当前位置:首页 » 技术服务 » 专题文库 » 电能质量分析专题 » 

查找电能质量问题原因

来 源:未知   作 者:admin  发布时间:2013-01-23 
        2005 年 4 月底,华盛顿 Crystal Mountain 景区缆车系统使用的两台电力滤波器受到严重损坏。该滑雪胜地不得不在整个夏季停止使用。维护人员在进行季末维护和清洁时闻到了电力滤波器内电抗器过热烧焦的味道。Crystal Mountain 有 4 台 Var+Controls 谐波电力滤波器,安装在他们最大马力的缆车的升降控制室内。所有的滤波器设备都通过两个固定的步骤编程设置为适应负载和电能条件,以便吸收谐波畸变,其他步骤会自动打开,使系统在缆车运行期间获得统一的功率因数,从而达到最高的电效率。
        为了确定设备的损坏程度,Crystal Mountain 的电工测量了电力滤波器内的谐波电流。在Var+Technologies公司的Bill McConnel 的帮助下,维修组发现两个电力滤波器内只是 C 相电感器损坏了。他们更换了这两个电感器,并继续检查了这个影响了整个夏季的事故的起因。滤波器比以往噪声更大了,但是看起来工作正常。
        在 2005-2006 滑雪季开始时,电气维护人员注意到打开缆车线路越多,电力滤波器过载就越严重。为了保护设备并降低噪声,他们把滤波器关闭了,并检查升降控制室内是否有烧焦的味道。在电力滤波器离线时,升降直流驱动器发出噪声,山上的泵机系统发生故障、传送装置上变频驱动器跳闸离线了,数据采集信用卡系统也失灵了。这时维修组给 Var+Technologies 公司的 Bill McConnell 和 Starboard Electric 公司的 Vaughn DeCrausaz 打了电话求助,请求帮助查找滑雪区整个电力系统的问题原因。由于临近感恩节和圣诞节,找到解决方案极其重要。

在去滑雪区的路上,DeCrausaz 使用一台 Fluke 41B 功率表在 Greenwater 镇一家便利店的外部插座进行了测量。Greenwater 是从 Enumclaw 到 Crystal Mountain 的主电力馈送线路上的一个卧室社区。电压失真达到了惊人的14 %,下图所示。

Greenwater 便利店的 120V 交流插座。Crystal Mountain 上的所有缆车还在运行。而滤波器下线了。

到达现场后,DeCrausaz 和 McConnell 首先尝试了在缆车运行情况下测量故障电力滤波器的电压和电流;发现由于这可能损坏滤波器,所以行不通。滤波器会把供电系统的整个谐波电流加上由缆车的直流驱动器产生的谐波电流都吸收下来。请注意以下缆车 11 上的电压波形,这是在所有缆车都运行,而滤波器都不在线的情况下测得的。

所有缆车均运行而滤波器都不在线时,缆车 11 上的波形。
周六所有的缆车都在运行,DeCrausaz 使用一台Fluke 199 Scopemeter® 示波表检查了缆车 11 上直流驱动电枢的SCR(可控硅整流器)脉冲。电机收到的直流脉冲非常不稳定,持续时间和幅度都不停变化。这是由电压波形畸变引起的,它影响着直流电机场磁性。由于电枢 SCR 触发的电压波形被破坏,电压和电流都下降到了磁场。SCR 的不稳定触发使电机产生旋转加快的趋势,降低了它的转矩、使最大电流升高,同时还从励磁绕组上吸走电能。实际上,直流电机会加速旋转,转矩变小(电枢电流变大)而磁场变弱。

维修组向当地电力公司咨询了是否他们的系统在四月末进行了任何改动。是否铺设了新的地下线路?是否安装或变动了电容器组?是否增加或减少了大负载?最终,在当晚关闭了滑雪场后,技术人员才在不损坏设备的情况启动了电力滤波器。他们在下午 5:00 使用 Fluke 三相 PPM 功率记录表在缆车 10 和缆车 11 的电力滤波器上测量了谐波电流。下表给出了五次谐波电流(300Hz)。

不仅畸变异常的高,而且相序之间差别也非常大。53% 的不平衡性表明各相序间有明显的物理差异。
夜间,在所有缆车都停止运行后,山上的电压畸变为 6.1% 总谐波失真(THD)。电气和电子工程师协会(IEEE)标准 519-1992 对电力系统中谐波控制的惯例和要求给出了建议,其列出的 THD 上限为 5%。电网上的这个“无负载”畸变,表明在 Crystal Mountain 的电网侧有谐振。5 次谐波的谐振或放大可能是由高压电容器组降低了电力系统的谐振频率,或高压地下配电线路与大地产生耦合电流造成的。
        DeCrausaz 和 McConnell 沿着来自 Enumclaw 的电力线路进行了多处测试:第一个测试点选在了电网的供电末端,第二个点是在离 Crystal Mountain 大约 20 英里的 Greenwater 镇上,第三个点选在了 Crystal Mountain 上。他们在 Enumclaw 外 5 英里处一个停用的锯木场进行了第一点测试,其供电线路是 57 kV 线路,该线路最终会向 Crystal 供电。锯木场处的电压畸变在 480V 次级仅为 1.9% THD,这表明电网对该点的供电质量是好的。DeCrausaz 和 McConnell 在 Greenwater 镇进行了更多测量,该镇距滑雪场不到 20 英里。在 Greenwater 便利店一侧,畸变在缆车运行时为 14%,缆车不运行时为 6%。Greenwater 是由 57kV 线路供电的,在本地降压到 12kV。Crystal 是由来自 Greenwater 的 12kV 线路供电的,再通过一台变压器升压到 34kV。经过 Greenwater 镇后,在到山上的这段距离间,沿着地下电缆和架空线电压逐步升高了。电力公司将一台备用的 2000kW 发电机(与 Crystal 的特性不符)从 4160V 升压到 12kV 来与 34kV 的交付电压相匹配—34KV 再变压到 12kV 用于滑雪场周围的配电。在 Crystal 上,是在这条 12kV 线路上进行的测量。
        电力公司认为问题是由滑雪场的一些旧的 12kV 地下电缆引起的。所以,维修组通过在夜间启动山上的 2000kW 备用发电机而不运行缆车来对这种理论进行了测试,并监视了一个电力滤波器上的电压和电流。发电机与电力公司并网(同步发电)后,电力滤波器收到的 5 次谐波电流在 A、B、C 三相上分别下降到了 60A、72A 和 88A。而随着电力公司供电从线路上撤出,5 次谐波电流进一步降低并平衡到了 25A、22A 和 24A。该测试证实了问题出 Greenwater 和备用发电机之间的电网供电系统中,而不是在 Crystal 的设备上。
        进一步调查后发现,在向 Greenwater 镇供电的 12kV 变电站附近的电线杆上有一个 900kVar 电容器组。该电容器组是在四月末并网工作的,安装原因还未确定。夏季期间,C 相线路的保险已经烧毁、更换过多次。而且找到该电容器组时,C 相线路的保险已经又烧坏了,并且垂了下来。在该点上,电力公司拆除了剩余的两相线路上的保险,并且说计划从该电线杆上拆掉电容器组,这样它就不会意外充能了。


之后,在山上关闭了一晚后,滑雪场的缆车 11 上记录到了以下的电压波形。请注意,电力系统上剩余的畸变程度。

缆车11关闭。滤波器关闭。所有其他缆车关闭。Utility cap关闭。

这晚在滑雪场,所有电力滤波器都上线工作了,测量证明它们都工作良好。该地区的电压畸变降低到了 3.1% THD。第二天,技术人员在所有的四个滤波器、所有的泵站和传送装置都在线的情况下,启动了所有的缆车。以下是所有缆车和滤波器都在线时,缆车11上的电压波形。

缆车 11 工作,滤波器 3 逐步打开。缆车 10 工作,滤波器 3 逐步打开。缆车 9 工作,滤波器 3 逐步打开。缆车 3 工作,滤波器 2 逐步打开。所有其他缆车运行。

从这次险情中获得的教训:

  1. 与您的供电公司建立良好的工作关系。没有他们的帮助,问题就无法隔离、定位和解决。
  2. 对您的设施和周围区域,尽可能远到供电源,都绘制详细的电气图纸。定期实际查看和更新文档。
  3. 特别注意您设施周围半径 50 英里范围内的电力公司设备。电容器组和稳压器肯定是过去有过问题的标志。注意逐步减少和增多变压器组合。
  4. 实时监视您的供电电压和电流,随时发现问题,并尽快向供电商咨询是否出现了任何异常情况。
  5. 需要专门的电气设备来精确查找这种类型的电能问题。只测量电压和电流不能查清所有问题。即使用示波器检查波形也不够全面。必须定量确定电压和电流波形中的各次谐波。
  6. 在秋天同时运行所有的缆车设备和造雪设备是测试电力系统、缆车通讯和设备可靠性的好方法,

参考标准和信誉
“IEEE 电源系统谐波控制推荐规程和要求”,IEEE 标准。519-1992,第 78 页,表 10.3“一般配电系统的电流畸变限制”,第 85 页表 11.1“电压畸变限制”,IEEE,纽约,纽约,1993 年 4 月 12 日。

由 Starboard Electric 的 Vaughn DeCrausaz 记录的事件和 Fluke 41B。

William C. McConnell,III 给出的 Fluke RPM 图形。
Var+Technologies 公司,邮箱:wcm@vartechnologies.com