梁曉亮, 楊 洋, 史貴風

[1.北京中冶設備研究設計總院有限公司, 北京 100029;2.上海電器科學研究所(集團)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載(如機器人、直流電源、沖壓機等),這些諧波源和沖擊性負荷使得配電系統(tǒng)存在大量的諧波、電壓波動、電壓暫降,產生大量的無功功率,造成系統(tǒng)功率因數(shù)低等電能質量問題[1]。

某車廠沖壓車間發(fā)生電容器燒毀,并引發(fā)整個無功補償柜起火燒毀事故,文獻[2]對電力電容器常見故障特征及其原因進行了介紹,認為設備制造質量、補償回路設計、系統(tǒng)諧波、運行環(huán)境等因素造成電容器故障時有發(fā)生。首先對整個配電系統(tǒng)總進線端、無功補償支路進線端、有源濾波裝置輸出端進行電能質量在線監(jiān)測,同時長時在線錄取各個測試回路的電壓、電流波形,評估諧波對此次事故的潛在影響,現(xiàn)場對該車間內的無功補償柜、電容器、電抗器等低壓元器件進行抽樣,送到專業(yè)實驗室,依據(jù)國家標準對送檢器件特性進行驗證分析。通過現(xiàn)場檢驗與實驗室檢測相結合,最后總結了此次事故發(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

沖壓車間無功補償支路設計總安裝容量為1 200 kvar,分別設置了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,沖壓車間無功補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)補償柜起火,考慮到?jīng)_壓車間電能質量問題的復雜性,本次檢測主要對系統(tǒng)諧波及產品質量進行分析評估。

圖1 沖壓車間一次電力系統(tǒng)圖

2 事故檢測內容

2.1 沖壓車間配電系統(tǒng)電能質量監(jiān)測

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

(1) 工況一:無功補償支路未投入運行,APF未投入運行。

(2) 工況二:無功補償支路投入運行,APF未投入運行。

(3) 工況三:無功補償支路未投入運行,APF投入運行。

(4) 工況四:無功補償支路投入運行,APF投入運行。

整個測試過程中,工廠正常生產進行。測得系統(tǒng)0.4 kV總進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總進線端諧波電流監(jiān)測數(shù)據(jù)如表3所示,無功補償柜支路、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總進線端的諧波值均滿足國家標準要求。由表4可以看出,APF投入運行后,無功補償支路的諧波電流有所減小,但APF并未有效補償系統(tǒng)網(wǎng)側的諧波電流,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總進線端諧波電流監(jiān)測數(shù)據(jù)

表4 無功補償柜支路、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,無功補償裝置處于自動投切狀態(tài)時,對0.4 kV總進線端,無功補償支路,有源濾波支路進行長時在線錄波,在查閱波形數(shù)據(jù)時,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,無功補償支路出現(xiàn)類似B相、C相相間短路的現(xiàn)象,此時系統(tǒng)電壓無異常變化,無功補償支路B相與C相電流峰值達到約970、910 A,之后經(jīng)過約0.045 s后,電容器組投入運行。

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

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

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:無功補償柜一面,電容柜內電容器4組,電抗器4組,送至實驗室進行測試。實驗室無功補償柜支路、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

沖壓車間的負荷功率變化較快,在該種環(huán)境的運行情況下,電容器組為滿足控制點對功率因數(shù)的要求,將會頻繁投切。沖壓車間電容器組控制裝置再投延時時間間隔設置為1 s,結合實驗室電容器的放電試驗,電容器由峰值電壓下降到50 V的時間約為150 s,而本次檢測的無功補償裝置中未發(fā)現(xiàn)設置相應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行的風險,電容器的殘壓疊加,可能影響電容器的壽命,甚至會導致電容器過電壓,最終導致電容器炸裂。在現(xiàn)場檢測期間,已監(jiān)測到?jīng)_壓車間電容器組投切時,存在電流峰值為900 A的類似擊穿短路的異?，F(xiàn)象,若電容器組頻繁投切,則會多次發(fā)生該現(xiàn)象,導致電容器存在因過流而損壞的風險[3]。

圖3 局部異常波形圖2

圖4 局部異常波形圖3

從現(xiàn)場抽檢的電容器產品送至專業(yè)實驗室進行檢測,檢測結果顯示,其中1組電容器的電容值偏差超出標準要求范圍,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,若繼續(xù)長期投入運行,將很大可能導致系統(tǒng)發(fā)生諧振。

從現(xiàn)場抽樣的電容器中選取2組電容器進行破壞性試驗,2組電容器試驗過程中均產生爆炸聲響,觀察電容器端子及外殼爆裂,不符合國家標準要求,可判定該電容器不合格(電容器破壞性試驗是型式試驗中的必檢項目之一,根據(jù)國家標準要求,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)實際使用中出現(xiàn)了類似實驗室中的爆炸現(xiàn)象,說明電容器組的性能不符合國家標準要求。

表5 實驗室無功補償柜支路、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,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態(tài)無功功率補償裝置等。同時,配電系統(tǒng)選用的電容器應滿足國家標準要求[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償裝置(SVG)或SVG配合固定無源無功補償裝置,提升無功補償效果[5]。

4 結 語

本文針對某汽車制造廠沖壓車間無功補償柜燒毀事故,對整個車間的配電系統(tǒng)電能質量進行整體評估,同時從事故現(xiàn)場抽取無功補償柜、電容器、電抗器,送到專業(yè)實驗室依據(jù)相關國家標準對抽取的樣品進行檢測,結合現(xiàn)場測試和實驗室測試結果,給出了事故發(fā)生的原因,最后給出相應的解決方案和措施,以保障該廠沖壓車間電力系統(tǒng)安全可靠運行。