新聞主題	發電機三相不平衡負載試驗步驟

 

摘要：發電機不平衡運行也是屬于非正常工作狀態。在實際運行中，引起發電機不平衡運行的原因可能是多種多樣的，如不平衡負荷、輸電線路不平衡以及非全相運行狀態等。當同步發電機不平衡運行時，由對稱分量法可知，定子繞組中除了有正序電流外，還有負序電流。所以發電機三相不平衡運行的特點就是伴隨著出現負序電流。康明斯公司在本文通過對負序電流給發電機造成危害的分析和舉例，增強值班員對不平衡運行的處理緊迫感，并能根據標準進行果斷處理，必要時臨時擴大停電范圍來保證發電機的安全。

 

一、不平衡運行現象和危害

 

1、不平衡運行的現象

      判斷不平衡運行應將多種表計結合起來，不得以一種表計為準。 發電機三相不平衡等效電路和相量圖如圖1所示。

（1）掌握發電機正常運行負序電流一般指示多少，本發電機從并網到滿負荷時負序電流變化多大，掌握本機組正常運行時的基準值。

（2）當系統中有較大的單相負荷時，并網中的發電機互相分擔，同時單相負荷占總發電機負荷比例小，負序電流增加不明顯，三相電流差能從50A增至100A左右。

（3）當系統有不平衡短路時，距短路點近的發電機，負序電流能出現報警，此時發電機三相電流差指示明顯，隨故障切除而消失。

（4）主變高壓側某相接觸電阻增大，發電機一相電流大，二相電流小；發電機一相線圈斷股或開焊一相降低，其他兩相不變。此現象負荷越高越明顯。

（5）發電機主開關發生非全相，未經升壓的主開關，斷一相則一相無電流曰經主變升壓的主開關非全相，斷一相發電機電流一相大兩相小，兩相跳開主變中性點接地時，發電機兩相有電流，主變中性點不接地時，發電機三相無電流。發電機主開關與DEH關系圖如圖2所示。

2、不平衡運行的危害

      同步發電機是根據三相電流對稱的情況下能夠長期運行設計的，但實際中不平衡運行情況也是經常遇到的，如單相電爐負載、發電機主開關合斷時三相不同期或非全相、系統中的兩相或單相接地短路、發電機線圈匝間短路或開路，都會導致發電機運行狀態破壞，導致三相電壓電流不平衡，最終影響發電機及系統用戶的安全運行，如處理不及時將會造成發電機轉子嚴重損壞。負序電流的危害不能直接監視，值班員一般重視不夠，不能迅速進行處理，對發電機轉子造成危害。

      以柴油發電機為例，發電機不平衡運行時，定子電流中的負序分量，產生與轉子的旋轉方向相反的旋轉磁場，將使轉子上的各個部件諸如大齒、小齒、槽楔、護環、勵磁繞組及阻尼繞組，切割負序磁場，產生頻率為100 Hz的感應電流。由于交流電的集膚效應，感應電流只能在轉子表面的薄層中流過，這些電流不僅流過轉子本體，還流過護環、心環以及轉子的槽楔與齒，并流經槽楔與齒與護環的許多接觸面。由于這些接觸面的電阻很高，發熱尤其嚴重，后果不堪設想。其次是負序電流引起附加轉距產生振動。這些危害值班員監視不到，有些運行值班員不能深刻了解，重視不夠，使負序電流作用時間過長，造成嚴重后果。

 

圖1  發電機三相不平衡等效電路和相量圖

圖2  發電機主開關與DEH關系圖

 

二、發電機不平衡運行時的主要條件

 

      發電機的轉子是凸極式的，散熱條件較好，當它與隱極機有同樣的不平衡運行條件時，其附加發熱溫升較低，如有阻尼繞組，雖可引起阻尼繞組的發熱，但阻尼繞組可以削弱負序磁場的影響，從而減輕轉子的發熱程度。但是，發電機的轉子直徑較大，縱軸和橫軸的磁導差別也較大，因而由負序電流所引起的機械振動較嚴重，同時，由于發電機的機座是焊接件，承受振動的能力又較弱，所以附加振動就可能成為限制發電機不平衡運行的主要條件。發電機不平衡運行時，其允許負荷主要決定于下列三個條件：

① 負荷最大相的定子電流不應超過發電機定子的額定電流。

② 轉子最熱點的溫度，不應超過轉子絕緣材料和金屬材料的允許溫度。

③ 不平衡運行時出現的機械振動，不應超過允許范圍，機械振動的允許值按制造廠推薦的標準確定。

      第一個條件是考慮到定子繞組的發熱不超過允許值。第二個和第三個條件是針對不平衡運行時出現的負序申流所造成的危害而提出來的。由于發電機的結構、材料和冷卻方式等的不同，負序電流允許范圍也不同。因此不平衡運行時，負序電流的允許值和允許時間都不應超出制造廠家規定的范圍。如無制造廠家的規定，可參照我國規定的發電機不平衡運行時的允許電流和持續時間來執行。

 

三、限制不平衡運行的標準

 

      理解規程規定并嚴格執行，將標準記在心中，并堅定執行。

1、發電運行中三相電流之差不得超過額定值的10%

      運行人員對定子電流的監視也可間接對負序電流的監視。用對稱分量法計算負序電流如下：

 Ⅰ_A2=0.17 ｛(Ⅰ_A-Ⅰ_B)+(Ⅰ_A-Ⅰ_c）｝+j0.866（Ⅰ_B-Ⅰ_c）

      由式可知發電機的三相電流差增大時，負序電流也增大。經計算柴油發電機的三相電流差是額定值10%時，負序電流占額定值約6%。在這個電流下，轉子的發熱是能承受的。所以規程規定柴油發電機的三相電流之差不超過額定值的10%。

2、負序電流定值標準

      不平衡程度通常用負序電流對額定電流的百分數表示，為了方便運行人監視，現場常裝負序電流百分數表。正常運行中由于負荷性質有不斷變化，負序電流表指示也不穩定，一般不超過1.0%，當負荷發生變化，負序電流不大于5%時，對發電機影響不大，可以正常運行，但當超過10%時，將會引起電網電壓顯著的不平衡，轉子表面將明顯發熱超溫。圖3為不平衡程度和發電機允許輸出容量關系圖，作為帶負荷參考。

3、負序能力標準

      當負序電流到一定的數值后，短時間內由負序損耗（如圖4所示）產生的熱量來不及散出，視為絕熱過程，轉子表面的平均溫升與轉子的負序能量I22t成正比。實踐證明用I22t作為負序能力的判據是行之有效的。現場實際裝有I22 t數值累計表，當負序電流報警后，開始啟動并累計。

 

圖3  負序電流與發電機允許輸出有功曲線

圖4  發電機負序電流損耗相量圖

 

四、發電機不平衡運行的試驗

 

      康明斯公司通過對自勵恒壓發電機三相不平衡負載試驗的介紹，使客戶與售后維修員可掌握三相負載作星形、三角形聯接的方法，驗證線電壓與相電壓、線電流與相電流之間的關系，并充分理解三相四線制供電系統中中性線的作用。

1、三相負載對稱關系

      三相負載可接成星形（Y形）或三角形（4形）。三相負載為對稱時存在以下關系∶

（1）三相負載為不平衡星形接法時，必須采用三相四線制接法，即Y0接法。中性線必須牢固聯接，以保證三相不平衡負載的每相電壓維持對稱。

（2）若中性線斷開，會導致三相負載電壓的不平衡，致使輕負載相相電壓過高，使負載受損重負載相的相電壓過低，負載不能正常工作。

      故對于三相負載一律采用三相四線制（Y0接法）。三相負載不平衡三角形接法時，線電流10=√3相電流I，但只要電源的線電壓對稱，加在三相負載上的電壓保持對稱，對各相負載工作無影響。

2、試驗步驟

（1）不平衡負載工作時三相電壓偏差的測定試驗

      發電機在自勵的情況下，先加25％額定功率的三相對稱負載，此時輸出電壓和功率因數均應為額定值（一般為0.8滯后）。之后，在其中一相上再加25‰一相額定功率的電阻性負載（對晶閘管整流器勵磁方式的電機，應加在有晶閘管整流器的那一相上）。用準確度不低于0.5級的電壓表測量三相線電壓值。計算三個線電壓的不平衡度（用‰表示），該不平衡度即為不平衡負載工作時三相電壓偏差。一般用途的發電機，該值應在±5‰以內。

（2）不平衡負載工作時各繞組溫升的測定試驗

      發電機在自勵的情況下，先加70％額定功率的三相對稱負載，此時輸出電壓、頻率和功率因數均應為額定值。之后，在任意兩相上再加電阻性負載，所加數值應使該兩相的輸出電流達到額定值（此時電流的負序分量約為12％）。維持上述負載連續運行到溫升穩定，然后測定各部位的溫升或溫度（有關程序和計算方法見“熱試驗”）。

3、實驗結果分析

      根據原理圖5所示，分別對三相負載（對稱、不平衡）星形聯接（Y、Y0)和三角形(△、△0)聯接檢測，并按圖6接線后，按Y接B相斷開項測得值與理論值相差太多。

      由三相不平衡負載理論分析計算：

（1）A相負載為一個燈泡，B相負載斷開，C相負載為三個燈泡并聯，因此R A=3R C—(1)式；

（2）B相斷開時，AC兩相相當于串聯，故有UA0=3UC0—(2)式；

      而實驗結果數據：UA0≈6UC0，為此我們進行了多次相同的實驗，但實驗結果沒有大的變化。我們又對白熾燈的電阻進行理論計算，電阻為P=U2/R=2202/15=3227Ω。接著我們用萬用表對白熾燈不通電情況下進行了電阻測量，測量值近似為400Ω，測量值與理論值相差近10倍。

 

圖5  三相發電機不平衡運行實驗原理圖

圖6  三相不平衡負載試驗接線電路圖

 

總結：

      總之，對發電機三相不平衡運行首先要從思想上重視，了解危害，掌握發電機容量及轉子冷卻方式不同，對負序電流的耐受能力不一樣，清楚各種情況下的負序電流的標準。處理的目的是迅速將負序電流降至標準范圍內，越快越好。發生非全相時應設法保證發電機電流為零，發電機主開關無法斷開且柴油發電機無法維持3000轉，發電機電壓無法維持時，發電機負序電流會特別大，處理應分秒必爭，應立即拉開上一級開關或拉開母線上所有進出線開關，切不可有任何顧慮，此時為了保證發電機不受致命的損壞，暫時擴大停電范圍是值得的，也是完全正確的。

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