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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(guò)程中應注意的事項，便于解決以后康明斯用戶(hù)使用柴油發(fā)電機組時(shí)會(huì )出現的類(lèi)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。諧振是一種穩定現象，諧振過(guò)電壓不僅會(huì )在操作或故障時(shí)的過(guò)渡過(guò)程中產(chǎn)生，而且還可能在過(guò)渡過(guò)程結束以后，較長(cháng)時(shí)間內穩定存在，直到發(fā)生新的操作，諧振條件受到破壞為止。按性質(zhì)來(lái)說(shuō)，諧振有線(xiàn)性諧振、非線(xiàn)性諧振（鐵磁諧振）和參數諧振3種類(lèi)型。
① 線(xiàn)性諧振：
電路中的元件參數是常數，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(xiàn)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(lái)的持續性鐵磁諧振過(guò)電壓。
③ 參數諧振：
指柴油發(fā)電機在正常同步運行時(shí)，直軸同步電抗Xd與交軸同步電抗Xq同期性地變動(dòng)，或同步發(fā)電機在異步運行時(shí)，其電抗將在Xd~Xq之間同期性地變動(dòng)，如果與電機外電路的容抗Xc滿(mǎn)足諧振條件，就有可能在電感參數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(chǎng)前，就充分考慮到諧振問(wèn)題，發(fā)生諧振的機率較小，但也有部分發(fā)電機組出現此問(wèn)題。
二、現象分析
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(jìn)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(xiàn)圈中出現涌流時(shí)就有可能使鐵芯飽和，感抗下降，使ωL=1/ωc，滿(mǎn)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)生參數諧振的原因有兩種：
1、內部原因，即由于系統內自然頻率的相互特殊關(guān)系引起；
2、外部原因，即由于系統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參數周期性變化，當與外電路的容抗Xc滿(mǎn)足諧振條件時(shí)，發(fā)電機即發(fā)生參數諧振，參數諧振是電力系統內主要振蕩模式之間的能量傳送、接收的一種形式。
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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換成與其成比例的低電壓，正常運行時(shí)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(shí)，電壓互感器磁通密度即達到飽和狀態(tài)此時(shí)，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(huì )下降，隨著(zhù)飽和程度逐步增加，電壓互感器的電感值會(huì )進(jìn)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電壓對稱(chēng)，二次側三相線(xiàn)電壓對稱(chēng)并等于額定電壓（二次側三相線(xiàn)電壓Uab=Ubc-=Uca=100V），開(kāi)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(diǎn)不接地電網(wǎng)PT的三相進(jìn)行簡(jiǎn)化如圖6
所示，設Ua、Ub、Uc為三相對稱(chēng)電勢，C0為相對地電容，La、Lb、Lc為PT勵磁電感，U0為中性點(diǎn)對地電壓，由于三相電勢對稱(chēng)，所以U0=0。
由圖3可知，當發(fā)電機發(fā)生諧振時(shí)三相電壓不平衡，PT三相勵磁電感就不相等，此時(shí)三相系統也不再是對稱(chēng)的量值，中性點(diǎn)電壓偏移，將會(huì )產(chǎn)生零序電流和對地位電壓Ub，理論上對于任何不對稱(chēng)的三相系統都可以分解為3個(gè)對稱(chēng)的分量，即：零序分量、正序分量和負序分量。在PT二次側開(kāi)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(kāi)口三角就有了零序電壓，零序電壓又疊加在二次側三相電壓上，就出現了二次側三相電壓不平衡現象。該廠(chǎng)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。
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圖3 發(fā)電機中性點(diǎn)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(xiàn)性特征，當一次繞組接入電壓所產(chǎn)生的磁通超過(guò)飽和點(diǎn)時(shí)，繞組中勵磁電流1m呈尖頂波狀。若將尖頂波進(jìn)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）。
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圖4 發(fā)電機勵磁電流特性 |
圖5 發(fā)電機PT中性點(diǎn)電壓接線(xiàn)圖 |
當Y0接線(xiàn)的PT接入三相對稱(chēng)電壓UA、UB、UC時(shí)，設流過(guò)三相PT一次繞組Y0接線(xiàn)的勵磁電流為IAM、IBM，ICM，流過(guò)中性點(diǎn)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(guò)中性點(diǎn)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(guò)中性點(diǎn)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(shí)，在PT二次側開(kāi)口三角測量的電壓為一次側3次諧波在接地電阻R上產(chǎn)生反應到二次側的電壓，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(diǎn)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(diǎn)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二次側開(kāi)口三角測量的電壓頻率為基波頻率50Hz。
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圖6 發(fā)電機中性點(diǎn)電流向量分析圖 |
3、PT消諧裝置
發(fā)電機PT開(kāi)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(shí)，電壓互感器開(kāi)口三角的電壓（3U0）理論上是0V，在實(shí)際中一般也不超過(guò)10V。系統發(fā)生單相接地故障時(shí)，3Ud將迅速升高到30V有時(shí)更高，達到120V，形成過(guò)電壓。當系統形成了鐵磁諧振時(shí)，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(shí)時(shí)監測PT開(kāi)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(shí)，即發(fā)諧振告警，啟動(dòng)消諧功能。
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圖7 發(fā)電機PT開(kāi)口三角接線(xiàn)及消諧原理圖 |
四、處理過(guò)程分析
發(fā)電機從加壓開(kāi)始即出現三相電壓不平衡，這與鐵磁諧振存在矛盾，因為發(fā)電機相當于一個(gè)大電感元件，且電感值遠大于電容值，在低電壓時(shí)，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(guò)現象、理論及處理過(guò)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(méi)有發(fā)生諧振，此過(guò)程極有可能為PT的伏安特性相差太大或者PT的二次接線(xiàn)錯誤，造成PT二次側電壓不平衡。
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