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发电机组三相电压不平衡的原因 |
摘要：康明斯公司在本文中分析了发电机组三相电压不平衡的原因及解决措施，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。
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图1 发电机阻尼绕组直轴等效电路图 |
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。
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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）。
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图4 发电机励磁电流特性 |
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。
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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。
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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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