用数字式谐波分析仪分别对MCC1、MCC2两个低压配电系统的变压器进行了谐波测试, 经过测试发现其谐波含量大, 同时发现MCC1存在的问题较为严重。具体谐波测试情况对比分析如下。

1号变压器低压侧谐波测试数据 (主要负荷:进水泵、脱水机) , 其无功补偿装置投运前后的谐波情况比较如表2所示。从表1数据对比可发现:当电容器投运时, 系统总谐波电流畸变率被放大了将近5倍, 5次谐波电流被放大了将近4倍, 7次谐波电流被放大了将近6倍, 特别是11次谐波电流被放大了将近12倍。同时, 电容器对19次谐波电流起到了明显的吸收作用, 对19次谐波进行了滤波。

2号变压器低压侧谐波测试数据 (主要负荷:鼓风机) , 其无功补偿装置投运前后的谐波情况比较如表3所示。从表3数据对比可发现:当电容器投运时, 系统总谐波电流畸变率被放大了2倍以上, 5次谐波电流被放大了将近5倍, 7次谐波电流被放大了将近8倍, 特别是11次谐波电流被放大了将近10倍, 同1号变压器电容器一样, 对17次谐波起到了滤波作用。

3.2 原因分析结论

从以上测试结果分析来看, 这两个低压配电系统的谐波含量均较大, 无功补偿装置电容器投运后, 系统总谐波畸变率均有不同程度的放大, 其中5次、7次、11次谐波放大较为严重。通过对测试结果的分析, 得出如下结论。

在非线性负荷较多的配电系统中, 产生大量的谐波, 如使用常规的电容型无功补偿装置进行补偿, 容易使电容器与系统电感形成谐振回路, 从而放大系统的谐波。

谐波给低压配电系统带来了很大的危害, 使常规的电容型无功补偿装置中的电容器吸收了大量谐波, 导致电容器过电压和过电流, 引起熔断器熔断和接触器烧坏, 甚至烧坏电容器。

4 改进方案设计

通过对测试结果的分析, 弄清楚了三期工程电容无功补偿装置无法正常运行的真正原因, 解决问题时也就有的放矢, 我们决定对低压配电系统的无功补偿装置进行技术改造。由于配套进口的电容器柜空间狭小, 只能根据柜内空间定做抗谐波电力电容器, 在每组电容器回路中串联经过计算的合适百分比的电抗器, 用来抑制谐波, 选用专门的高性能防涌流接触器投切各电容器组。

无功补偿装置经过上述改进后, 有效地抑制了5次、7次、11次谐波电流, 没有再出现谐波放大现象。同时, 无功功率补偿装置运行情况良好, 没有再发生元器件的损坏, 其它设备误跳闸的情况不再出现, 自控系统也稳定。平均功率因数由投入前的0.7～0.8提高到投入后的0.95以上, 完全满足配电系统的运行要求。

5 结语

笔者通过对珠海市拱北水质净化厂三期工程的无功补偿装置故障和技术改进进行分析研究, 针对无功补偿装置故障原因, 提出有效的改进方案。通过对上述问题的解决, 积累了一些关于无功补偿装置改进的经验以供同行借鉴:凡是带有变频器、软启动器的低压配电系统, 其谐波含量较大;在这类配电系统中选用无功功率补偿装置时, 要根据实际负荷情况, 选用相应的抑制谐波型的无功功率补偿装置, 才能保证无功功率补偿装置的正常运行, 才能保证补偿后的功率因数达到系统的运行要求, 才能实现节能降耗的目的。

注:Ithd为总谐波电流畸变率, Vthd为总谐波电压畸变率

摘要：珠海市拱北水质净化厂三期工程投运以来, 电容器发生多次爆炸, 无功补偿装置的元器件故障频繁, 通过无功补偿装置投运前后的谐波测试数据分析无功补偿装置的故障原因, 并根据无功补偿装置故障原因的分析结果提出技术改进方案, 提出带有变频器、软启动器的低压配电系统应根据实际负荷情况选用相应的抑制谐波型的无功功率补偿装置, 可为低压配电系统无功功率补偿装置的改进提供参考。

关键词：功率补偿装置,变频器,电容器