使用FLUKE 43B频谱分析解决水泥企业调谐无功补偿故障问题

　　FLUKE 43B是美国福禄克公司出品用于电能质量分析与监测的专用仪器，它的功能非常强大，可以利用其进行电力质量监视，得到实时数据，从而进行电力质量分析。 　　2010年在我公司配套水泥企业应用的低压可控硅投切的调谐无功补偿设备中，连续出现一些损失严重质量事故，在这些事故聚焦点都是直指电抗器事故源头，而这些电抗故障大都体现在铜铝连接头烧黄脱落或打火、电抗器有线圈严重发热后绝缘层变色甚至烧毁、并在通电后有明显电磁震动声和忽大忽小的持续气隙震荡声响等明显质量事故，为了全面彻底解决该批次质量事故给公司造成不良影响，公司决定组织专门事故调查组，采用FLUKE 43B频谱分析仪对各个事故原因进行分析调查。 1   调谐无功补偿装置简介 　　无功补偿设备是提高电能传输质量的一种重要手段，随着工业技术的发展，不断有新的电力电子装置和其他非线性负荷(又称畸变负荷)接入电网，使电网与以前相比发生了很大变化，最显著的变化就是电网中谐波含量大幅度增加，例如水泥生产企业内的广泛使用大量空压机、风机、泵类的中小型配套辅助设备，就广泛的使用了变频器和固态软起动器等设备，这些大多以6脉整流设备产生的以5、7、9次等奇次谐波为主谐波源，使得无功补偿设备的安全性和可靠性大大降低，在考虑对系统的无功补偿时，就必须采用调谐型并联无功补偿技术来抑制系统内谐波问题。 　　调谐型无功补偿装置采用电容器串联电抗器的方法，使该回路调谐频率低于网络中产生的最低次谐波的频率，使支路工频时呈容性，改善功率因数，在谐波频率时成感性，防止谐波放大，避免系统谐振和抑制谐波、限制合闸涌流等。补偿装置调谐频率及补偿容量由电容器和电抗器的特性参数共同决定，通常系统谐波源设备视在功率占配电变压器视在功率25%以上时，建议配置调谐补偿装置的，然而调谐补偿支路一旦出现电抗率与电容器的匹配不佳，对于无功补偿系统而言，其导致的后果往往适得其反的，所以，如何辨别无功补偿设备受谐波影响程度是目前调谐型并联无功补偿技术所普遍关注的重点。 2  调谐频谱分析判断无功补偿支路串联电抗器是否合适的依据 　　谐波是叠加在工频正弦波上的一个高频干扰量，它会给电网的传输电量造成波形畸变，从而带来污染，而所谓背景谐波就是指的是电网初始状态下的谐波情况，它分为两部分，一部分为上级电网的谐波渗透，另一部分来自本级电网内部谐波源影响。因此通过背景谐波这个参考点，就可以进行投入用电设备和调谐补偿设备前后的对比分析，从而获得谐波对系统影响和变化，反之，由谐波情况可判断出补偿设备配置是否合理。 　　理论计算和工程实践证明，串联6%或7%电抗率的特征是对5次以下谐波呈容性（如对3次谐波放大作用），而对5次以上谐波有一定滤除作用，且滤除率不会超过35%以上；而串联3%电抗率特征是对7次以下谐波谐波放大作用，而对7次以上谐波有一定滤除作用… … 以此类推，就可以从频谱分析角度找到规律：从几次谐波为界限，该次谐波以前谐波呈放大趋势，而之后呈有比例滤除效果，减小幅度大约控制在30%左右，甚至略低，就可以判断电抗器的电抗率是针对几次谐波以上进行调谐补偿了，然后反算电抗率就可以判断电抗率是否符合设定要求了。如，采用电抗器的电抗率为6%调谐型无功补偿支路，经过经MATLAB仿真计算后，谐波电流谐振特性曲线见图1：

图1  串联6%电抗器电路谐波谐振特性曲线

　　从图1可以看出，3次谐波综合参量落在容性区的轻度放大区域，被调谐型补偿支路放大了，而5、7次谐波综合参量都落在了感性区，则被调谐补偿支路进行部分滤波补偿。所以，调谐补偿系统串联6%电抗率作用就是可以使5次以下的谐波（如2、3次谐波）均有一定放大作用，而对于5次以上的谐波（如5、7、9次等高次谐波）会起到一定滤波补偿效果，滤波率基本在35%以下，同时也可以限制系统开关合闸浪涌作用。 3  利用FLUKE 43B仪表判断和分析调谐无功补偿支路故障 3.1  低压调谐无功补偿支路元器件质量问题判断流程 1）使用FLUKE 43B仪表的电压、电流测试功能检测支路相关参数（电容器端电压、电抗器上压降、支路运行电流），对过载情况作出判断。 2）利用系统背景谐波频谱分析方法，推断调谐无功补偿支路元器件质量问题。即在进线柜观测点位置，通过FLUKE 43B仪表电流钳测得的不同工况下谐波电流畸变率频谱图，分析对比调谐无功补偿设备投入前后背景谐波参数变化规律，从而推断出调谐补偿支路三相电抗器质量。 3.2  现场频谱数据分析推断配置7%电抗率的电抗器不合格实例 3.2.1  测试数据 　　某水泥厂低压配电室电力系统配置及谐波情况见表1，利用FLUKE 43B测试背景谐波电流畸变率变化情况见表2。

表1 电力系统配置及谐波情况（系统电压：395.9  V）

 图2     不同情形下的背景电流总畸变率

　　测试数据与理论计算数据对比分析（标称30kVar、450V的电容）见表2

表2   测试数据与理论计算数据对比

3.2.2   数据分析 1） 投电容前的背景电流总畸变率为22.2%，以5次谐波22%为主，如果直接投入纯电容补偿，则会出现系统的基波和谐波一同放大，反映在回路里主要表现在支路电流超载（45.8/34.76=1.32倍），电容直接投入有明显的“嗡嗡”声，显然长期工作在1.3倍的超载状态下，对电容有百害而无一利的，这就说明该无功补偿支路是需要进行串联6～7%电抗率的进行调谐无功补偿； 2） 电容串标称的7%电抗进行调谐补偿后，从背景谐波参数明显看出，3次谐波并没有被放大迹象，而5次谐波20%削减到了15.7%，下降率接近30%左右，7次谐波也下降不明显，说明串的电抗器的电抗率偏到了接近5次谐波的谐振频率附近了，从测试的支路电流也明显看出，电流92.7A远远大于正常的39.86A的运行值，运行电压466V也超出了实际的额定450的额定电压1.04倍，电抗器的压降92.8V远远大于运行压降18.8V正常值，调谐补偿支路运行参数的严重超标，导致了电抗器出现了明显的噪音和发热现象，由此证明了5次谐波电流一定是朝着这些支路鱼贯而入，远远超出了这些支路的额定承载能力，造成该支路的最脆弱的不合格的电抗器先期损坏，因此可以肯定，7%电抗率出现了严重偏离，电抗器有严重质量问题，实际成了针对5次谐波呈感性的4%左右的滤波电抗率了，主要起针对5次谐波有滤波作用，而失去了应有的调谐补偿作用； 　　现场处理措施：马上更换成合格的7%电抗率电抗器，为用户解决燃眉之急。 3.3、现场频谱数据分析推断配置6%电抗率的电抗器不合格实例 　　同样方式，也检测出另一个低压配电室配置的6%电抗率的电抗器不合格。该低压配电室背景谐波见图3。

图3   配6%电抗器低压配电室背景谐波频谱

　　由图3可以看出没有调谐无功补偿时，该系统的背景谐波为6.4%，主要为5次谐波，而投入调谐补偿设备后，该系统的背景谐波明显减少为2.2%，而该柜体明确标识配置串联电抗器的电抗率为6%，那么按照理论分析该系统背景谐波变化应该为放大3次谐波，而对5次以上的背景谐波有一定抑制作用，但从频谱分析图中清晰看出，该系统对5次谐波成感性，且滤除率远远大于30%以上，明显只针对5次谐波产生滤除作用，可以证明该回路的串接6%的电抗器明显偏小接近4%左右。 　　现场处理措施：由于用户正在生产，在测得了系统背景谐波通常含量不大情况下，现场先短接所有调谐电抗器使其暂时退出滤波补偿状态，保证无功补偿设备的并联电容在不超载情况下，暂时维系系统无功补偿状态，保证系统功率因数补偿合格，而后迅速调集合格6%电抗器到现场，在设备维修间隙统一更换掉原先不合格电抗器，从而彻底解决该事故。 3.4  现场频谱数据分析推断高压调谐电抗率配置错误的实例 　　由于高压电压等级限制，高压调谐补偿设备基本是没有检测手段或测试成本较高，无法完成对电容器和电抗器运行参数必要直观的测量，只能在本柜位置粗略观测以下电压、电流等基本参数，来简单判断一下回路电流参数有无过载可能性，而利用系统背景谐波和本柜谐波参数频谱分析，是高压调谐补偿设备用来推断支路元器件质量问题主要手段，方法与以上低压调谐补偿设备故障判断方法基本一致。 　　表3和图4是某水泥厂高压配电室进线柜谐波背景参数数据和图形

   表3   谐波背景参数数据

  图4   高压配电室进线柜背景谐波频谱

　　比较调谐补偿柜投入和切除时的谐波参数，可以明显看出没有调谐补偿时，该系统的背景谐波并不大仅为1.7%，微乎其微，而一旦投入了串电抗的调谐补偿回路后，系统的谐波参数放大至5.3%，而对7次以下谐波成容性，有一定的放大作用，而7次以上谐波均没有减弱或放大明显迹象，查图纸后获得信息是电抗器错误的按2%的电抗率配置的，并没有按抑制合闸浪涌1%电抗率来配置电抗器，尽管2%的电抗器本身的谐振频率就是7次，但背景谐波里7次谐波很微弱，5次谐波较强，因此会出现放大5次谐波的作用（图4b）。 4.  补救措施 　　通过一系列针对水泥企业调谐无功补偿事故得追根溯源，找出了影响调谐支路故障的电抗器制造质量低劣是祸根，如何控制电抗器质量是生产企业面临困局当务之急，至此，公司意识到了重视电抗器质量控制重要性，从而彻底改变了以往电抗器只检验外观质量和合格证书的一贯思维模式，从设计源头就规范了电抗器技术条件附加条款，电抗器的技术标准一定要符合GB10229-88《电抗器》、JB5346-91《串联电抗器》、IEC289-88《电抗器》、CECS 32：9《并联电容器用串联电抗器设计选择标准》相关技术要求，并在技术参数方面与电抗器生产厂家做出了明确约定。同时加强了电抗器进货检验措施，实施了电抗器进货抽检改为每只必检，检验采取伏安测试法进行所有电抗器进货检验线性度说否符合以上提到的相关国标的要求，对不合格电抗器坚决退回或索赔。经过一段时间严抓共管，调谐电抗器质量得到明显改观，后续调谐电抗质量事故得到迅速遏制。 5  结语 　　通过以上我公司处理现场调谐补偿设备的事故实例验证和分析说明，利用谐波电流的谐振特性方程的综合参量来区分谐波分布区域与滤波、补偿、谐振的具体关系，明确了通常调谐补偿回路串联6%电抗率具体作用，同时总结出了一整套利用FLUKE 43B仪表判断和分析调谐无功补偿支路的故障问题，为解决谐波对调谐补偿支路的影响理清了一个清晰思路。