110kV电石炉变压器故障原因及无功补偿方案分析

110kV电石炉变压器故障原因及无功补偿方案分析

王龙

中盐内蒙古化工股份有限公司 电石厂 内蒙古 016000

摘要：某电石炉1号在投电容器时，110kV电石炉变压器10kv无功补偿侧绕组被烧毁。建立等值电路计算分析电石炉系统潮流，认为中压侧绕组烧损是电流过大造成的。提出了几种改进无功补偿办法。结合电石厂的实际情况，认为高压侧补偿方案较为经济，能较好地解决中压侧过流问题。

关键词：电石炉变压器；无功补偿；稳态分析

随着国民经济的逐步发展和人民生活水平的提高，对石化产品的需求也有所增加。我国资源结构的特点是“缺乏丰富的石油、天然气和煤炭”。电石燃料的开发可以充分利用丰富的煤炭资源。同时，它有助于减少油气供应的矛盾，满足下游地区的工业需求。这是我国电力设施水平提高多年来发展起来的我国化工行业的必然选择，电石炉的密封和规模是总体趋势。但是随着炉容量的增加，电石炉的自然功率因数降低。提高电石炉自然功率因子和入炉有功已成为行业共同关注和研究的课题。补偿无功功率的方法有多种。作为电石生产企业无功补偿已经成为每个企业的现实问题。

一、无功补偿的基本原理

电网输出由两功率部分成。第一种有功功率:直接电力消耗，将电力转化为机械、热、化学或声能量，这部分性能称为有功功率。二是无功功率；仅将电力转换为运行电力所需的另一种形式的能。此外，这种能定期转化为电网中的电能。此部分性能称为无功功率，例如电磁元件产生磁场时，电容器在产生电流的地方产生能量。当电流在电感组件中工作时，电压为90°的电流滞后，当电流在电气组件中工作时，电压为90°电流超前。在同一电路中，电感电流和电流指向相反的方向，180度互差。当电磁元件电路中的电容元件按比例增加时，抵消两者电流，无功补偿是通过将具有有容性功率负荷和感性负载的装置连接到同一电路，以及通过在两个负荷之间交换能量来实现的。因此，感性负荷所需的无功功率可由容性负荷产生的无功补偿。其意义:(1)比例常数是通过补偿无功功率提高有功功率。(2)降低供电设计容量，减少投资。(3)无功损耗降低。

二、电石炉无功补偿的方式及各自的优缺点

视补偿装置、变压器和副母线(或短网络)的位置而定。目前主要包括高压侧、中侧、低压侧直接无功补偿(低压补偿Ⅰ、Ⅱ)、低压侧升压后静态和动态无功补偿(SVG)(补偿)高压补偿可以改善高压侧的供电，提高运行功率因数，投资相对较低，但对减少短电网无功损耗和增加电石炉变压器的出力没有影响。因此，这种补偿办法适用于自备电站和电石企业。中压补偿也是提高高压侧功率和运行功率的一个因素。选择电石炉变压器时必须考虑到这一因素。由于110kV电容器尚未成熟，这种补偿对于选择110kV输入线路的企业来说是一个很好的选择。低压侧直接无功补偿可提高电炉变压器的有功功率，减少变压器和副母线的无功损耗，同时提高功率因数。但大型投资、电容器、开关及其配件寿命短、损坏严重、运行成本高，低压侧压力升高后的补偿通常是指由补偿变压器将低压侧电压提高到10kV后的补偿。这样，补偿装置就可以正确地远离现场的恶劣工作环境，从而延长电容器及其配件的使用寿命并降低运营成本。静态和动态无功补偿(SVG)是变换器和变换器并联在副母线上的子电路电容器。通过调整变频器交流侧输出电压的幅度或相位，可以快速吸收和输出实现快速无功补偿目标所需的无功功率。实现了连续平稳的相位调节，工作电压高，损耗低，使用寿命长，运行成本低。但是，这种补偿方法的投资最大。

三、系统潮流计算分析

在某电石炉1号投电容器(运行4~5天左右)时，三绕组单相电石炉变压器10kV无功补偿侧绕组被烧毁。电石炉采用电容器投切方式进行无功补偿。共有7组额定容量为3兆瓦的电容器，用于提高电网侧和电石炉的功率因数。

1.常设分析稳态。事故发生在10kV中压侧绕组上，因此重点分析了无功补偿侧的电流和电压。创建用于计算潮流的等值电路。图1显示了电路变压器的等效电路示意图。计算时，负荷的侧视在功率为38

MVA，自然功率因数0.72，变压器运行速度1。根据输入端补偿电容器组数计算补偿侧电压、补偿电流和补偿侧功率因数的变化(见表1)。如表1所示，当第五电容器正在使用时，中压侧绕组的电流值超过额定电流(额定电流800A)的36%。长时间过流会产生大量热量，可能会损坏变压器绕组绝缘，导致中压侧绕组烧毁。

表1不同组数电容器对应的补偿电流、电压及功率因数

1.暂态分析。电石炉变压器中性点不接地。在电容器侧短路的情况下，短路电流根据不同的电容器组计算，短路电流不接地的两相回路、短路电流不接地的两相回路和短路电流不接地的三相回路分别计算。当上述三个短路发生在电容器侧时，穿过绕组侧的短路电流将足够大，可以立即烧毁中压绕组，从而消除短路引起的故障的可能性。

3.分析谐振。在整个系统中，计算分析了从出线对电容器接地端子和炉体电炉接地端子的等值阻抗。利用等值阻抗分析确定变压器烧损是否由谐振引起。表示不同电容器组的总阻抗值。随着电容器组数量的增加，总电阻抗值减小。当所有七个电容器都在使用时，总阻抗值仍高于制造商提供的临界值(6.3+j113.2)，从而消除了谐振故障的危险。

四、无功补偿方案比较

1.备选案文1。对于单电石炉，中压侧分为四组电容器，其中三组由变压器进入低压侧，变压器降压后，低压侧补偿直接与短电网侧补偿相关。(1)稳态分析。建立等值电路进行计算分析，获得中压侧的电流和补偿电压值以及中压侧的功率因数(见表2)。计算时，表观负荷功率为38MVA，自然功率因数为0.72，变压器工作位置为1档位，每组电容器的额定容量为3 mvar。表2分析表明，与中压侧补偿方法相比，杨四海的输出功率因数较高，变压器中压侧绕组电流低于额定电流，中压侧绕组不会烧毁。

表2方案1补偿电流、电压及功率因数变化

（2）改善设备。本方案低压补偿能力为9 mvar，额定容量为20MVA的变压器，额定电压为(10000)V/220V，电缆许用电流360A，用于将铜母线2000A载流量和53000A载流量的铜棒A的铜母连接到变短网

2.备选案文2。更换低压电容，用短边低压补偿模式补偿。对于单石电炉，额定电压和220 V及20 kvar额定容量的电容器在低压侧报销。(1)稳态分析。为计算分析建立了等值电路，并分析了高压侧功率因数。通过现场补偿，输出功率因数持续上升，最终功率因数的上升方式与平均压力侧相同，但这种补偿方法可以避免电炉变压器绕组的补偿问题。(2)设备改进。补偿方案要求更换所有电容器。电容额定电压为220 V，容量为20 kvar。共需要1050个电容器。此外，还需要控制设备API和保护设备。

电石炉变压器侧绕组烧毁是通过上述变压器等值电路计算分析引起的电流过大。本文提出了三种补偿电炉变压器无功的改进方案。由于选煤厂变电站有真空变压器，高压补偿方案是一种经济合理的补偿方法，能很好地解决其电流问题。

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