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    2. 同步發電機不對稱運轉

      文/固也泰電子工業有限公司

      概述

      由於發電機是依三相負載對稱運轉設計的,其每相繞組的電阻、漏電抗和勵磁阻抗基本相同,其最大允許功率受每相額定容量的限制。三相負載對稱時,三相電流相等,發電機內部電壓降相同,其輸出的電壓是相同的。
      當三相負載不對稱時,各相電流不相等,發電機內部每相的電壓降就不相等,造成三相輸出電壓不相等。當發電機三相負載極不平衡時,中性線電流較大,使中性線具有較大的阻抗壓降,中性點產生位移,各相電壓也會發生變化。

      下圖範列中設發電機R、S、T 端電壓為220V ,Ri 為發電機內部總阻抗0.5Ω
      圖一、三相負載平衡時設各相電流為:100A 則 VRS :220V、VST:220V、VRT:220V、VRN:127V、VSN:127V、VTN:127V,三相電壓平衡,中性點等電位(N 相無電流)。
      圖二、三相負載不平衡時設各相電流為Ir=50A、Is=100A、It=150A 則VRS=232V、VST=207V、VRT=220V、VRN=141V、VSN=126、VTN=112V,顯然各相電壓也不相等,中性點產生位移(N 相電流變大)。

      一、 造成三相負載不對稱的原因

      一般而言,任何單相負載連接在三相電力網路中其負載是不會對稱的,這是因為在連接時,三相負載的分配很難做到平衡; 各個單相負載不會做到同時開停時間; 在使用中每一相負載線總長度也不相同,另外造成三相負載不平衡最嚴重的原因是系統網路一相或兩相斷線(或短路)或接地故障。

      二、三相負載不平衡對發電機的影響

      當三相負載平衡時發電機內部僅存在正序電流,正序電流是由發電機電勢產生的,它所產生的正序磁場與轉子保持同步轉速而同方向旋轉,對轉子而言是相對靜止的,在轉子中不產生感應電流。此時,轉子的發熱主要由勵磁電流來確定。

      當發電機處於三相不對稱狀態運轉時,內部定子繞組內除正序電流外還有負序電流。負序電流出現後,它和正序電流疊加使定子繞組相電流可能超過額定值,導致繞組的發熱有時會超過容許值(三相電流的差距與負序電流成正比)。此外,負序電流形成的負序旋轉磁場,以同步轉速與轉子旋轉的方向相反旋轉,並穿過定子與轉子間的氣隙到達轉子。對轉子而言,是受到以兩倍同步轉速旋轉的負序氣隙磁場的切割,並在轉子阻尼組件(含轉子極面的槽楔、齒部及端部阻尼環)和轉子繞組中,產生兩倍頻率的渦流。該電流流經轉子本體,在轉子本體中產生附加損耗並發熱。發熱嚴重時會將轉子部件燒損,甚至燒壞。

      三、負序電流產生附加力矩增加機組振動

      發電機三相電流不對稱運行時,正序電流產生正向旋轉磁勢F1,負序電流產生反向旋轉磁勢F2。它們產生的磁場在空間都是按正弦規律分佈的,可用兩個空間向量F1 和F2 來代表。由於發電機在一定的不對稱狀態下,F1 和F2 的分量均為定值,故使相量F1 和F2 端點的軌蹟為正圓,如下圖所示。正向磁場F1沿反時針方向旋轉,F2 沿順時針方向旋轉,兩者合成的磁勢向量F 即代表不對稱運轉狀態的磁勢向量。由圖顯而易見,當F1 和F2 的轉速(同步轉速)相等,分量不等時,合成磁勢相量F 的端點軌蹟便是一個橢圓。因此,一般所說的橢圓形旋轉磁場,即是指合成磁勢相量端點F 的軌蹟是橢圓。F 所產生的磁場在空間仍按正弦波分佈,但其幅值隨F 的大小而變化。

      F1 或F2 每旋轉一週,F 也旋轉一週,F 的平均轉速為n。但是,在一周中合成磁場的大小要變化2次,即合成磁場變化的速度為2n。若轉子對稱,縱軸和橫軸方向的磁阻相同,則磁勢大,磁場就強,產生的轉矩也大;反之,則轉矩較小。因為合成磁場變化的速度為2n,所以要產生120Hz 的交變轉矩(60Hz 發電機)。由於該轉矩同時作用在轉子軸和定子機座上,故負序磁場會增加機組的振動,甚至導致金屬疲勞和機械損傷。

      交變轉矩的大小還與轉子不對稱的程度有關。轉子縱軸和橫軸磁導的差值大,引起的附加振動也大。機組承受振動的能力與其結構有關,鑄造機座承受振動的能力大,焊接機座承受振動的能力就小。因此,後者若在強烈的振動之下,焊縫容易開裂。

      四、對通信線路引起高頒干擾

      發電機在不對稱狀態下運轉時,其負序氣隙旋轉磁場,切割轉子繞組,會產生2 倍工作頻率的附加電流。由於轉子繞組為單相繞組,2f 的脈動磁場,可以分解為對轉子以2 倍同步速度正、負旋轉,幅值為原幅值1/2 的2 個旋轉磁場分量。以2n 正轉的磁場分量,對定子以轉速3n,(因為轉子以轉速n 正轉)旋轉,在定子繞組中感應出3f 的電勢。由於定子繞組處於不對稱狀態運行,其繞組中將出現3f 的負序電流,該電流又會在轉子中感應出4f 的電流。同理,以轉速4n 對轉子正向旋轉的磁場,再在定子中感應出5f 的電勢和電流。依此類推,定子繞組中將出現一系列3。5。7。9?!娲沃C波的電流。在轉子繞組中將出現一系列2。4。6。8?!即沃C波的電流。但是,這些高次諧波電流,次數越高,其幅值就越小。次數較高的高次諧波電流,實際上可以略去。所以,通常把轉子中感應的電流稱為倍頻(2f)電流。

      定子高次諧波電流在輸電線上,會產生高頻磁場,它對鄰近輸電線路的弱電流通信線路,會感應高頻電流并干擾通信線路的正常運行。

      五、負序電流使感應電動機及變壓器的效率降低。出力減小

      • 1、對感應電動機的影響
      • 當加在感應電動機端頭的三相電壓不對稱時,就會出現負序電壓,其值會在感應電動機中引起負序電流,使轉子損耗增加;同時,負序電壓產生與正序電壓相反的旋轉磁場,引起制動作用。由於正序磁場比負序磁場大,電動機仍與正序磁場旋轉方向相同,但由於負序磁場的制動作用,使電動機的合成轉矩減小轉子轉速下降,導致輸出功率減少,損耗更增加,使感應電動機的運轉性能進一步惡化。當電力系統局部故障,造成三相電壓嚴重不對稱,負序電壓值很高時,還會造成感應電動機燒壞事故。這在電力系統中是時有所聞的,我們對此要有足夠的認識和重視。

        如果電動機的中性線接零,還將有零序電流通過,這個零序電流在繞組電阻上消 耗電能,增加電動機的發熱量,同時這個零序電流還產生一個脈振磁場,產生較 大的虛功功率。

      • 2、對變壓器的影響
      • 三相負載不對稱使零序電流增大。三相負載不對稱運行時產生零序電流,這個零序電流隨不對稱度的大小而變化,不對稱度越大零序電流越大。由於零序電流的存在,在變壓器鐵芯中產生零序磁通,而二次壓側沒有零序電流,這就迫使零序磁通只能從變壓器的油箱壁及鋼結構件中通過,這些鋼構件在設計時並沒考慮導磁,所以磁滯和渦流損耗造成鋼構件局部溫度升高,產生功率損耗。

      六、發電機的負序能力及其確定因素

      綜上所述,發電機在不對稱狀態下運行時,定子繞組中就有負序電流存在。負序電流對發電機和電力系統均有一定的危害。但是,負序電流對發電機危害最大的是在轉子中引起附加損耗與發熱;其次是引起機組振動。因此,發電機轉子的耐熱性能,即承受負序電流的能力(以下簡稱負序能力),是發電機的重要性能指標之一,它涉及到發電機的設計。製造和運轉。

      七、影響負序能力的因素

      影響發電機負序能力的因素,主要有下列幾個方面:
      • 1、發電機的繞組電流負荷
      • 發電機定子繞組負荷與轉子電流密度的大小,對負序能力影響較大。對于間接冷卻的發電機而言,若轉子繞組的電流密度較大,並在額定值的工作下,轉子繞組及轉子表面的溫度較高時,再承受負序電流的能力就較??;反之,就會大些。對于直接冷卻的發電機而言,因定子繞組負荷與轉子電流密度均較大,在不對稱狀態下,轉子本體和端部渦流的絕對值,均比間接冷卻發電機的大。

      • 2、對變壓器的影響
      • 三相負載不對稱使零序電流增大。三相負載不對稱運行時產生零序電流,這個零序電流隨不對稱度的大小而變化,不對稱度越大零序電流越大。由於零序電流的存在,在變壓器鐵芯中產生零序磁通,而二次壓側沒有零序電流,這就迫使零序磁通只能從變壓器的油箱壁及鋼結構件中通過,這些鋼構件在設計時並沒考慮導磁,所以磁滯和渦流損耗造成鋼構件局部溫度升高,產生功率損耗。

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