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发电机三相不平衡负载试验步骤 |
摘要：发电机不平衡运行也是属于非正常工作状态。在实际运行中，引起发电机不平衡运行的原因可能是多种多样的，如不平衡负荷、输电线路不平衡以及非全相运行状态等。当同步发电机不平衡运行时，由对称分量法可知，定子绕组中除了有正序电流外，还有负序电流。所以发电机三相不平衡运行的特点就是伴随着出现负序电流。康明斯公司在本文通过对负序电流给发电机造成危害的分析和举例，增强值班员对不平衡运行的处理紧迫感，并能根据标准进行果断处理，必要时临时扩大停电范围来保证发电机的安全。
一、不平衡运行现象和危害
1、不平衡运行的现象
判断不平衡运行应将多种表计结合起来，不得以一种表计为准。 发电机三相不平衡等效电路和相量图如图1所示。
（1）掌握发电机正常运行负序电流一般指示多少，本发电机从并网到满负荷时负序电流变化多大，掌握本机组正常运行时的基准值。
（2）当系统中有较大的单相负荷时，并网中的发电机互相分担，同时单相负荷占总发电机负荷比例小，负序电流增加不明显，三相电流差能从50A增至100A左右。
（3）当系统有不平衡短路时，距短路点近的发电机，负序电流能出现报警，此时发电机三相电流差指示明显，随故障切除而消失。
（4）主变高压侧某相接触电阻增大，发电机一相电流大，二相电流小；发电机一相线圈断股或开焊一相降低，其他两相不变。此现象负荷越高越明显。
（5）发电机主开关发生非全相，未经升压的主开关，断一相则一相无电流曰经主变升压的主开关非全相，断一相发电机电流一相大两相小，两相跳开主变中性点接地时，发电机两相有电流，主变中性点不接地时，发电机三相无电流。发电机主开关与DEH关系图如图2所示。
2、不平衡运行的危害
同步发电机是根据三相电流对称的情况下能够长期运行设计的，但实际中不平衡运行情况也是经常遇到的，如单相电炉负载、发电机主开关合断时三相不同期或非全相、系统中的两相或单相接地短路、发电机线圈匝间短路或开路，都会导致发电机运行状态破坏，导致三相电压电流不平衡，最终影响发电机及系统用户的安全运行，如处理不及时将会造成发电机转子严重损坏。负序电流的危害不能直接监视，值班员一般重视不够，不能迅速进行处理，对发电机转子造成危害。
以柴油发电机为例，发电机不平衡运行时，定子电流中的负序分量，产生与转子的旋转方向相反的旋转磁场，将使转子上的各个部件诸如大齿、小齿、槽楔、护环、励磁绕组及阻尼绕组，切割负序磁场，产生频率为100 Hz的感应电流。由于交流电的集肤效应，感应电流只能在转子表面的薄层中流过，这些电流不仅流过转子本体，还流过护环、心环以及转子的槽楔与齿，并流经槽楔与齿与护环的许多接触面。由于这些接触面的电阻很高，发热尤其严重，后果不堪设想。其次是负序电流引起附加转距产生振动。这些危害值班员监视不到，有些运行值班员不能深刻了解，重视不够，使负序电流作用时间过长，造成严重后果。
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图1 发电机三相不平衡等效电路和相量图 |
图2 发电机主开关与DEH关系图 |
二、发电机不平衡运行时的主要条件
发电机的转子是凸极式的，散热条件较好，当它与隐极机有同样的不平衡运行条件时，其附加发热温升较低，如有阻尼绕组，虽可引起阻尼绕组的发热，但阻尼绕组可以削弱负序磁场的影响，从而减轻转子的发热程度。但是，发电机的转子直径较大，纵轴和横轴的磁导差别也较大，因而由负序电流所引起的机械振动较严重，同时，由于发电机的机座是焊接件，承受振动的能力又较弱，所以附加振动就可能成为限制发电机不平衡运行的主要条件。发电机不平衡运行时，其允许负荷主要决定于下列三个条件：
① 负荷最大相的定子电流不应超过发电机定子的额定电流。
② 转子最热点的温度，不应超过转子绝缘材料和金属材料的允许温度。
③ 不平衡运行时出现的机械振动，不应超过允许范围，机械振动的允许值按制造厂推荐的标准确定。
第一个条件是考虑到定子绕组的发热不超过允许值。第二个和第三个条件是针对不平衡运行时出现的负序申流所造成的危害而提出来的。由于发电机的结构、材料和冷却方式等的不同，负序电流允许范围也不同。因此不平衡运行时，负序电流的允许值和允许时间都不应超出制造厂家规定的范围。如无制造厂家的规定，可参照我国规定的发电机不平衡运行时的允许电流和持续时间来执行。
三、限制不平衡运行的标准
理解规程规定并严格执行，将标准记在心中，并坚定执行。
1、发电运行中三相电流之差不得超过额定值的10%
运行人员对定子电流的监视也可间接对负序电流的监视。用对称分量法计算负序电流如下：
ⅠA2=0.17 ｛(ⅠA-ⅠB)+(ⅠA-Ⅰc）｝+j0.866（ⅠB-Ⅰc）
由式可知发电机的三相电流差增大时，负序电流也增大。经计算柴油发电机的三相电流差是额定值10%时，负序电流占额定值约6%。在这个电流下，转子的发热是能承受的。所以规程规定柴油发电机的三相电流之差不超过额定值的10%。
2、负序电流定值标准
不平衡程度通常用负序电流对额定电流的百分数表示，为了方便运行人监视，现场常装负序电流百分数表。正常运行中由于负荷性质有不断变化，负序电流表指示也不稳定，一般不超过1.0%，当负荷发生变化，负序电流不大于5%时，对发电机影响不大，可以正常运行，但当超过10%时，将会引起电网电压显著的不平衡，转子表面将明显发热超温。图3为不平衡程度和发电机允许输出容量关系图，作为带负荷参考。
3、负序能力标准
当负序电流到一定的数值后，短时间内由负序损耗（如图4所示）产生的热量来不及散出，视为绝热过程，转子表面的平均温升与转子的负序能量I22t成正比。实践证明用I22t作为负序能力的判据是行之有效的。现场实际装有I22 t数值累计表，当负序电流报警后，开始启动并累计。
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图3 负序电流与发电机允许输出有功曲线 |
图4 发电机负序电流损耗相量图 |
四、发电机不平衡运行的试验
康明斯公司通过对自励恒压发电机三相不平衡负载试验的介绍，使客户与售后维修员可掌握三相负载作星形、三角形联接的方法，验证线电压与相电压、线电流与相电流之间的关系，并充分理解三相四线制供电系统中中性线的作用。
1、三相负载对称关系
三相负载可接成星形（Y形）或三角形（4形）。三相负载为对称时存在以下关系∶
（1）三相负载为不平衡星形接法时，必须采用三相四线制接法，即Y0接法。中性线必须牢固联接，以保证三相不平衡负载的每相电压维持对称。
（2）若中性线断开，会导致三相负载电压的不平衡，致使轻负载相相电压过高，使负载受损重负载相的相电压过低，负载不能正常工作。
故对于三相负载一律采用三相四线制（Y0接法）。三相负载不平衡三角形接法时，线电流10=√3相电流I，但只要电源的线电压对称，加在三相负载上的电压保持对称，对各相负载工作无影响。
2、试验步骤
（1）不平衡负载工作时三相电压偏差的测定试验
发电机在自励的情况下，先加25％额定功率的三相对称负载，此时输出电压和功率因数均应为额定值（一般为0.8滞后）。之后，在其中一相上再加25‰一相额定功率的电阻性负载（对晶闸管整流器励磁方式的电机，应加在有晶闸管整流器的那一相上）。用准确度不低于0.5级的电压表测量三相线电压值。计算三个线电压的不平衡度（用‰表示），该不平衡度即为不平衡负载工作时三相电压偏差。一般用途的发电机，该值应在±5‰以内。
（2）不平衡负载工作时各绕组温升的测定试验
发电机在自励的情况下，先加70％额定功率的三相对称负载，此时输出电压、频率和功率因数均应为额定值。之后，在任意两相上再加电阻性负载，所加数值应使该两相的输出电流达到额定值（此时电流的负序分量约为12％）。维持上述负载连续运行到温升稳定，然后测定各部位的温升或温度（有关程序和计算方法见“热试验”）。
3、实验结果分析
根据原理图5所示，分别对三相负载（对称、不平衡）星形联接（Y、Y0)和三角形(△、△0)联接检测，并按图6接线后，按Y接B相断开项测得值与理论值相差太多。
由三相不平衡负载理论分析计算：
（1）A相负载为一个灯泡，B相负载断开，C相负载为三个灯泡并联，因此R A=3R C—(1)式；
（2）B相断开时，AC两相相当于串联，故有UA0=3UC0—(2)式；
而实验结果数据：UA0≈6UC0，为此我们进行了多次相同的实验，但实验结果没有大的变化。我们又对白炽灯的电阻进行理论计算，电阻为P=U2/R=2202/15=3227Ω。接着我们用万用表对白炽灯不通电情况下进行了电阻测量，测量值近似为400Ω，测量值与理论值相差近10倍。
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图5 三相发电机不平衡运行实验原理图 |
图6 三相不平衡负载试验接线电路图 |
总结：
总之，对发电机三相不平衡运行首先要从思想上重视，了解危害，掌握发电机容量及转子冷却方式不同，对负序电流的耐受能力不一样，清楚各种情况下的负序电流的标准。处理的目的是迅速将负序电流降至标准范围内，越快越好。发生非全相时应设法保证发电机电流为零，发电机主开关无法断开且柴油发电机无法维持3000转，发电机电压无法维持时，发电机负序电流会特别大，处理应分秒必争，应立即拉开上一级开关或拉开母线上所有进出线开关，切不可有任何顾虑，此时为了保证发电机不受致命的损坏，暂时扩大停电范围是值得的，也是完全正确的。
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