高压串联电抗器配置偏小烧毁故障分析

摘要：本文通过某水泥厂投运的高压调谐电抗器因选型失误而导致烧毁故障分析与处理过程，澄清了对于国外电力电容器选型设计注意要点，以及配套国产调谐电抗器设计匹配问题反思与教训，引发对调谐电抗器设计与选型问题重新认识，说明高压调谐型铁芯电抗器因设计容量不匹配，给系统运行所带来严重危害，最后延伸探讨了高压调谐型铁芯电抗器不同形式匹配失误（选型过大或偏小），都会给系统稳定运行带来一定事故隐患或危害，为处理类似事故提供了很好的帮助。

关键词：系统电压，设计容量，安装容量，电抗率，过载，烧毁。

一、引言

新疆某水泥厂投运的WBB系列高压无功补偿设备，刚刚使用不久就出现了调谐电抗器烧毁严重事故，电抗器主要是以A、C相损毁严重，直接影响高压电容器正常投运，得知事故消息后，我公司即刻派出了专业技术人员前往用户现场进行电能质量专业测量，但发现现场背景谐波并不大，尚不能构成对调谐电抗器的直接影响，随后服务人员对现场工况环境也做了仔细勘察，也未发现异样，所有外因环境、工况条件而导致故障可能性都基本被否定，那么事故真正原因尚需从设计源头问题开始核查，一一梳理，逐渐理清事故原因，于是我们就依照原有技术协议和图纸设计要求，仔细检查了补偿设备的故障问题，并且收集整理现场故障数据和问题后，及时回传了公司，及时组织专家做综合会诊和商榷，以期找出故障原因，提出解决问题的办法。

二、分析现场高压调谐电抗器烧毁事故原因

1、调谐型串联电抗器选配原则和特性要求

通常对于水泥厂大多因变频器和固态软起动等6脉整流设备的谐波源而言，系统主要以5、7次谐波为主，调谐型电力电容无功补偿系统串联6%电抗率作用是可以使5次以下的谐波（如2、3次谐波）均有一定程度放大作用，但对于系统的5次以上的谐波（如5、7、9、11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。

串联6%电抗率的电抗器后，调谐支路电力电容器端电压会比母线系统电压抬升约6 %，调谐支路电流也增大了约6 %左右。

国内电抗器生产厂家对于电抗器技术要求基本是参照国标并联电容器用串联电抗器设计选择标准相关规定制定，通常在企业间通行的行业约定为：串联电抗器的温升试验要求在1.35倍工频额定电流下长期进行，电抗器满载温升小于65℃；电抗器运行噪声等级不大于55dB。

电抗器稳态过载能力通行判断条件：如果超过其额定电流1.5～1.8倍甚至更高时，电抗器将明显进入饱和区，电抗器不会再呈线性变化，而会呈非线性变化，电抗值会大幅度下降，对应电抗百分数亦下降，其超载能力不断削弱，直至烧毁。

2、现场高压串联电抗器故障问题解析

2.1 事故现场核心器件配置情况：

（1 ）该项目技术协议约定系统配置使用进口意大利督凯提电容器，其规格型号有三种：

3*6950D685（单相电压6950V，单相额定容量685 kvar，三相12kV安装容量2055 kvar）；

3*6950D457 （单相电压6950V，单相额定容量457kvar，三相12kV安装容量1371 kvar）；

3*6950D229（单相电压6950V，单相额定容量229kvar，三相12kV安装容量687 kvar）；

（2 ）技术协议约定调谐电抗器有三种：

①配套标称电压12kV，1500 kvar的7%电抗器，型号为CKSC-105/12-7%；

②配套标称电压12kV，1000 kvar的7%电抗器，型号为CKSC-70/12-7%；

③配套标称电压12kV，500 kvar的7%电抗器，型号为CKSC-35/12-7%；

2.2 事故要因分析

经过专业技术人员仔细分析，很快就找到导致事故主要原因为高压调谐电抗器配置错误，配置错误焦点问题在于：在委托生产的技术协议中，将电容器的10kV系统电压下设计容量和12kV标称电压下安装容量中的这两个概念混为一谈了，张冠李戴把设计输出容量上，安上了安装容量标称电压等级，这种设计上概念混淆，直接导致调谐电抗器选型失误，电抗器选型容量明显偏小。

通常为了保证在系统母线电压等级下输出标准的设计容量，就得考虑系统电网电压变化（电容器输出容量与其端电压平方成正比）和电容器电压运行过载系数1.1 倍关系，所以，为了保证10 kV 系统电容器补偿达到设计值，就必须按照12 kV标称电压等级来选择电容器的安装容量，这样，在配置调谐电抗器原则也是要按照电容器12 kV标称电压等级实际安装容量6% 或7%的电抗率来配置调谐电抗器的型号。

翻看进口意大利督凯提电容器的选型样本，可以其有如下选型表作为参考：

用于10kV系统电压的调谐滤波器选型表（部分节选）

基波输出容量	电容器额定电压	电容器型号	电容器数量	接线方式
500 kvar	6950V	3*6950D229	3	Y
1000 kvar	6950V	3*6950D457	3	Y
1500 kvar	6950V	3*6950D685	3	Y

按照国标来看，电抗器型号标注中144/10 中含义是电抗器额定容量/系统额定电压，由于设计单位在配套使用电抗器时，要一并提供电力电容器完整型号，就为电抗器厂家生产设计带来便利，也有一些单位与电抗器厂家形成了约定俗成一个不成文的默契，就是将电抗器型号中系统额定电压标识成电力电容器出厂的额定标称电压，所以，我们经常会看到一些电抗器型号被标识成了CKSC-144/12-7%，这里12代表是被电抗器厂家认可配套电力电容器出厂的额定标称电压12kV，由此分析计算可以看出，原有技术协议设计人员是没有对进口电容器选型样本内系统电压下设计容量和标称电压下安装容量并没有做好基础性概念区分，就张冠李戴在系统电压下设计容量上套用了安装容量标称电压等级来误选调谐电抗器型号所致。

2.3 使用配套失误调谐电抗器所带来恶果：

对于系统配置电抗器失误所导致系统参数变化，进行详细计算和推导，得出如下数据分析结论：

（1）实际现场安装意大利督凯提电容器实际安装容量和原来选配电容器安装容量差异：

标称电压12kV系统中， 实际安装电容器与错误选配电容器安装容量对比	设计参数的差异
实际安装电容器参数	协议错误选配电容器参数	标称12kV电压安装容量差值	电流 差值
型号	计算安装容量	额定电流	安装容量	额定电流
3*6950D685	12kV 2055 kvar	98.5 A	12kV 1500 kvar	72.2 A	555 kvar	26.3 A
3*6950D457	12kV 1371kvar	65.8 A	12kV 1000 kvar	48.1 A	371 kvar	17.7 A
3*6950D229	12kV 687 kvar	32.9 A	12kV 500 kvar	24.06 A	187 kvar	8.48 A

（2）错误选配电抗器型号不变，配套至12kV标称电压安装容量系统中，各电气参量改变情况：

电抗器型号	标称12kV系统电抗器参数	标称12kV系统实际配套电容器参数
感抗XL（不变）	电抗率KL= XL/ XC偏移	压降偏移	补偿支路运行电流	12kV标称电压安装容量	容抗 XC
CKSC-105/12-7%	6.72 Ω	9.6 %	665V	98.5 A	2055 kvar	70.34 Ω
CKSC-70/12-7%	10.08Ω	9.6 %	665V	65.8 A	1371 kvar	105.29 Ω
CKSC-35/12-7%	20.16 Ω	9.6 %	665V	32.9 A	687kvar	210.6 Ω

（3 ）额定容量配置偏小电抗器，配套在实际运行补偿支路上，电抗器参数严重过载失调情况：

电抗器型号	配套 12kV电压等级下，电抗器参数过载变化
电抗率变化	电抗器压降偏移	支路运行电流变化
额定	偏移	额定 设计值	偏离值	过载	额定 设计值	支路 运行值	过载
CKSC-105/12-7%	7 %	9.6 %	485 V	665V	1.37	72.2 A	98.5 A	1.36
CKSC-70/12-7%	7 %	9.6 %	485 V	665V	1.37	48.1 A	65.8 A	1.37
CKSC-35/12-7%	7 %	9.6 %	485 V	665V	1.37	24.06 A	32.9 A	1.37

由此可以看出，容量配置偏小电抗器配置在明显较大安装容量电容器补偿系统中，原来电抗器要长期承受实际偏大运行电流（该运行电流对于标称电压下安装容量电容器而言是系统电压下的正常运行电流，而对于配置偏小电抗器而言则是超载电流），电抗率偏移变大就意味着电抗器将要承受更为加大过载压降，这两个对于电抗器最为重要参数均处于超标过载运行状态，因此，电抗器带载运行就必将过载而烧毁。

（4）电抗器配置偏小后，系统内电抗率发生偏移（电抗率增大），使得调谐谐波次数也发生了偏移：

基本接近3次谐波次数，容易引起对3 次谐波串联谐振，使大量3次谐波电流流入调谐滤波补偿支路，造成电抗器过载损坏。

（5）总结一下，配置容量偏小电抗器所导致后果有以下特点：

①将系统电压下设计容量和标称电压下安装容量混为一谈后，错误的配置容量偏小的调谐电抗器，不但没起到应有调谐滤波补偿作用（7% 的电抗器是对4次以上谐波在调谐电容补偿支路上呈感性，其对3次谐波有一定放大作用，而对于5、7次以上谐波则有部分滤除作用），但现场出现电抗器配置偏小错误后，偏移到9.6%的电抗器极易引起针对3次谐波的串联谐振；

②同时由计算可知，电抗器运行参数明显高于其额定工作压降和工作电流，完全是处于一种长期过载运行的超载状况，所以，电抗器配置容量偏小，极易造成电抗器因过载而烧毁的厄运。

三、事故应对措施

1、针对事故所采取解决措施

针对该事故特点和我们分析得出引发事故主要原因，并对照现场实际工况，对该次事故处理做了如下调整和改进措施：

（1）分析实际运行性工况：按照系统运行电压为10.5kV，配套安装容量为12kV进口意大利督凯提电容器，再配上错误配置容量变小电抗器后，系统相关参数参数变化情况实际分析如下：

电抗器型号	配套 10.5kV系统电压下，电抗器参数过载变化
电抗率变化	电抗器压降偏移	支路运行电流变化
额定	实际值	额定	实际值	过载	额定	实际值	过载
CKSC-105/12-7%	7 %	9.6%	485 V	643V	1.33	72.2 A	95.6A	1.32
CKSC-70/12-7%	7 %	9.6%	485 V	643V	1.33	48.1 A	63.7 A	1.32
CKSC-35/12-7%	7 %	9.6%	485 V	643V	1.33	24.06 A	31.9A	1.33

由以上两个数据表对比看，可以看出系统电压略微高于10kV母线额定电压后，配置偏小电抗器在补偿支路中长期过载运行，其烧毁的厄运在所难免。

2、结合现场实际情况，采取两种工况区别对待的应对措施：

①应对措施一：对于现场背景谐波含量不大，不是需要动态频繁投切无功补偿电容器位置，可以暂时短接电抗器（让调谐电抗器退出运行，以保护支路运行安全），避免不合格电抗器带病长期过载运行而烧毁引发安全事故，同时腾出时间，及时调货准备合格电抗器运到现场进行必要的检修更换。

②应对措施二：对于一些系统电压普遍偏高位置（母线电压高于额定电压10kV）、现场背景谐波含量较大、且需要动态频繁投切无功补偿电容器位置，就与用户协商及时停运和退出无功补偿电容器的运行，并马上调货更换上合格电抗器，以期及时恢复系统补偿设备正常运行。

正确标准配置的调谐电抗器参数一览表：

现场安装电容器主要参量	正确标准配置调谐电抗器主要参量
标称线电压	电容器安装容量	电抗率	安装调谐电抗器 型号	额定感抗值 XL	额定 压降
12kV	3*6950D685 （ 2055 kvar）	7%	CKSC-144/10-7%	4.92 Ω	485 V
12kV	3*6950D457 （1371kvar ）	7%	CKSC-96/10-7%	7.37 Ω	485 V
12kV	3*6950D229 （ 687 kvar）	7%	CKSC-48/10-7%	14.7 Ω	485 V

四、电抗器容量不匹配危害

此次由于设计选型失误所引发恶性事故给我们及时敲响警钟，在延伸学习和探讨过程中，我们也发现了一些值得总结纠错的结论，在这里加以说明（可以为大家更好理解调谐电抗器合理配置起到一定帮助）：

1、 电抗器配置偏小后，必须考虑问题。

（1）调谐补偿支路电抗器设计配置容量一旦偏小，一则要重点考虑的是将原有电抗器设计额定参数放在实际安装容量比较大电容补偿系统中，电抗器压降和支路电流过载情况是否超过了电抗器实际过载要求的极限，这是判断配置偏小电抗器是否烧毁首要判断因素（具体说明上面有详细对比阐述）；

（2）虽然补偿支路电抗器配置容量偏小，但电抗器设计抗值不会改变，所以，设计容量偏小电抗器放在实际安装容量比较大电容补偿系统中，电抗率会出现比较大的偏移，失偏电抗率极易造成系统低次谐波谐振，对补偿系统损坏更是雪上加霜。

2、电抗器配置偏大，引发思考问题。

在系统的研究了此次事故发生原因和背景后，引发了我们又一个延伸思考的问题，电抗器容量如果配置一旦设计偏大，那么电抗器额定参数过载问题就无需考虑了，电抗器一定是工作在铁芯励磁不饱和的特性区间，如果电抗器线性度非常好，那么电抗器所有特性都会保持，但唯一值得注意的就是必须慎重核算调谐频率谐振区间，一旦误入谐振区，就会造成设备难以承受谐波过载电流鱼贯而入，这将直接损坏电容器和电抗器安全运行，酿成恶性事故发生。

五、总结

通过我公司对现场电抗器烧毁事故综合分析，说明调谐电抗器的电抗率与电容器容量匹配必须合理设计和选型，忽略工况条件和选型要求，错误配置电抗器容量无论是偏大、还是偏小，都将对整个调谐补偿支路运行安全带来不可低估质量事故隐患，现场吸取了这一教训后，及时更换了合格标配电抗器后，调谐电容补偿设备又恢复了正常运行，同时在企业内部积极展开内部培训，让设计人员、检验人员对于非常规、不熟悉电容器无功补偿系统设计、选型配置进行重新梳理与学习，避免不应有的、致命性的、概念性的选型失误，也希望通过对该事故案例分析为解决类似事故分析与处理提供了一定的帮助。