某型消磁电源补偿电容故障分析和处理

王进金

(92601部队,广东 湛江 524009)

船舶在地磁场作用下，会产生与地磁场大小成正比的感应磁场。为提高船舶磁隐身性能，船舶需要安装消磁系统实时对船舶感应磁场进行抵消。消磁电源属于消磁系统一部分，受消磁系统控制,为消磁绕组供电,产生与感应磁场相互抵消的磁场。部分消磁电源采用变压器-整流桥形式，具有重量轻、体积小、噪声小等优点。同时对电网污染较大，需要加入滤波或谐波吸收装置。本文就变压器-整流桥形式的某型消磁电源内部补偿电容实际工作中出现的故障进行分析并提出解决方法。

1 故障原因分析

1.1 消磁电源结构

某型消磁电源由三相变压器、三相全控整流桥、补偿电容等组成，消磁电源结构示意图如图1所示。三相变压器将船舶电力系统中的三相380 V交流电降至三相220 V，同时提高副边输出电流，使消磁电源输出满足电流大(20～60 A)、电压小(100～200 V)的特点。三相全控整流桥将变压器输出的三相220 V交流电整流成直流电为消磁绕组提供消磁电流。补偿电容吸收变压器作为非线性负载产生的高次谐波电流。

图1 消磁电源结构示意图

1.2 故障现象

某型消磁电源在运行过程中，变压器内部突然冒出白烟。现场拆解故障变压器，发现与变压器并联的CBB61型电容鼓包且内容物溢出，电容周围出现碳化痕迹。经了解，这种现象出现较为频繁，属于常见故障。

1.3 原因分析

电容变形的根本原因是电容内部压力无法释放使外壳膨胀，一般电容内部压力来自温度和电击穿。下面从3个方面分析引起电容温度过高的原因。

1)船舶电力系统存在浪涌电压使电容过电压工作。船舶用电器存在大量电感负载和大型负载，接通或断开这些负载会产生瞬时过电压。CBB电容两端直接与电力系统母线相连，若电力系统出现过电压，电容将直接承受超过耐压值几倍甚至十几倍的电压值，导致电容被击穿。CBB电容带有自愈功能，在被电击穿后仍能恢复正常，但容量和绝缘电阻会显著减小，损耗角大幅度上升。电力系统存在的过电压现象将导致电容反复被击穿，最终电容变形失效。

2)船舶电力系统存在谐波引起谐振导致电容过电流工作。由于补偿电容与变压器并联，变压器绕组可近似看作一个电阻和电感串联，补偿电容和电感组成了一个并联谐振电路[1]，变压器原边绕组与电容组成并联谐振电路图如图2所示。

图2 变压器原边绕组与电容组成并联谐振电路图

此谐振电路中，电路总阻抗Z(jω)为：

(1)

式中，j为虚数；ω为电压角频率；R为变压器原边电阻值；L为变压器原边等效电感值；C为补偿电容容值。

(2)

(3)

式中，U为变压器原边电压值。

以实际变压器为例，L约为30 mH，C约为10 μF，工作频率为50 Hz，计算得到发生谐振时流过电容的电流。谐振电流与基波电流比值如表1所示，由表1可知，发生谐振时流过电容的电流增大，且电力系统中谐波占比越高，电流越大[3]，最终使电容发热严重导致膨胀失效。

表1 谐振电流与基波电流比值 %

3)电容工作环境温度过高。此型变压器长时间工作在封闭、高温的舱室，缺乏通风散热条件。CBB电容耐受温度为-40℃～+85℃，个别高质量型号可耐受至+105℃，电容安装在变压器旁侧，直接与变压器外壳接触，变压器散发的热量直接被电容吸收且电容工作自身也产生热量，导致电容温度升高，最终超出了耐受温度，使电容变形。

2 解决方法

针对可能导致变压器补偿电容故障的原因，提出以下几种解决办法。

1)并联浪涌保护器。在瞬态浪涌电压未出现前，保护器呈现极高电阻，当瞬态浪涌电压到来时，保护器迅速转变为低电阻，将浪涌电流分流至保护器一端，同时将保护设备两端电压限制在较低水平，瞬态浪涌电压过后，保护器又重新恢复高电阻状态。浪涌保护器具体参数的选择，根据变压器额定电压、额定电流以及补偿电容耐压值等决定。其缺点是浪涌保护器价格相对较高。

2)更换其它电容值的电容。利用设备测出电力系统中各次谐波的频率，根据公式(2)计算出变压器与补偿电容组成的RLC并联电路的谐振频率，重新选择电容值，使谐振频率与电力系统中各次谐波的频率相互错开，使补偿电容不受谐振影响。其缺点是没有从根本上解决问题，一旦电力系统电压再次发生畸变，很可能再次发生谐振烧毁电容。

3)安装滤波器。选择中心频率为变压器电容组成的RLC电路的谐振频率，带宽较大的有源或无源带阻滤波器安装在电力系统母线上，防止电力系统中特定频率的谐波(主要是频率与谐振频率相当的谐波)流入变压器引起电路谐振。其缺点是滤波器价格较高，安装较复杂[4-5]。

4)增加冷却措施。在变压器工作场所安装专门冷却和温控装置对其进行冷却，防止补偿电容因温度过高而膨胀失效。其缺点是经济性较差。

5)消除船舶电力系统的谐波来源。通过对电能质量进行分析，查找出谐波源，并通过安装有源或无源滤波器等消除谐波对电力系统的影响，从根本上解决补偿电容被过电压击穿或谐振引起烧毁的故障。其缺点是耗时长，流程复杂，工作量大[6]。

3 故障实例

3.1 某船故障实例

某船船员报告消磁电源使用过程中变压器内部冒出白烟，修理人员到现场勘验后，发现该船消磁电源补偿电容烧毁。利用FLUKE 437电能质量监测仪监测该船消磁电源电压，得到其消磁电源电压波形如图3所示，其中UBC、UAB、UCA分别为电压线B与C，A与B，C与A之间的电压。某船消磁电源谐波分量如图4所示。

图3 某船消磁电源电压波形

图4 某船消磁电源谐波分量

从图3可以看出，该船消磁电源电压明显出现了变形，且奇次谐波占比较大。同样利用FLUKE 437电能质量监测仪监测同型号修理样机，得到其消磁电源的电压波形如图5所示、谐波分量如图6所示。与某型船消磁电源电压波形比较可以看出，修理样机消磁电源采用市电供电，其波形无明显变形且谐波含量较少；某型船消磁电源采用船舶上的发电机供电，电压波形明显且奇次谐波含量较高。可以推断该船消磁电源的补偿电容由于谐波引发的谐振导致过流烧毁。

图5 修理样机消磁电源电压波形

图6 修理样机消磁电源谐波分量

3.2 解决方法

由于船舶电力系统的复杂性以及船舶出航任务需要，修理人员对其采用更换电容的方法避开谐振频率。经过测量，补偿电容值为4 μF，变压器等效电感约100 mH，谐振频率约为250 Hz，更换后补偿电容值为6 μF，更换后谐振频率约为200 Hz，与电压中的含量较大的5次谐波错开。更换后，消磁电源长时间运行后电容未出现故障。

4 结束语

从文中分析可以看出，引起该故障的原因与船舶电力系统的电能质量有密切关系。由于船舶电力系统是一个独立、小型、完整的电力系统，且有大量非线性负荷的存在，船舶电力系统的电能质量问题较为突出，此类型故障只是电能质量问题的一个片面反映。因此需要对船舶的电能质量进行监测，保证用电设备的安全运行。