發(fā)電機(jī)三相電壓不平衡的原因分析
發(fā)布時(shí)間：2023-11-23 點(diǎn)擊：800
發(fā)電機(jī)組三相電壓不平衡的原因
康明斯公司在本文中分析了發(fā)電機(jī)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(jī)組安裝、檢修過程中應(yīng)注意的事項(xiàng)，便于解決以后康明斯用戶使用柴油發(fā)電機(jī)組時(shí)會(huì)出現(xiàn)的類似情況。
1、電壓不平衡主要原因
發(fā)電機(jī)三相電壓不平衡的原因有多種，主要原因是發(fā)電機(jī)組的諧振。諧振是一種穩(wěn)定現(xiàn)象，諧振過電壓不僅會(huì)在操作或故障時(shí)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(zhǎng)時(shí)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(jī)、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(jī)在正常同步運(yùn)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(jī)在異步運(yùn)行時(shí)，其電抗將在xd~xq之間同期性地變動(dòng)，如果與電機(jī)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(jī)一般在設(shè)計(jì)出廠前，就充分考慮到諧振問題，發(fā)生諧振的機(jī)率較小，但也有部分發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)此問題。
二、現(xiàn)象分析
柴油發(fā)電機(jī)發(fā)生諧振其根本原因?yàn)榘l(fā)電機(jī)及其所帶負(fù)載（發(fā)電機(jī)組pt、勵(lì)磁變、勵(lì)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(jī)等效電路圖進(jìn)行分析。假設(shè)正常運(yùn)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(shí)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(jī)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(fù)荷變化引起。
兩種原因造成發(fā)電機(jī)交軸電抗xaq與發(fā)電機(jī)直軸電抗xad參數(shù)周期性變化，當(dāng)與外電路的容抗xc滿足諧振條件時(shí)，發(fā)電機(jī)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(jī)阻尼繞組直軸等效電路圖
圖2 發(fā)電機(jī)阻尼繞組交軸等效電路圖
三、理論分析
1、發(fā)電機(jī)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(yùn)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(dāng)電壓高到一定值時(shí)，電壓互感器磁通密度即達(dá)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(jī)正常運(yùn)行情況下，發(fā)電機(jī)電壓互感器一次側(cè)電壓對(duì)稱，二次側(cè)三相線電壓對(duì)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(yùn)行情況，對(duì)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(shè)ua、ub、uc為三相對(duì)稱電勢(shì)，c0為相對(duì)地電容，la、lb、lc為pt勵(lì)磁電感，u0為中性點(diǎn)對(duì)地電壓，由于三相電勢(shì)對(duì)稱，所以u(píng)0=0。
由圖3可知，當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)生諧振時(shí)三相電壓不平衡，pt三相勵(lì)磁電感就不相等，此時(shí)三相系統(tǒng)也不再是對(duì)稱的量值，中性點(diǎn)電壓偏移，將會(huì)產(chǎn)生零序電流和對(duì)地位電壓ub，理論上對(duì)于任何不對(duì)稱的三相系統(tǒng)都可以分解為3個(gè)對(duì)稱的分量，即：零序分量、正序分量和負(fù)序分量。在pt二次側(cè)開口三角上，由于正序分量和負(fù)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(jī)pt或發(fā)電機(jī)發(fā)生了鐵磁諧振。
圖3 發(fā)電機(jī)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(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(diǎn)時(shí)，繞組中勵(lì)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）。
圖4 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流特性
圖5 發(fā)電機(jī)pt中性點(diǎn)電壓接線圖
當(dāng)y0接線的pt接入三相對(duì)稱電壓ua、ub、uc時(shí)，設(shè)流過三相pt一次繞組y0接線的勵(lì)磁電流為iam、ibm，icm，流過中性點(diǎn)0的電流（圖5）：
① 若3只單相pt伏安特性完全相同，則勵(lì)磁電流中的基波的模值i1m相同，設(shè)i1am=i1m∠0°，i1bm=i1m∠-120°，i1cm=i1m∠120°。則流過中性點(diǎn)基波電流為i1m=i1am=i1bm=i1cm=0（圖6a）。而勵(lì)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(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(yùn)行時(shí)，在pt二次側(cè)開口三角測(cè)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(jī)pt的伏安特性相差很大，那么三相勵(lì)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(yán)重的漂移（圖5b），造成pt各相電壓發(fā)生嚴(yán)重不平衡，pt二次側(cè)開口三角測(cè)量的電壓頻率為基波頻率50hz。
圖6 發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)電流向量分析圖
3、pt消諧裝置
發(fā)電機(jī)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(yùn)行時(shí)，電壓互感器開口三角的電壓（3u0）理論上是0v，在實(shí)際中一般也不超過10v。系統(tǒng)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(dá)到120v，形成過電壓。當(dāng)系統(tǒng)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(duì)很小，一般忽略。裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)pt開口三角電壓，運(yùn)用dft算法計(jì)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(shí)，即發(fā)諧振告警，啟動(dòng)消諧功能。
圖7 發(fā)電機(jī)pt開口三角接線及消諧原理圖
四、處理過程分析
發(fā)電機(jī)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?yàn)榘l(fā)電機(jī)相當(dāng)于一個(gè)大電感元件，且電感值遠(yuǎn)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(dá)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(jī)發(fā)生諧振十分相似，但發(fā)電機(jī)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(cuò)誤，造成pt二次側(cè)電壓不平衡。
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1、電壓不平衡主要原因
發(fā)電機(jī)三相電壓不平衡的原因有多種，主要原因是發(fā)電機(jī)組的諧振。諧振是一種穩(wěn)定現(xiàn)象，諧振過電壓不僅會(huì)在操作或故障時(shí)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(zhǎng)時(shí)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(jī)、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(jī)在正常同步運(yùn)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(jī)在異步運(yùn)行時(shí)，其電抗將在xd~xq之間同期性地變動(dòng)，如果與電機(jī)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(jī)一般在設(shè)計(jì)出廠前，就充分考慮到諧振問題，發(fā)生諧振的機(jī)率較小，但也有部分發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)此問題。
二、現(xiàn)象分析
柴油發(fā)電機(jī)發(fā)生諧振其根本原因?yàn)榘l(fā)電機(jī)及其所帶負(fù)載（發(fā)電機(jī)組pt、勵(lì)磁變、勵(lì)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(jī)等效電路圖進(jìn)行分析。假設(shè)正常運(yùn)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(shí)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(jī)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(fù)荷變化引起。
兩種原因造成發(fā)電機(jī)交軸電抗xaq與發(fā)電機(jī)直軸電抗xad參數(shù)周期性變化，當(dāng)與外電路的容抗xc滿足諧振條件時(shí)，發(fā)電機(jī)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(jī)阻尼繞組直軸等效電路圖
圖2 發(fā)電機(jī)阻尼繞組交軸等效電路圖
三、理論分析
1、發(fā)電機(jī)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(yùn)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(dāng)電壓高到一定值時(shí)，電壓互感器磁通密度即達(dá)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(jī)正常運(yùn)行情況下，發(fā)電機(jī)電壓互感器一次側(cè)電壓對(duì)稱，二次側(cè)三相線電壓對(duì)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(yùn)行情況，對(duì)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(shè)ua、ub、uc為三相對(duì)稱電勢(shì)，c0為相對(duì)地電容，la、lb、lc為pt勵(lì)磁電感，u0為中性點(diǎn)對(duì)地電壓，由于三相電勢(shì)對(duì)稱，所以u(píng)0=0。
由圖3可知，當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)生諧振時(shí)三相電壓不平衡，pt三相勵(lì)磁電感就不相等，此時(shí)三相系統(tǒng)也不再是對(duì)稱的量值，中性點(diǎn)電壓偏移，將會(huì)產(chǎn)生零序電流和對(duì)地位電壓ub，理論上對(duì)于任何不對(duì)稱的三相系統(tǒng)都可以分解為3個(gè)對(duì)稱的分量，即：零序分量、正序分量和負(fù)序分量。在pt二次側(cè)開口三角上，由于正序分量和負(fù)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(jī)pt或發(fā)電機(jī)發(fā)生了鐵磁諧振。
圖3 發(fā)電機(jī)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(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(diǎn)時(shí)，繞組中勵(lì)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）。
圖4 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流特性
圖5 發(fā)電機(jī)pt中性點(diǎn)電壓接線圖
當(dāng)y0接線的pt接入三相對(duì)稱電壓ua、ub、uc時(shí)，設(shè)流過三相pt一次繞組y0接線的勵(lì)磁電流為iam、ibm，icm，流過中性點(diǎn)0的電流（圖5）：
① 若3只單相pt伏安特性完全相同，則勵(lì)磁電流中的基波的模值i1m相同，設(shè)i1am=i1m∠0°，i1bm=i1m∠-120°，i1cm=i1m∠120°。則流過中性點(diǎn)基波電流為i1m=i1am=i1bm=i1cm=0（圖6a）。而勵(lì)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(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(yùn)行時(shí)，在pt二次側(cè)開口三角測(cè)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(jī)pt的伏安特性相差很大，那么三相勵(lì)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(yán)重的漂移（圖5b），造成pt各相電壓發(fā)生嚴(yán)重不平衡，pt二次側(cè)開口三角測(cè)量的電壓頻率為基波頻率50hz。
圖6 發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)電流向量分析圖
3、pt消諧裝置
發(fā)電機(jī)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(yùn)行時(shí)，電壓互感器開口三角的電壓（3u0）理論上是0v，在實(shí)際中一般也不超過10v。系統(tǒng)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(dá)到120v，形成過電壓。當(dāng)系統(tǒng)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(duì)很小，一般忽略。裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)pt開口三角電壓，運(yùn)用dft算法計(jì)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(shí)，即發(fā)諧振告警，啟動(dòng)消諧功能。
圖7 發(fā)電機(jī)pt開口三角接線及消諧原理圖
四、處理過程分析
發(fā)電機(jī)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?yàn)榘l(fā)電機(jī)相當(dāng)于一個(gè)大電感元件，且電感值遠(yuǎn)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(dá)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(jī)發(fā)生諧振十分相似，但發(fā)電機(jī)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(cuò)誤，造成pt二次側(cè)電壓不平衡。
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