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【摘 要】通过对事故的原因分析，供电线路发热的解决方案及相应经济效益的思考。
【关键词】无功补偿；谐波；功率因数；过负荷
0.引言
随着电力系统的不断发展和用电负荷的不断增加，越来越多的非线性负荷接入电网，电力系统中的谐波及闪变问题越来越来突出。
中国重汽济南桥箱公司冲焊车间西中频炉铝制母线近期频繁短路。8月11日、8月20日、9月5日连续发生3次短路故障，母线温度长期维持在60-80℃之间；工作状态仪表显示最大相电流1400A以上；多次频繁故障严重影响生产，故提出相应方案，效果明显且具有值得推广的经济效益。
1.故障原因及对策
1.1故障信息收集
配电室：变压器容量2000KVA，组别DYn11；集中补偿800KVAR，低压供电线路出现：东中频、西中频、压力机、照明。
设备：750KW中频电源，中频出线电压500V，额定电流1500A
供电线路线路：额定电流1600A密集型硬铝母线，80米4（4*185+1*95）电缆20米。
满负荷运行经集中补偿后功率因数0.85；故障线路cosψ=0.66，仪表显示三相最大电流1400A以上。
钳形万用表测量故障线路电流互感器电流2-9A不等。（互感器变比4000/5）
最近3次故障均为相间短路，分布于不同段间，但故障点均位于连接器附近，短路发生之前温度长期超过60℃。
拆解故障母线：母线主要采用1mm厚聚四氟乙烯定向薄膜作为绝缘材料，为密集型封装；灼穿点附近绝缘薄膜板结、碎化。
整改前三相电压、电流值：A：227V， 1406A B：227V， 1391A C：226V， 1421A
故障发生前故障点附近温度：故障点一：72℃；故障点二：74℃；故障点三：73℃；故障点四：69℃。
1.2故障分析
谐波不仅导致电气设备寿命缩短、网损加大、系统发生谐波谐振的可能性增大，亦会引起电气设备绝缘寿命的缩短，进而发生相地或相间短路故障。
由于故障线路为实心板质铝材，而本段母线设计电流额定值偏小。谐波的集肤效使电流集中在导体表面流过，造成线路额定电流的 “过负荷”，进而影响运行母线温度升高，停机后母线温度下降产生热胀冷缩效应，连接片松动，加剧温升攀高，随着时间推移绝缘老化加速，伴随着压力机的震动，部分板结绝缘薄膜脱落，最终导致短路故障发生。
4000/5互感器经钳形万用表检测后数据为3-9A，9A这一数字跟互感器的额定电流有出入，众所周知互感器一次侧通过范围内的任意电流，二次侧电流值应保持在5A以内，而测量数据显示9A，初步推断为谐波干扰测量结果；采用带有屏蔽功能的检测设备后测量数值稳定在5A以下，而仪表所带互感器变比已被锁死，故受谐波影响不明显，显示数据可用，经精密电能质量分析仪测量误差在允许范围内。
1.3解决方案思路
由于该段线路发生多次短路故障，灼伤点经打磨，母线截面积减小，相应载流量下降，只能削减谐波的同时增大线路载流量或降低线路电流。
增大线路载流量：线路更换为2000A以上硬母线。优点是过载能力强、有利于后期扩容；缺点是开关容量需与母线容量匹配、投资大、施工周期长，整改费用45万左右。
滤除谐波、降低线路电流：安装就地补偿部分消谐设备。降低了线路实际通过电流，削减了主要谐波量。优点是投资小、便于安装；缺点是增加维护量、有一定风险（如不随中频设备同时开启或故障，此段母线回到事故前隐患状态），整改费用8万左右。
2.方案分析
从经济与实际效果角度，应选择滤除谐波、降低线路电流方案，安装就地补偿部分消谐设备，以消除3次及3的倍数的谐波为主，设备全开补偿功率因数至0.8-0.9即可。
2.1计算方法
功率因数从0.66提高至0.9以上；按照公式Q=√3*U*I*sinΦ；S=P/cosΦ；Q=P*tanΦ计算。
补偿容量缺口约为500KVAR，由于设备为间断性负荷，所需无功补偿量在持续增长至最高点后，随着处理件的推出，负荷降低，相应的所需补偿量开始回落，故只要保证满载运行时cosψ=0.9即可。故采用分组试211的投切方式：在中频炉启动时将第一组200 Kvar电容器组投入，保证在启动到加载过程中保持在较高值；随着负荷增大，系统会根据情况自动将第二组第三组150Kvar电容器组陆续投入，使系统始终保持在适当功率因数值之内。
2.2设计要求
（1）应满足国家、行业的相关标准的要求，具备“五防”的要求；（2）铜排的连接部分必须搪锡；（3）各母线的连接应良好，绝缘支撑件、安装件及其它附件安装应牢固可靠；（4）每段母线上的两台电容器柜一套自动补偿仪同时实现自动、手动功能；（5）电容器装置采用可控硅动态无功功率补偿器；（6）触发器：采用光电触发技术。
2.3设备主要参数
选用山大华天HTEQ-V31-0.4/480补偿消谐柜。
（1）额定电压0.4kV；（2）额定频率50Hz；（3）电容允许偏差0- +5%；（4）三相电容不平衡度≤2%；（5）接线方式角形接线；（6）所配电抗器电抗率6%；（7）补偿方式动态跟踪补偿，抑制部分3次及其倍数谐波；（8）保护功能：缺相、短路、过电压、过流、欠压、过热。
3.整改效果
本方案是专为冲焊中频炉滤波补偿设计的，根据实际运行情及设计原则，滤波补偿装置的作用有四个：
（1）消谐作用：针对3次特征谐波电流进行支路滤波，从根本上解决母线的集肤发热效应和烧毁问题，延长用电设备及母线的使用寿命。 （2）增加一项节能项目：设计滤波装置，吸收和抑制谐波源设备产生的谐波电流、谐波电压，投入滤波设备后，在条件不变、同等产量的情况下，节能3-5%左右。
（3）降低运行线路温升：削减谐波的同时，消除表层“过负荷”的现象，保证线路温升的下降。
（4）提高整个系统的功率因数，使考核点的平均功率因数达到预期要求，有效降低电流或者说提高变压器的负载能力。
3.1测试效果对比
测试时间：2011年9月19日
测试仪器：DZ-4A电能质量分析仪、AR330红外测温仪
测量方法：DZ-4A电能质量分析仪通过PT和CT对0.4kV中频设备供电线路电流和电压进行采样和分析，从而得到实时数值及其波形数据； AR330红外测温仪据测量点1M内进行温度检测。
仪器测量方式：DZ-4A电能质量分析仪测量方式是在3秒钟内对3相电压和3相电流信号进行6次同步等间隔采样，利用FFT分析出这6次采样的测量结果，然后进行方均根处理，这样可以区分暂态现象和谐波。处理结果作为一个采样样本，按照设定的定时区间进行定时采样记录，记录结果用后台机程序分析整理统计；AR330红外测温仪直接读取数据。
统计分析方法：DZ-4A电能质量分析仪在设定的时间段内对所选择的测量数据进行筛选，分析出各次谐波电压和电流的最大值、最小值、平均值、参考值（即95%概率值，其取法为：将各次测量值按从大到小的顺序排列，去除总数的5%的较大值，取其剩余95%中最大的那个测量值作为代表值）；AR330红外测温仪选取4处故障点测试。
测试结果：整改前三相电压、电流值：A：227V， 992A；B：226V， 1012A；C：225V， 994A
3.2结论
对比可看出整改前后电压、电流虽然波形不完全是正玄波，但滤波效果显著改善，实测电流整改后线路电流下降400A以上，线路损耗降低，温升降低；经过本次整改满足了设备负载、线路要求，运行至今未发生事故。
4.结束语
由于中频炉是谐波源设备之一，谐波含量较为严重，如果单独只做补偿，一般的动态、静态、就地无功补偿，解决不了谐波问题，而且有的无功补偿还会带来一定副作用，放大谐波，强制性使用可能会引起系统谐振，使得谐波电压和谐波电流畸变更为严重，过电流值较大，将影响电容器寿命和系统稳定性，造成功率因数偏低.所以根据系统自身实际情况。
鉴于中频电源设备谐波危害精密设备、功率较高的特点，可将多套中频设备与谐波影响较轻的设备共用一条供电母线，针对某些大功率设备采用就地补偿外的方式，不仅使线路容量满足了设备用电需求，而且降低了投资。 [科]
【参考文献】
[1]刘介才编.工厂供电（第四版）.北京：机械工业出版社，2007，7.
【关键词】无功补偿；谐波；功率因数；过负荷
0.引言
随着电力系统的不断发展和用电负荷的不断增加，越来越多的非线性负荷接入电网，电力系统中的谐波及闪变问题越来越来突出。
中国重汽济南桥箱公司冲焊车间西中频炉铝制母线近期频繁短路。8月11日、8月20日、9月5日连续发生3次短路故障，母线温度长期维持在60-80℃之间；工作状态仪表显示最大相电流1400A以上；多次频繁故障严重影响生产，故提出相应方案，效果明显且具有值得推广的经济效益。
1.故障原因及对策
1.1故障信息收集
配电室：变压器容量2000KVA，组别DYn11；集中补偿800KVAR，低压供电线路出现：东中频、西中频、压力机、照明。
设备：750KW中频电源，中频出线电压500V，额定电流1500A
供电线路线路：额定电流1600A密集型硬铝母线，80米4（4*185+1*95）电缆20米。
满负荷运行经集中补偿后功率因数0.85；故障线路cosψ=0.66，仪表显示三相最大电流1400A以上。
钳形万用表测量故障线路电流互感器电流2-9A不等。（互感器变比4000/5）
最近3次故障均为相间短路，分布于不同段间，但故障点均位于连接器附近，短路发生之前温度长期超过60℃。
拆解故障母线：母线主要采用1mm厚聚四氟乙烯定向薄膜作为绝缘材料，为密集型封装；灼穿点附近绝缘薄膜板结、碎化。
整改前三相电压、电流值：A：227V， 1406A B：227V， 1391A C：226V， 1421A
故障发生前故障点附近温度：故障点一：72℃；故障点二：74℃；故障点三：73℃；故障点四：69℃。
1.2故障分析
谐波不仅导致电气设备寿命缩短、网损加大、系统发生谐波谐振的可能性增大，亦会引起电气设备绝缘寿命的缩短，进而发生相地或相间短路故障。
由于故障线路为实心板质铝材，而本段母线设计电流额定值偏小。谐波的集肤效使电流集中在导体表面流过，造成线路额定电流的 “过负荷”，进而影响运行母线温度升高，停机后母线温度下降产生热胀冷缩效应，连接片松动，加剧温升攀高，随着时间推移绝缘老化加速，伴随着压力机的震动，部分板结绝缘薄膜脱落，最终导致短路故障发生。
4000/5互感器经钳形万用表检测后数据为3-9A，9A这一数字跟互感器的额定电流有出入，众所周知互感器一次侧通过范围内的任意电流，二次侧电流值应保持在5A以内，而测量数据显示9A，初步推断为谐波干扰测量结果；采用带有屏蔽功能的检测设备后测量数值稳定在5A以下，而仪表所带互感器变比已被锁死，故受谐波影响不明显，显示数据可用，经精密电能质量分析仪测量误差在允许范围内。
1.3解决方案思路
由于该段线路发生多次短路故障，灼伤点经打磨，母线截面积减小，相应载流量下降，只能削减谐波的同时增大线路载流量或降低线路电流。
增大线路载流量：线路更换为2000A以上硬母线。优点是过载能力强、有利于后期扩容；缺点是开关容量需与母线容量匹配、投资大、施工周期长，整改费用45万左右。
滤除谐波、降低线路电流：安装就地补偿部分消谐设备。降低了线路实际通过电流，削减了主要谐波量。优点是投资小、便于安装；缺点是增加维护量、有一定风险（如不随中频设备同时开启或故障，此段母线回到事故前隐患状态），整改费用8万左右。
2.方案分析
从经济与实际效果角度，应选择滤除谐波、降低线路电流方案，安装就地补偿部分消谐设备，以消除3次及3的倍数的谐波为主，设备全开补偿功率因数至0.8-0.9即可。
2.1计算方法
功率因数从0.66提高至0.9以上；按照公式Q=√3*U*I*sinΦ；S=P/cosΦ；Q=P*tanΦ计算。
补偿容量缺口约为500KVAR，由于设备为间断性负荷，所需无功补偿量在持续增长至最高点后，随着处理件的推出，负荷降低，相应的所需补偿量开始回落，故只要保证满载运行时cosψ=0.9即可。故采用分组试211的投切方式：在中频炉启动时将第一组200 Kvar电容器组投入，保证在启动到加载过程中保持在较高值；随着负荷增大，系统会根据情况自动将第二组第三组150Kvar电容器组陆续投入，使系统始终保持在适当功率因数值之内。
2.2设计要求
（1）应满足国家、行业的相关标准的要求，具备“五防”的要求；（2）铜排的连接部分必须搪锡；（3）各母线的连接应良好，绝缘支撑件、安装件及其它附件安装应牢固可靠；（4）每段母线上的两台电容器柜一套自动补偿仪同时实现自动、手动功能；（5）电容器装置采用可控硅动态无功功率补偿器；（6）触发器：采用光电触发技术。
2.3设备主要参数
选用山大华天HTEQ-V31-0.4/480补偿消谐柜。
（1）额定电压0.4kV；（2）额定频率50Hz；（3）电容允许偏差0- +5%；（4）三相电容不平衡度≤2%；（5）接线方式角形接线；（6）所配电抗器电抗率6%；（7）补偿方式动态跟踪补偿，抑制部分3次及其倍数谐波；（8）保护功能：缺相、短路、过电压、过流、欠压、过热。
3.整改效果
本方案是专为冲焊中频炉滤波补偿设计的，根据实际运行情及设计原则，滤波补偿装置的作用有四个：
（1）消谐作用：针对3次特征谐波电流进行支路滤波，从根本上解决母线的集肤发热效应和烧毁问题，延长用电设备及母线的使用寿命。 （2）增加一项节能项目：设计滤波装置，吸收和抑制谐波源设备产生的谐波电流、谐波电压，投入滤波设备后，在条件不变、同等产量的情况下，节能3-5%左右。
（3）降低运行线路温升：削减谐波的同时，消除表层“过负荷”的现象，保证线路温升的下降。
（4）提高整个系统的功率因数，使考核点的平均功率因数达到预期要求，有效降低电流或者说提高变压器的负载能力。
3.1测试效果对比
测试时间：2011年9月19日
测试仪器：DZ-4A电能质量分析仪、AR330红外测温仪
测量方法：DZ-4A电能质量分析仪通过PT和CT对0.4kV中频设备供电线路电流和电压进行采样和分析，从而得到实时数值及其波形数据； AR330红外测温仪据测量点1M内进行温度检测。
仪器测量方式：DZ-4A电能质量分析仪测量方式是在3秒钟内对3相电压和3相电流信号进行6次同步等间隔采样，利用FFT分析出这6次采样的测量结果，然后进行方均根处理，这样可以区分暂态现象和谐波。处理结果作为一个采样样本，按照设定的定时区间进行定时采样记录，记录结果用后台机程序分析整理统计；AR330红外测温仪直接读取数据。
统计分析方法：DZ-4A电能质量分析仪在设定的时间段内对所选择的测量数据进行筛选，分析出各次谐波电压和电流的最大值、最小值、平均值、参考值（即95%概率值，其取法为：将各次测量值按从大到小的顺序排列，去除总数的5%的较大值，取其剩余95%中最大的那个测量值作为代表值）；AR330红外测温仪选取4处故障点测试。
测试结果：整改前三相电压、电流值：A：227V， 992A；B：226V， 1012A；C：225V， 994A
3.2结论
对比可看出整改前后电压、电流虽然波形不完全是正玄波，但滤波效果显著改善，实测电流整改后线路电流下降400A以上，线路损耗降低，温升降低；经过本次整改满足了设备负载、线路要求，运行至今未发生事故。
4.结束语
由于中频炉是谐波源设备之一，谐波含量较为严重，如果单独只做补偿，一般的动态、静态、就地无功补偿，解决不了谐波问题，而且有的无功补偿还会带来一定副作用，放大谐波，强制性使用可能会引起系统谐振，使得谐波电压和谐波电流畸变更为严重，过电流值较大，将影响电容器寿命和系统稳定性，造成功率因数偏低.所以根据系统自身实际情况。
鉴于中频电源设备谐波危害精密设备、功率较高的特点，可将多套中频设备与谐波影响较轻的设备共用一条供电母线，针对某些大功率设备采用就地补偿外的方式，不仅使线路容量满足了设备用电需求，而且降低了投资。 [科]
【参考文献】
[1]刘介才编.工厂供电（第四版）.北京：机械工业出版社，2007，7.