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常见问题

浅谈康明斯柴油发电机组三相电压不平衡的原因

作者: 发布时间:2023-07-26 07:19:38点击:

美奥动力为您介绍康明斯柴油发电机组三相电压不平衡的原因。

三相电压不平衡是指在三相交流电系统中,三相电压的幅值或相位差异不同,导致负载在不同相之间得到的电压不一致。这种情况可能会导致电气设备工作不稳定,甚至损坏,因此需要及时排查和解决。

以下是导致康明斯柴油发电机组三相电压不平衡的一些常见原因:

  1. 不均衡负载:当负载在三相之间分布不均,或者负载功率在不同相之间不同,会导致电流分布不均,进而导致电压不平衡。

  2. 供电侧不平衡:如果外部电网的供电不平衡,比如在三相电源输入端电压幅值或相位差不同,将会影响发电机组输出电压的平衡。

  3. 发电机内部问题:发电机内部元件损坏、绕组接触不良、定子和转子的不均衡等问题,都可能导致输出电压不平衡。

  4. 发动机不平衡:柴油发电机组的发动机是发电机输出电压的动力来源,如果发动机内部存在不平衡现象,会直接影响到输出电压的稳定性。

  5. 电压调节系统故障:柴油发电机组配备了电压调节器来维持输出电压稳定,若电压调节系统发生故障,可能会导致电压不平衡。

  6. 电缆和连接问题:电缆损坏、接触不良或连接松动等都可能造成电流在三相之间不平衡,进而导致电压不平衡。

为了解决康明斯柴油发电机组三相电压不平衡的问题,需要进行以下步骤:

  1. 定期检查和维护发电机组,确保内部元件的完好和电气连接良好。

  2. 对发电机组进行负载均衡,尽量保证负载在三相之间分布均匀。

  3. 检查外部电源供电是否平衡,如有问题应及时联系电力公司进行调整。

  4. 检查电压调节系统是否正常工作,如有故障及时进行修复或更换。

  5. 检查电缆和连接是否牢固可靠,必要时更换损坏的电缆或重新连接接触不良的部分。

通过以上步骤,可以有效地解决康明斯柴油发电机组三相电压不平衡的问题,确保发电机组稳定输出符合要求的电压。

 

康明斯公司在本文中分析了的原因及解决措施,从中总结出了发电机组安装、检修过程中应注意的事项,便于解决以后康明斯用户使用柴油发电机组时会出现的类似情况。

 

1、电压不平衡主要原因

 

发电机三相电压不平衡的原因有多种,主要原因是发电机组的谐振。谐振是一种稳定现象,谐振过电压不仅会在操作或故障时的过渡过程中产生,而且还可能在过渡过程结束以后,较长时间内稳定存在,直到发生新的操作,谐振条件受到破坏为止。按性质来说,谐振有线性谐振、非线性谐振(铁磁谐振)和参数谐振3种类型。

① 线性谐振:

电路中的元件参数是常数,不随电压或电流而变化,这里主要是指不带铁芯的电感元件,如输电线路的电感等。

② 铁磁谐振:

振荡回路中由于带铁芯电感(如发电机、变压器等)的磁路饱和作用,使它们的电感减小,激发起来的持续性铁磁谐振过电压。

③ 参数谐振:

指柴油发电机在正常同步运行时,直轴同步电抗Xd与交轴同步电抗Xq同期性地变动,或同步发电机在异步运行时,其电抗将在Xd~Xq之间同期性地变动,如果与电机外电路的容抗Xc满足谐振条件,就有可能在电感参数周期变化的振荡回路中,激发起谐振。柴油发电机一般在设计出厂前,就充分考虑到谐振问题,发生谐振的机率较小,但也有部分发电机组出现此问题。

 

二、现象分析

 

柴油发电机发生谐振其根本原因为发电机及其所带负载(发电机组PT、励磁变、励磁PT)的综合感抗与容抗相等,利用L-C串联谐振电路及图1、图2发电机等效电路图进行分析。假设正常运行条件下,其初始感抗大于容抗(ωL>1/ωc),电路不具备谐振的条件,而电感线圈中出现涌流时就有可能使铁芯饱和,感抗下降,使ωL=1/ωc,满足串联谐振条件,产生铁磁谐振。

引起柴油发电机发生参数谐振的原因有两种:

1、内部原因,即由于系统内自然频率的相互特殊关系引起;

2、外部原因,即由于系统的周期性负荷变化引起。

两种原因造成发电机交轴电抗Xaq与发电机直轴电抗Xad参数周期性变化,当与外电路的容抗Xc满足谐振条件时,发电机即发生参数谐振,参数谐振是电力系统内主要振荡模式之间的能量传送、接收的一种形式。

 

发电机阻尼绕组直轴等效电路图.png

图1  发电机阻尼绕组直轴等效电路图

发电机阻尼绕组交轴等效电路图.png

图2  发电机阻尼绕组交轴等效电路图

 

 

三、理论分析

 

1、发电机PT三相电压

电压互感器的作用是将电压转换成与其成比例的低电压,正常运行时电压互感器磁通密度高,接近饱和值,且一次电压越高,磁通密度越大,当电压高到一定值时,电压互感器磁通密度即达到饱和状态此时,电压互感器一次电压与二次电压不成正比例关系,电压互感器的电感会下降,随着饱和程度逐步增加,电压互感器的电感值会进一步降低。在发电机正常运行情况下,发电机电压互感器一次侧电压对称,二次侧三相线电压对称并等于额定电压(二次侧三相线电压Uab=Ubc-=Uca=100V),开口三角电压由于首尾重合,电压约等于零,即:U0≈0V。为了便于分析PT的运行情况,对中性点不接地电网PT的三相进行简化如图6

所示,设Ua、Ub、Uc为三相对称电势,C0为相对地电容,La、Lb、Lc为PT励磁电感,U0为中性点对地电压,由于三相电势对称,所以U0=0。

由图3可知,当发电机发生谐振时三相电压不平衡,PT三相励磁电感就不相等,此时三相系统也不再是对称的量值,中性点电压偏移,将会产生零序电流和对地位电压Ub,理论上对于任何不对称的三相系统都可以分解为3个对称的分量,即:零序分量、正序分量和负序分量。在PT二次侧开口三角上,由于正序分量和负序分量方向相反、矢量和为零,所以只有零序分量,即开口三角就有了零序电压,零序电压又叠加在二次侧三相电压上,就出现了二次侧三相电压不平衡现象。该厂电压不平衡的可能原因是发电机PT或发电机发生了铁磁谐振。

 

发电机中性点不接地电路图.png

图3  发电机中性点不接地电路图

 

2、PT的伏安特性

电磁式PT是由带有铁芯的绕组构成。由于铁芯伏安特性具有非线性特征,当一次绕组接入电压所产生的磁通超过饱和点时,绕组中励磁电流1m呈尖顶波状。若将尖顶波进行分解,除基波分量外,包含有各奇次谐波,其中以3次谐波幅值最大(图4)。

 

发电机励磁电流特性.png

图4 发电机励磁电流特性

发电机PT中性点电压接线图.png

图5  发电机PT中性点电压接线图

 

当Y0接线的PT接入三相对称电压UA、UB、UC时,设流过三相PT一次绕组Y0接线的励磁电流为IAM、IBM,ICM,流过中性点0的电流(图5):

① 若3只单相PT伏安特性完全相同,则励磁电流中的基波的模值I1M相同,设I1AM=I1M∠0°,I1BM=I1M∠-120°,I1CM=I1M∠120°。则流过中性点基波电流为I1M=I1AM=I1BM=I1CM=0(图6a)。而励磁电流中的3次谐波角差为零度,即I3AM=I3M∠3×0°=I3M∠0°,I3BM=I3M∠-3×120°=I3M∠-360°=I3M∠0°,I3CM=I3M∠3×120°=I3M∠360°=I3M∠0°,即流过中性点的电流l0。即是3次谐波电流l0=l30=I3M∠0°+I3M∠0°I3M∠0°=3I3M∠0°(图6b)。正常运行时,在PT二次侧开口三角测量的电压为一次侧3次谐波在接地电阻R上产生反应到二次侧的电压,频率为3倍的基波频率150Hz。

② 若3只单机PT的伏安特性相差很大,那么三相励磁基波电流的幅值不相等,I1AM=I1BM=I1CM≠0,3次谐波电流I30≠0,因此PT中性点位移电压等于基波电流加上3次谐波电流在接地电阻R上产生的综合电压,PT中性点发生较严重的漂移(图5b),造成PT各相电压发生严重不平衡,PT二次侧开口三角测量的电压频率为基波频率50Hz。

 

发电机中性点电流向量分析图.png

图6  发电机中性点电流向量分析图

 

3、PT消谐装置

发电机PT开口三角安装有消谐装置(如图7所示),其工作原理为:

正常运行时,电压互感器开口三角的电压(3U0)理论上是0V,在实际中一般也不超过10V。系统发生单相接地故障时,3Ud将迅速升高到30V有时更高,达到120V,形成过电压。当系统形成了铁磁谐振时,在形成的谐波含量中,16.667Hz,25Hz,150Hz3种成分比重较大,其他的分量相对很小,一般忽略。装置实时监测PT开口三角电压,运用DFT算法计算出电压4种频率(16.667Hz,25Hz,50Hz,150 Hz)的分量,当16.667Hz谐波电压、25Hz谐波电压、150Hz谐波电压3种谐波电压中某一电压大于设定值时,即发谐振告警,启动消谐功能。

 

发电机PT开口三角接线及消谐原理图.png

图7 发电机PT开口三角接线及消谐原理图

 

四、处理过程分析

 

发电机从加压开始即出现三相电压不平衡,这与铁磁谐振存在矛盾,因为发电机相当于一个大电感元件,且电感值远大于电容值,在低电压时,铁芯不可能马上饱和,造成感抗与容抗相等,因此也就达不到谐振条件。

通过现象、理论及处理过程分析,虽然电压不平衡与发电机发生谐振十分相似,但发电机应没有发生谐振,此过程极有可能为PT的伏安特性相差太大或者PT的二次接线错误,造成PT二次侧电压不平衡。

 
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