發電機三相電壓不平衡的原因分析
發布時間：2023-11-23 點擊：979
發電機組三相電壓不平衡的原因
康明斯公司在本文中分析了發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電機組時會出現的類似情況。
1、電壓不平衡主要原因
發電機三相電壓不平衡的原因有多種，主要原因是發電機組的諧振。諧振是一種穩定現象，諧振過電壓不僅會在操作或故障時的過渡過程中產生，而且還可能在過渡過程結束以后，較長時間內穩定存在，直到發生新的操作，諧振條件受到破壞為止。按性質來說，諧振有線性諧振、非線性諧振（鐵磁諧振）和參數諧振3種類型。
① 線性諧振：
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，如輸電線路的電感等。
② 鐵磁諧振：
振蕩回路中由于帶鐵芯電感（如發電機、變壓器等）的磁路飽和作用，使它們的電感減小，激發起來的持續性鐵磁諧振過電壓。
③ 參數諧振：
指柴油發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周期變化的振蕩回路中，激發起諧振。柴油發電機一般在設計出廠前，就充分考慮到諧振問題，發生諧振的機率較小，但也有部分發電機組出現此問題。
二、現象分析
柴油發電機發生諧振其根本原因為發電機及其所帶負載（發電機組pt、勵磁變、勵磁pt）的綜合感抗與容抗相等，利用l-c串聯諧振電路及圖1、圖2發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，而電感線圈中出現涌流時就有可能使鐵芯飽和，感抗下降，使ωl=1/ωc，滿足串聯諧振條件，產生鐵磁諧振。
引起柴油發電機發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。
兩種原因造成發電機交軸電抗xaq與發電機直軸電抗xad參數周期性變化，當與外電路的容抗xc滿足諧振條件時，發電機即發生參數諧振，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。
圖1 發電機阻尼繞組直軸等效電路圖
圖2 發電機阻尼繞組交軸等效電路圖
三、理論分析
1、發電機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。在發電機正常運行情況下，發電機電壓互感器一次側電壓對稱，二次側三相線電壓對稱并等于額定電壓（二次側三相線電壓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，當發電機發生諧振時三相電壓不平衡，pt三相勵磁電感就不相等，此時三相系統也不再是對稱的量值，中性點電壓偏移，將會產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三相電壓上，就出現了二次側三相電壓不平衡現象。該廠電壓不平衡的可能原因是發電機pt或發電機發生了鐵磁諧振。
圖3 發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 發電機勵磁電流特性
圖5 發電機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二次側開口三角測量的電壓為一次側3次諧波在接地電阻r上產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上產生的綜合電壓，pt中性點發生較嚴重的漂移（圖5b），造成pt各相電壓發生嚴重不平衡，pt二次側開口三角測量的電壓頻率為基波頻率50hz。
圖6 發電機中性點電流向量分析圖
3、pt消諧裝置
發電機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。系統發生單相接地故障時，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，即發諧振告警，啟動消諧功能。
圖7 發電機pt開口三角接線及消諧原理圖
四、處理過程分析
發電機從加壓開始即出現三相電壓不平衡，這與鐵磁諧振存在矛盾，因為發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。
通過現象、理論及處理過程分析，雖然電壓不平衡與發電機發生諧振十分相似，但發電機應沒有發生諧振，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二次側電壓不平衡。
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1、電壓不平衡主要原因
發電機三相電壓不平衡的原因有多種，主要原因是發電機組的諧振。諧振是一種穩定現象，諧振過電壓不僅會在操作或故障時的過渡過程中產生，而且還可能在過渡過程結束以后，較長時間內穩定存在，直到發生新的操作，諧振條件受到破壞為止。按性質來說，諧振有線性諧振、非線性諧振（鐵磁諧振）和參數諧振3種類型。
① 線性諧振：
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，如輸電線路的電感等。
② 鐵磁諧振：
振蕩回路中由于帶鐵芯電感（如發電機、變壓器等）的磁路飽和作用，使它們的電感減小，激發起來的持續性鐵磁諧振過電壓。
③ 參數諧振：
指柴油發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周期變化的振蕩回路中，激發起諧振。柴油發電機一般在設計出廠前，就充分考慮到諧振問題，發生諧振的機率較小，但也有部分發電機組出現此問題。
二、現象分析
柴油發電機發生諧振其根本原因為發電機及其所帶負載（發電機組pt、勵磁變、勵磁pt）的綜合感抗與容抗相等，利用l-c串聯諧振電路及圖1、圖2發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，而電感線圈中出現涌流時就有可能使鐵芯飽和，感抗下降，使ωl=1/ωc，滿足串聯諧振條件，產生鐵磁諧振。
引起柴油發電機發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。
兩種原因造成發電機交軸電抗xaq與發電機直軸電抗xad參數周期性變化，當與外電路的容抗xc滿足諧振條件時，發電機即發生參數諧振，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。
圖1 發電機阻尼繞組直軸等效電路圖
圖2 發電機阻尼繞組交軸等效電路圖
三、理論分析
1、發電機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。在發電機正常運行情況下，發電機電壓互感器一次側電壓對稱，二次側三相線電壓對稱并等于額定電壓（二次側三相線電壓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，當發電機發生諧振時三相電壓不平衡，pt三相勵磁電感就不相等，此時三相系統也不再是對稱的量值，中性點電壓偏移，將會產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三相電壓上，就出現了二次側三相電壓不平衡現象。該廠電壓不平衡的可能原因是發電機pt或發電機發生了鐵磁諧振。
圖3 發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 發電機勵磁電流特性
圖5 發電機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二次側開口三角測量的電壓為一次側3次諧波在接地電阻r上產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上產生的綜合電壓，pt中性點發生較嚴重的漂移（圖5b），造成pt各相電壓發生嚴重不平衡，pt二次側開口三角測量的電壓頻率為基波頻率50hz。
圖6 發電機中性點電流向量分析圖
3、pt消諧裝置
發電機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。系統發生單相接地故障時，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，即發諧振告警，啟動消諧功能。
圖7 發電機pt開口三角接線及消諧原理圖
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