无功补偿柜起火的原因及改进

　　某工业平台铸造厂，变压器容量为200kVA．中频炉两座，平常一座生产。同时，该厂也把厂房一部分出租给一个石棉瓦厂，故变压嚣同时向铸造厂和石棉瓦厂供电。今年一天中频炉开机时，过10分钟左右，突然无功补偿柜传来爆炸声，补偿柜起火燃烧；同时补偿柜进线也起火燃烧。所幸及时顶开变压器跌落保险，把火扑灭，否则，变压器与中频炉均会烧毁。
　　
　　1．供电系统简介

    该厂的供电系统如图1所示。供电系统架构简介：电网公司10kV电压通过跌落保险进入200kVA变压器。变压器380V通过1000A闸刀开关向石棉瓦厂和铸造厂供电。在中频炉配电室设有一个无功补偿柜。无功补偿柜容量为5组18kvar电容器，总容量为90kvar。从供电图看，这是一个不产生谐波（石棉瓦厂）与产生大量谐波（中频炉）的混合供电系统。无功补偿主要针对石棉瓦厂的电动机产生的无功负荷。

　　
　　2．无功补偿柜起火原因分析

    无功补偿柜的电路图如图2所示。这个无功补偿柜是一个小型的落地柜。主回路：断路器D247-C43/3P,接触器CJ19-43A(线圈电压为AC380V)，热继电器JR36-63．无功补偿控制器型号JKL3C-10，柜内总闸刀HD13-300/3。
　　
　　从现场损坏情况分析引起电气火灾的原因。观察5个电容器，没有一个爆炸，也没有一个鼓胀，不是电容器爆炸起火。观察热继电器，也没有发现短路放电点，空气开关和接触器都完好，只是落了一层黑灰。从主回路元件上未找到起火点，难道是控制回路引起的着火？把熔断器FU1、FU2、FU3拆下测量，均未熔断。据此判断二次回路也不是引起电气着火的原因。既不是由主回路引起又不是由二次回路引起，由此推断是由中频炉谐波引起。即是中频炉产生的奇次谐波引起了谐波电流放大，电线过热引起着火。
　　
　　该无功补偿柜已安装了4年，据铸造厂操作人员讲，以前，每次开中频炉，接触器会跳闸，这次没有跳闸，但引发电气火灾。这也证明了开中频炉产生了过流。没有跳闸是热继电器过载保护失灵。过载保护失灵后，谐波放大产生的大电流使电线过热燃烧起火。

　　3、谐波放大理论分析

    中频炉整流装置为6脉冲可控整流，非正弦波输出（从电网吸收的是正弦波电流）。中频炉使变压器低压侧电流波形畸变，电压波形也畸变。作用于无功补偿电容器上电压为非正弦波电压，是中频炉谐波合成波形的电压。
　　
　　电容器上的非正弦波电压用傅里叶级数分解为：

　　式(5)即为高次谐波引起电器过电流的一般表达式。
　　
　　由以上理论分析可知：
　　
　　(1)高次谐波存在使电容器中的总电流有效值1大于基波电流11。这就导致电容器电流超过允许值。
　　
　　(2)由公式(3)和(5)可知，电压有效值公式中，各次谐波电压含有率系数都等于1，而电流有效值的公式中，这些系数则等于各次谐波的平方。谐波对电流放大显着。
　　
　　4．谐波引发电容器的问题及原因

　　(1)并联电容器对谐波电流具有放大作用

    如果电力系统没有电容器，且不考虑线路阻抗，则其谐波阻抗为：

　　式中，Rsn系统n次谐波电阻，Xsn系统Ⅱ次谐波电抗。
　　
　　并联无功补偿电容器后，设并联电容器n次谐波电抗为Xcn，系统谐波等效电路如图3所示。系统的n次谐波阻抗为：Zsn’=(-jXcn*sn)/[Rsn+(Xsn-Xcn)]…．(7)谐波源产生的谐波电流，大小只与谐波源阻抗，谐波次数，补偿电容容量有关，与电网参数无关。在电力系统中，谐波源为电流源。其主要特征是：外部阻抗变化时，电流不变。设谐波源为n次谐波电流In注入电力系统。Isn为进入电网的谐波电流，ICn为进入电容器的谐波电流。电流的流向如图4所示。谐波电流源等效电路如图5所示。谐波源的谐波电流为：

　　从(10)，(11)两式可知由于n次谐波的作用，使谐波电流放大。其中谐波源的电流放大了Xcn/Xsn-Xcn倍；无功补偿电容器电流放大了Xsn/Xsn-Xn倍。当Xsn=Xcn时，发生了n次谐波谐振，相似于负载短路，极易烧坏中频炉、无功补偿器、变压器。
　　
　　从以上分析可知，中频炉会大量产生高次谐波，不允许在中频炉变压器低压侧做无功补偿。否则，由于谐波电流放大会烧坏电气设备，导致电气火灾。如果中频炉变压器带有其他负荷，需进行无功补偿，则应该在中频炉开机前停了无功补偿装置。
　　
　　实际上可以在电气上实现自动联锁。中频炉开机时，先停无功补偿装置，再启动中频频炉开机。两者互相联锁，只要无功补偿装置还在工作，则中频炉不能开机。

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