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發(fā)電機組三相電壓不平衡的原因 |
摘要:康明斯公司在本文中分析了發(fā)電機組三相電壓不平衡的原因及解決措施,從中總結出了發(fā)電機組安裝、檢修過程中應注意的事項,便于解決以后康明斯用戶使用柴油發(fā)電機組時會出現(xiàn)的類似情況。
1、電壓不平衡主要原因
發(fā)電機三相電壓不平衡的原因有多種,主要原因是發(fā)電機組的諧振。諧振是一種穩(wěn)定現(xiàn)象,諧振過電壓不僅會在操作或故障時的過渡過程中產(chǎn)生,而且還可能在過渡過程結束以后,較長時間內(nèi)穩(wěn)定存在,直到發(fā)生新的操作,諧振條件受到破壞為止。按性質(zhì)來說,諧振有線性諧振、非線性諧振(鐵磁諧振)和參數(shù)諧振3種類型。
① 線性諧振:
電路中的元件參數(shù)是常數(shù),不隨電壓或電流而變化,這里主要是指不帶鐵芯的電感元件,如輸電線路的電感等。
② 鐵磁諧振:
振蕩回路中由于帶鐵芯電感(如發(fā)電機、變壓器等)的磁路飽和作用,使它們的電感減小,激發(fā)起來的持續(xù)性鐵磁諧振過電壓。
③ 參數(shù)諧振:
指柴油發(fā)電機在正常同步運行時,直軸同步電抗Xd與交軸同步電抗Xq同期性地變動,或同步發(fā)電機在異步運行時,其電抗將在Xd~Xq之間同期性地變動,如果與電機外電路的容抗Xc滿足諧振條件,就有可能在電感參數(shù)周期變化的振蕩回路中,激發(fā)起諧振。柴油發(fā)電機一般在設計出廠前,就充分考慮到諧振問題,發(fā)生諧振的機率較小,但也有部分發(fā)電機組出現(xiàn)此問題。
二、現(xiàn)象分析
柴油發(fā)電機發(fā)生諧振其根本原因為發(fā)電機及其所帶負載(發(fā)電機組PT、勵磁變、勵磁PT)的綜合感抗與容抗相等,利用L-C串聯(lián)諧振電路及圖1、圖2發(fā)電機等效電路圖進行分析。假設正常運行條件下,其初始感抗大于容抗(ωL>1/ωc),電路不具備諧振的條件,而電感線圈中出現(xiàn)涌流時就有可能使鐵芯飽和,感抗下降,使ωL=1/ωc,滿足串聯(lián)諧振條件,產(chǎn)生鐵磁諧振。
引起柴油發(fā)電機發(fā)生參數(shù)諧振的原因有兩種:
1、內(nèi)部原因,即由于系統(tǒng)內(nèi)自然頻率的相互特殊關系引起;
2、外部原因,即由于系統(tǒng)的周期性負荷變化引起。
兩種原因造成發(fā)電機交軸電抗Xaq與發(fā)電機直軸電抗Xad參數(shù)周期性變化,當與外電路的容抗Xc滿足諧振條件時,發(fā)電機即發(fā)生參數(shù)諧振,參數(shù)諧振是電力系統(tǒng)內(nèi)主要振蕩模式之間的能量傳送、接收的一種形式。
圖1 發(fā)電機阻尼繞組直軸等效電路圖 |
圖2 發(fā)電機阻尼繞組交軸等效電路圖 |
三、理論分析
1、發(fā)電機PT三相電壓
電壓互感器的作用是將電壓轉(zhuǎn)換成與其成比例的低電壓,正常運行時電壓互感器磁通密度高,接近飽和值,且一次電壓越高,磁通密度越大,當電壓高到一定值時,電壓互感器磁通密度即達到飽和狀態(tài)此時,電壓互感器一次電壓與二次電壓不成正比例關系,電壓互感器的電感會下降,隨著飽和程度逐步增加,電壓互感器的電感值會進一步降低。在發(fā)電機正常運行情況下,發(fā)電機電壓互感器一次側(cè)電壓對稱,二次側(cè)三相線電壓對稱并等于額定電壓(二次側(cè)三相線電壓Uab=Ubc-=Uca=100V),開口三角電壓由于首尾重合,電壓約等于零,即:U0≈0V。為了便于分析PT的運行情況,對中性點不接地電網(wǎng)PT的三相進行簡化如圖6
所示,設Ua、Ub、Uc為三相對稱電勢,C0為相對地電容,La、Lb、Lc為PT勵磁電感,U0為中性點對地電壓,由于三相電勢對稱,所以U0=0。
由圖3可知,當發(fā)電機發(fā)生諧振時三相電壓不平衡,PT三相勵磁電感就不相等,此時三相系統(tǒng)也不再是對稱的量值,中性點電壓偏移,將會產(chǎn)生零序電流和對地位電壓Ub,理論上對于任何不對稱的三相系統(tǒng)都可以分解為3個對稱的分量,即:零序分量、正序分量和負序分量。在PT二次側(cè)開口三角上,由于正序分量和負序分量方向相反、矢量和為零,所以只有零序分量,即開口三角就有了零序電壓,零序電壓又疊加在二次側(cè)三相電壓上,就出現(xiàn)了二次側(cè)三相電壓不平衡現(xiàn)象。該廠電壓不平衡的可能原因是發(fā)電機PT或發(fā)電機發(fā)生了鐵磁諧振。
圖3 發(fā)電機中性點不接地電路圖 |
2、PT的伏安特性
電磁式PT是由帶有鐵芯的繞組構成。由于鐵芯伏安特性具有非線性特征,當一次繞組接入電壓所產(chǎn)生的磁通超過飽和點時,繞組中勵磁電流1m呈尖頂波狀。若將尖頂波進行分解,除基波分量外,包含有各奇次諧波,其中以3次諧波幅值最大(圖4)。
圖4 發(fā)電機勵磁電流特性 |
圖5 發(fā)電機PT中性點電壓接線圖 |
當Y0接線的PT接入三相對稱電壓UA、UB、UC時,設流過三相PT一次繞組Y0接線的勵磁電流為IAM、IBM,ICM,流過中性點0的電流(圖5):
① 若3只單相PT伏安特性完全相同,則勵磁電流中的基波的模值I1M相同,設I1AM=I1M∠0°,I1BM=I1M∠-120°,I1CM=I1M∠120°。則流過中性點基波電流為I1M=I1AM=I1BM=I1CM=0(圖6a)。而勵磁電流中的3次諧波角差為零度,即I3AM=I3M∠3×0°=I3M∠0°,I3BM=I3M∠-3×120°=I3M∠-360°=I3M∠0°,I3CM=I3M∠3×120°=I3M∠360°=I3M∠0°,即流過中性點的電流l0。即是3次諧波電流l0=l30=I3M∠0°+I3M∠0°I3M∠0°=3I3M∠0°(圖6b)。正常運行時,在PT二次側(cè)開口三角測量的電壓為一次側(cè)3次諧波在接地電阻R上產(chǎn)生反應到二次側(cè)的電壓,頻率為3倍的基波頻率150Hz。
② 若3只單機PT的伏安特性相差很大,那么三相勵磁基波電流的幅值不相等,I1AM=I1BM=I1CM≠0,3次諧波電流I30≠0,因此PT中性點位移電壓等于基波電流加上3次諧波電流在接地電阻R上產(chǎn)生的綜合電壓,PT中性點發(fā)生較嚴重的漂移(圖5b),造成PT各相電壓發(fā)生嚴重不平衡,PT二次側(cè)開口三角測量的電壓頻率為基波頻率50Hz。
圖6 發(fā)電機中性點電流向量分析圖 |
3、PT消諧裝置
發(fā)電機PT開口三角安裝有消諧裝置(如圖7所示),其工作原理為:
正常運行時,電壓互感器開口三角的電壓(3U0)理論上是0V,在實際中一般也不超過10V。系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時,3Ud將迅速升高到30V有時更高,達到120V,形成過電壓。當系統(tǒng)形成了鐵磁諧振時,在形成的諧波含量中,16.667Hz,25Hz,150Hz3種成分比重較大,其他的分量相對很小,一般忽略。裝置實時監(jiān)測PT開口三角電壓,運用DFT算法計算出電壓4種頻率(16.667Hz,25Hz,50Hz,150 Hz)的分量,當16.667Hz諧波電壓、25Hz諧波電壓、150Hz諧波電壓3種諧波電壓中某一電壓大于設定值時,即發(fā)諧振告警,啟動消諧功能。
圖7 發(fā)電機PT開口三角接線及消諧原理圖 |
四、處理過程分析
發(fā)電機從加壓開始即出現(xiàn)三相電壓不平衡,這與鐵磁諧振存在矛盾,因為發(fā)電機相當于一個大電感元件,且電感值遠大于電容值,在低電壓時,鐵芯不可能馬上飽和,造成感抗與容抗相等,因此也就達不到諧振條件。
通過現(xiàn)象、理論及處理過程分析,雖然電壓不平衡與發(fā)電機發(fā)生諧振十分相似,但發(fā)電機應沒有發(fā)生諧振,此過程極有可能為PT的伏安特性相差太大或者PT的二次接線錯誤,造成PT二次側(cè)電壓不平衡。
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