励磁涌流引起滤波电容器损坏原因分析及改进措施

石横特钢集团有限公司 孙富强 祝兆华 董金虎 姬广盈

1 设备运行状态简要介绍

2022年11月，某公司轧钢变电站投运，所带负荷为炼钢两台精炼炉、大型板材生产线。轧钢变电站站内35kV 无功补偿采用TCR+FC 型SVC 装置，滤波支路采用2次、3次、4次滤波支路兼作补偿。2次滤波支路为C 型高通滤波支路，达到拓宽频带，增加阻尼和减少电阻基波功率损耗的效果，3次及4次滤波支路均为单调谐滤波支路，达到最佳的滤波效果。SVC 装置的容量及参数：某公司SVC 装置包括挂接在35kV 母线的一组晶闸管控制电抗器（TCR），3组滤波支路。TCR 支路额定容量42MVar。2次滤波支路安装容量12MVar，额定电流125A。3次滤波支路安装容量24MVar，额定电流294.12A。4次滤波支路安装容量24MVar，额定电流333.34A。2次、3次、4次滤波支路均投入中性点不平衡电流保护、过电压保护、低电压保护及过流保护、速断保护功能。

2 事故概况

2022年11月25日21:34，轧钢变电站报全站事故总信号，SVC 2次通道保护装置报不平衡电流1跳闸，连锁35kV SVC-TCR 2次R3005、3次R3007、4次R3011断路器跳闸。SVC 跳闸时炼钢1#精炼炉上精炼，SVC 2次通道保护装置报不平衡电流1跳闸；查看故障录波炼钢精炼炉三相电流分别为A：605A；B：953A；C 相：626A。

2.1 继电保护装置动作记录

2022年11月25日21:34:07 755ms，某公司轧钢变电站SVC 系统H2次滤波器，电容器保护装置出口跳闸，同时滤波设备运行现场安装的视频监控拍到保护装置动作时2次滤波支路有闪光出现。H2次滤波支路保护装置动作报文为：0ms 整组启动、0671ms 不平衡电流1动作，不平衡电流动作值为：2.322A，时间0.671s；H2次滤波支路中性点电流互感器变比10/5。H2次滤波支路容量为12Mvar，额定电流125A，不平衡电流动作定值为：0.29A，时间0.5s，保护装置正确出口动作。

2.2 现场检查情况

跳闸后2022年11月26日，H2次滤波支路转检修，进行故障排查，现场发现H2次滤波支路A 相电容器有一台鼓肚，同时发现A 相电阻器上部环氧树脂板有较多爬电痕迹。

2.3 试验情况

对A 相8台电容器进行了试验，鼓肚电容器电容值为1.23uF，偏离额定电容值约90%，其他7台电容器电容值均在±5%正常范围内。环氧树脂板在表面擦拭干净后，摇测绝缘电阻均合格。

3 事故时故障录波数据分析

通过调取山大电力故障录波的波形数据，事故分析如下：

一是炼钢精炼炉投入后约100ms 2次滤波支路三相谐波电流含量分别为A 相2次谐波电流319A；B 相2次谐波电流278A；C 相2次谐波电流271A。炼钢精炼炉投入后约100ms，精炼炉三相谐波电流含量分别为A 相2次谐波电流334A；B 相2次谐波电流286A；C 相2次谐波电流318A。可以看出精炼炉发出的励磁涌流中2次谐波几乎全被滤波支路吸收。

二是炼钢精炼炉投入后约125ms 2次滤波支路三相谐波电流含量分别为A 相2次谐波电流34A；B 相2次谐波电流255A；C 相2次谐波电流255A。炼钢精炼炉投入后约125ms，精炼炉三相谐波电流含量分别为A 相2次谐波电流241A；B 相2次谐波电流271A；C相2次谐波电流299A。可以看出该时刻B 相、C 相精炼炉励磁涌流中2次谐波几乎全部被滤波支路吸收，A相精炼炉发出2次谐波电流241A，2次滤波支路仅吸收谐波电流34A，说明此时，A 相滤波支路调谐发生变化，推断该时刻A 相已发生电容器单元损坏问题。

实际了解故障时的生产工况：炼钢精炼炉变压器合闸准备生产。炼钢精炼炉变压器合闸发出较大二次谐波，符合变压器励磁涌流二次谐波含量较大的特征，二次谐波含量最大值达到330A，产生的2次谐波被2次滤波支路全部吸收，炼钢精炼炉变压器空投后大概125ms，2次滤波支路A 相电容器出现单元故障导致A 相参数偏调，吸收2次谐波能力大幅降低。

4 电容器击穿及闪光结论分析

一是由以上的工况和录波波形数据分析判断为：由于炼钢精炼炉空投的励磁涌流含有大量2次谐波电流，2次谐波流入2次滤波支路，导致A 相电容器薄弱元件击穿，进而进一步增加电容器极间端电压，进而引发电容器击穿故障。

二是电阻器上出现的闪光分析原因是：电容器正常时，滤波电阻上的基波电压接近零，在2次谐波超大，电容器内部元件击穿的情况下，电阻上的电压增加，电压达到一定数值，环氧板表面污渍也较多，天气潮湿，将会引起爬电现象产生，这和环氧树脂板外观的表现是一致的，不是明显的烧痕。

5 采取的措施如下

为了防止再次发生电容器击穿事故，设计院提出把2次滤波电抗器偏调到最大，发生涌流时降低2次谐波流入，防止谐波或者涌流过大对电容器的损害，并对此措施进行仿真分析，仿真分析如下。调节电抗器值仿真分析：设备参数见表1。

表1 SVC 各滤波支路电容器参数

表2 SVC 各滤波支路电抗器参数

表3 电抗器电感值调整前后值及调谐点

仿真：假设负荷产生的谐波电流2次20A，3次20A，4次20A。建立仿真模型进行仿真分析。

当2次滤波电抗器按照2次谐波调谐时，电感值为额定电感值23.72mH，2次谐波调谐频率为100Hz，流入供电系统的谐波电流为7.9A。流入2次滤波支路的2次谐波电流是18.9A。流入2次滤波支路的谐波电流比例是负荷产生谐波电流的95%.

当2次滤波电抗器按照偏调5%的电感值后（调到最大档位），电感值为214.3m，2次滤波支路调谐频率为97.8Hz，为1.95次。经仿真，流入供电系统的谐波电流为13.6A。流入2次滤波支路的2次谐波电流是12A。流入2次滤波支路的谐波电流比例是负荷产生谐波电流的60%。

根据上述分析，当滤波电抗器偏调5%的电感值（调到最大档位）时，流入2次滤波支路的2次谐波电流只有负荷谐波电流的60%，减少了37%的谐波电流流入2次滤波支路内。见，调节滤波电抗器电感值后，可以明显降低流入2次滤波支路内的2次谐波电流。为了防止2次支路设备故障，不能尽快投入3次、4次支路，对2次滤波支路退出后，2次谐波放大后的影响仿真分析：当退出2次滤波支路后，经仿真，2次谐波电流从20A 放大到36A，放大了1.8倍，不影响3次、4次支路正常运行，没有在2次频率处形成谐振。

2次滤波支路偏调后测试分析：2次滤波支路偏调后，采用电能质量测试仪在线数据测试，测试时间17h。

调谐前的35kV 总进及2次滤波支路电流。电感值调整前，对35kV 总进、2次滤波支路的电流同时进行了测试。35kV 负荷有两台精炼炉，且交错生产。测试时，测试仪器的不同电流通道按照实际电流互感器变比设置。

测试到的最大电流达到1750A（励磁涌流），变压器投入时的励磁涌流大小与变压器投入时电压角度、铁芯剩磁等都有关系，所以测试数据显示的变压器投入时，存在很多冲击性的电流远大于炉变额定电流，电流不相等。变压器投入时的励磁涌流包含有大量2次谐波电流，每一次变压器投入，2次滤波支路都会有电流增大的现象，表明2次滤波支路吸收了大量2次谐波电流。经过实测，最大流入2次滤波支路的2次谐波电流为106.6A，95%概率的2次谐波电流值为8.3A。详见表4。

表4 调整前35kV 总进谐波电流及2次滤波谐波电流

GB/T 14549-1993《电能质量公用电网谐波》规定，一般取95%概率的谐波电流值作为长期流入谐波电流值，经计算，当2次谐波电流为8.3A，母线电压为36kV 时（实际系统运行电压），电容器的过电压系数为0.9，没有超过电容器额定电压。按照流入2次滤波支路的最大谐波电流106.6A 计算，电容器实际电压是其额定电压的1.29倍。参照GB/T11024.1-2010，过电压持续时间在1min 之内，电容器最高可耐受的工频过电压倍数为1.3倍。2次滤波支路电容器的最大2次谐波电流每次持续时间只是数个周波，因此变压器投入运行时，其产生励磁涌流的2次谐波电流虽然被2次滤波支路吸收，但是引起的电容器端的过电压没有超过其过电压耐受限值。

表5中所列数据为间谐波电流，流入2次滤波支路的间谐波电流不大，对电容器电容不会造成影响。总进及2次滤波支路的间谐波电流95%概率大值很小，说明了精炼炉产生的间谐波电流较小，同时滤波支路也未对间谐波电流放大很多。

表5 调整前35kV 总进间谐波电流及2次滤波间谐波电流

调谐后的35kV 总进及2次滤波支路的电流：测试时，同时测试了35kV 总进电流、2次滤波支路电流、精炼炉电流。电抗器调整后，根据表6所示，流入2次滤波支路的最大2次谐波电流值是65.98A，95%概率大值是3.53A。根据表4所示，流入2次滤波支路的最大2次谐波电流值是106.6A，95%概率大值是8.31A，流入2次滤波支路的2次谐波电流减少50%左右，说明电抗器电感值调整后，能够有效降低流入2次滤波支路的谐波电流。按照流入的最大2次谐波电流65.98A 计算，电容器的过电压水平是1.13，加在电容器上的过电压水平明显降低。

表6 调整后总进、2次滤波支路谐波电流

根据表7可知，电感值调整后，流入2次滤波支路的谐波电流不大，不会对设备造成影响。

表7 调整后总进、2次滤波支路间谐波电流

根据上述分析得出以下结论：精炼炉本身产生的谐波电流不大。95%概率的2次谐波电流是4A，3次谐波电流是10.8A，4次谐波电流是2A，5次谐波电流是8.12A。精炼炉的额定电流是528A，精炼炉投入时的励磁涌流较大，测试时间内，最大励磁电流达到2000A，很多能达到1000A。2次滤波支路电感值调整前后，均没有出现谐波及间谐波谐振的放大的问题。2次滤波电抗器电感值调整后，有效的降低了流入2次滤波支路的2次谐波电流值，电容器过电压明显降低。2次滤波电抗器电感值调整后，总的2次谐波电流值从5.4A 上升到6.02A，对流入系统谐波电流影响不大。