一起由谐波引起变压器过热故障的分析及解决措施

程涛 CHENG Tao；王俊立 WANG Jun-li；龙云 LONG Yun

（天津市大港油田公司第六采油厂电力办公室，黄骅 061100）

（Tianjin Dagang Oilfield Company No.6 Oil Production Factory Electric Power Office，Huanghua 061100，China）

一起由谐波引起变压器过热故障的分析及解决措施

程涛 CHENG Tao；王俊立 WANG Jun-li；龙云 LONG Yun

（天津市大港油田公司第六采油厂电力办公室，黄骅 061100）

（Tianjin Dagang Oilfield Company No.6 Oil Production Factory Electric Power Office，Huanghua 061100，China）

本文从一起电缆（从电机到变频器电缆）绝缘破损的故障引起的，通过深入对变频器的内部结构和原理的探讨，找出造成电源电力变压器异响和异热的原因，从而引申出谐波产生的原因和其在日常工作和生活中的危害，并对抑制谐波的几种常用方法进行探讨。

电力变压器；交-直-交变频器；变频器谐波抑制

0 引言

在天津市大港油田公司第六采油厂由于部分油井高含蜡，高沥青质的原因，因此在这些油井上常采用井底电加热结合电机低转速的工艺方式进行开采，所以变频器在该单位应用十分广泛。在现代工业调速传动领域中，和以往机械调速不同的是，变频器配合电机调速有很多机械调速无法比拟的优点，但是由于变频器的工作特性，其逆变电路会对其他供电电源形成的典型的一个非线性负载产生的谐波。因此，变频器是电力系统电网中最为重要的谐波源之一，也是对电能质量产生的重要影响。

1 故障发生经过

2012年10月下旬，笔者在单位抄表的过程中，发现羊16-16井的变压器发出沉重、尖锐的鸣叫声，且变压器运行的温度较高，达到60多度，当时以为变压器内部绕组和铁心问题，所以要求更换变压器，更换完毕后，油井正常启动，故障现象消失。但转天早上，此井故障停机，经检测，发现启动柜电缆出线端绝缘破损。恢复绝缘后，油井正常运行。

2 故障原因的查找

这个故障从表现来看，只是变压器发出沉重、尖锐的鸣叫声，且变压器运行的温度异常，达到60多度，而电机在变频器调速运行模式下，没有受到影响能正常运行，运行电流在电机的额定电流以下。所以根据故障现象，针对造成变压器过热的原因进行分析，排查。一般造成变压器过热的原因有：变压器超载运行、变压器本身铁芯、磁路、绕组故障，环境温度过高，谐波等原因。

2.1 对变压器进行检查 ①停电后侧量变压器高低压测的直流阻值，变压器的高低压绕组的直流电阻都符合规范，均不超过最小值的2%；②用2500vMΩ表测量变压器的绝缘电阻，也均满足技术要求；③切断负荷，变压器带电运行，倾听变压器运行声音，声音是连续均匀的嗡嗡声，且声音较小，没有其他杂音，运行温度也较低，说明，造成变压器铁芯和绕组的原因已经排除。

2.2 对电机本体进行检查 测量电机绕组的直流电阻。三相绕组的阻值分别为0.157Ω，0.159Ω，0.159Ω。各相绕组间的差值不大于最小相的2%，满足电机规范，符合电机的技术要求。对电机三相绕组绝缘进行测量，在500vMΩ的测量下，均达到500欧姆以上，满足电机的绝缘要求。空载运行，电流较小，且三相电流平衡。带负载运行后，运行电流小于电机的额定电流。通过以上两项检查，可排除电机和负载故障引起的可能。

2.3 对变频器进行检查 打开变频器外壳，检查内部的电子元器件、线路板，没有明显的烧毁、鼓肚、虚接等现象，带电后，空载运行正常。带电机空载运行，变频启动柜电源侧，负载侧运行电流都较低。说明变频器电路正常，可排除启动柜故障引起的可能性。

2.4 对电缆的检查 恢复绝缘后，电缆直流阻值、绝缘电阻正常。联系到上文提到的电缆（从电机到变频器电缆之间）虽然绝缘破损，但没有造成电机和变频控制柜停止工作，变压器、变频柜、电机带病运行。且变压器的运行声比较尖锐均匀。这两个因素说明由于变频器出线端（负载侧）阻抗发生畸变，虽然运行电流有效值变化不大，但波形发生畸变，造成高频谐波窜入电源侧，影响到了变压器的正常运行，造成变压器过热。

3 故障原因分析

现场所使用的变频器是采用交-直-交结构（如图1所示），通过把工频（频率50Hz）变成直流后，再通过开关电路转换成所需频率的交流电源，通过电机转速与频率的关系公式n=60f/p，以实现电机的多转速运行。根据公式，我们不难看出，电机的转速变化和电源的频率变化是呈线性关系的。变频器是通过该原理将50Hz的工频交流电通过的整流和逆变转换为频率的，其中可调交流电源的方向。变频器输入部分大多数为桥式整流电路部分，其中输出部分是可控逆变电路部分，这些元件都是由非线性设备组成的，在进行接通和断开过程中，其输入端处和输出端处都会有一定的高次谐波产生。特别熟变频器输入端的谐波还会产生输入测配电线路对上级电网产生的不良影响。

图1 一般通用变频器为交－直－交结构

在用变频器的输出侧产生的谐波主要是在逆变电路的输出回路中，输出电压与输出电流都会产生谐波。由于变频器是通过设备CPU产生的6组大小脉宽可调整的SPWM波控制三相的6组功率元件通和断，从而产生高压信号和频率信号，虽然可调但是不是标准的正弦波三相输出电压。所以，当电流流经负载电机时，由于电缆破损，绝缘降低，改变了变频器输出侧的阻抗，与所加的电压不呈线性关系加剧，就形成强烈的非正弦畸形波电流，从而产生谐波谐振。

产生的谐波谐振窜入电源侧，强烈的谐波电压的存在，增加了变压器磁滞损耗、涡流损耗以及绝缘的电场强度，强烈的谐波电流的存在大大增加了铜损。谐波对供电线路产生了附加谐波损耗。由于电流集肤效应和邻近的效应，使设备的电阻随频率的增加而增加，与此同时，也大大增加了变压器热损耗，使变压器运行温度急剧上升。

图2 基波与高次谐波畸波

4 解决方案

现今主要抑制消除谐波的常用方式有四种：①在设备内部安装谐波补偿设备来进行谐波补偿；②对电力系统设备自身元件进行改造，消除其产生谐波的可能，且功率因数控制在1左右；③在电源电网中安装设备来抑制和消除谐波影响。具体做法有以下几种：1）安装匹配的电抗器。2）安装匹配的滤波器。3）安装多相脉冲整流设备。④通过规范安装标准来减少或削弱变频器谐波：1）当电机负载电缆其长度大于50米（无屏蔽时），为了防止电机在启动时的瞬时过零电压，在变频器与电机负载之间安装适当的交流电抗器；2）安装具有隔离的变压器，可以将来自电源侧绝大部分的干扰挡在变压器之前；3）通过合理布线，来屏蔽辐射，在电机负载和变频器设备当中的电缆穿钢管或用铠装电缆，并和其他的弱电信号线分开电缆沟敷设，降低干扰，变频器还可使用专用接地线。

5 结论

变频调速技术极大的提高了工作效率，但变频器产生的谐波困扰给设备的稳定运行也相对产生了一定的影响，这是急需解决的最大难题。而将谐波危害控制在最小范围内，避免电网谐波污染，以提高电源电能质量，将是今后工作中值得探索的方向。

[1]宋小刚.电力谐波治理方案[J].上海电力，2008(06).

[2]吴竞昌主编.供电系统谐波[M].中国电力出版社,1998.

[3]郑渠岸.电力系统谐波治理浅析[J].天津电力技术，2011(01).

Analysis of Transformer Overheating Caused by Harmonic Wave and Countermeasures

Based on a cable (from the motor to the converter cable)insulation damage fault,this article makes in-depth discussion on the internal structure and principle of the inverter,and finds out the causes of abnormal sound and heat of power supply power transformer,which lead to the causes of harmonic wave and its harm in daily work and life,and discusses several commonly used methods to restrain the harmonic wave.

power transformer；AC-DC-AC frequency converter；frequency converter harmonic suppression

程涛（1974-），男，四川仪陇人，助理工程师，研究方向为电气自动化。

TM41

A

1006-4311（2014）15-0050-02