新聞主題	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(jié)出了發(fā)電機組安裝、檢修過程中應(yīng)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(jié)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X_d與交軸同步電抗X_q同期性地變動，或同步發(fā)電機在異步運行時，其電抗將在X_d~X_q之間同期性地變動，如果與電機外電路的容抗X_c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(shè)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(shè)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(guān)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X_aq與發(fā)電機直軸電抗X_ad參數(shù)周期性變化，當(dāng)與外電路的容抗X_c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(dāng)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(guān)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U_ab=U_bc-=U_ca=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(shè)U_a、U_b、U_c為三相對稱電勢，C₀為相對地電容，L_a、L_b、L_c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(dāng)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(gòu)成。由于鐵芯伏安特性具有非線性特征，當(dāng)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(dāng)Y₀接線的PT接入三相對稱電壓U_A、U_B、U_C時，設(shè)流過三相PT一次繞組Y₀接線的勵磁電流為I_AM、I_BM，I_CM，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I_1M相同，設(shè)I_1AM=I_1M∠0°，I_1BM=I_1M∠-120°，I_1CM=I_1M∠120°。則流過中性點基波電流為I_1M=I_1AM=I_1BM=I_1CM=0（圖6a）。而勵磁電流中的3次諧波角差為零度，即I_3AM=I_3M∠3×0°=I_3M∠0°，I_3BM=I_3M∠-3×120°=I_3M∠-360°=I_3M∠0°，I_3CM=I_3M∠3×120°=I_3M∠360°=I_3M∠0°，即流過中性點的電流l₀。即是3次諧波電流l₀=l₃₀=I_3M∠0°+I_3M∠0°I_3M∠0°=3I_3M∠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(yīng)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，I_1AM=I_1BM=I_1CM≠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(dāng)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(dāng)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(shè)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(dāng)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(yīng)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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