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1、电气设备过负荷原因 电动机和电容器 1 电动机过负荷原因 ? 电气设备过负荷原因(以电动机、电力电 容器为例) 字面上讲,过负荷就是设备承受的负荷 (功率)超过其额定值的现象。 对于电气设备,其特点之一就是过电流。 2 电动机过负荷原因 ? 电动机过负荷原因 一)电能质量差 包括: A)电压偏移; B)频率偏离; C)非正弦电压; D)不对称电压 3 电动机过负荷原因 A)电压偏移 ? 电压升高时,电动机的励磁电流增加很多, 定子的铜损、定子和转子的铁损也要增大, 结果是使电动机过热。 ? 电压降低时,电动机处于欠压运行状态, 电动机的带负载能力下降,定子电流和转 子电流都会增加,使绕组中的铜
2、损增加, 温度上升。严重时会发生堵转。 4 电动机过负荷原因 B)频率偏离 ? 频率增加时,定子电流、转子电流都增加,导 致绕组铜损增加,电机温度上升。 ? 频率减小时,如果电压不变,有可能使磁路饱 和,励磁电流增加,温度升高。 C)非正弦电压 ? 非正弦电压作用下产生的非正弦电流一方面电 动机运转不平稳,损耗加大;另外一方面,谐 波电流产生的铁损远大于正弦基波,从而使温 度上升。 5 电动机过负荷原因 D)不对称电压 ? 不对称电压会造成电动机各相电流的不平 衡,从机电手册知道,线电压的不平衡度 为4时,所引起的不平衡线电流高达25 30。 ? 电流不平衡就必然有负序电流,但是幅值 相同的定
3、子正序电流和定子负序电流在电 动机中产生的热量并不相同。 6 电动机过负荷原因 ? 三相定子电流I和I产生气隙旋转磁场。 对于定子绕组而言,为正、反同步转速, 设定子绕组正序电阻为R,定子绕组负序 电阻为R,且RR(因为都是对应 与50Hz的交流电阻),则在正序电流I和 负序电流I的共同作用下,定子铜损为: 2 2 ?Ps = 3( I + + I ? ) ? R+ 7 电动机过负荷原因 ? 但是通过三相定子电流I和I产生的正反 旋转磁场,前者相对与转子转速近似为零。 即转子感生电流的频率很低,相对应转子 R+ 电阻表现为 (已折合到定子侧的转子绕 组对正序旋转磁场电阻),而后者相对于 转子的
4、转差率为(2S),所以电动机在 额定转速时 2 ? S ,即转子感生电流的 2 频率近似为100Hz,这时转子电阻表现为其 R? 100Hz下的交流电阻 (已折合到定子侧 的转子绕组对负序旋转磁场电阻)。 8 电动机过负荷原因 ? 对于笼型异步电机,转子对负序电流和正 序电流所表现出的电阻之比为: R? K R = = 1.25 ? 6 R+ ? 因此在I和I的共同作用下,转子铜损为 (不计励磁之路) 2 2 ?PR = 3I + R+ + 3I ? R? 2 2 = 3( I + + K R ? I ? ) R+ 9 电动机过负荷原因 ? 从上述分析可以看到,由于转子铜损与电 阻成正比,故数
5、值相同的负序电流产生的 铜损等于正序电流铜损的 K R 倍。 ? 因此,建立电动机过负荷保护模型时必须 对负序电流予以足够的重视。(有针对负 序电流的电动机的负序保护) 10 电动机过负荷原因 ? 为了简单地反映I和I不同的发热效应,英国 GEC公司提出了一个粗略反映上述发热效应的 I eq “等效电流” ,即: 2 2 2 I eq = K1 ? I + + K 2 ? I ? ? 式中,K10.5,防止正常启动过程中保护误动; ? K11,在整定的启动时间过后,正序电流的热效 应不再故意减小; ? K236,模拟负序电流的增强发热效应,一般 为保险起见,可取为6。 ? 反时限模型中的设备电
6、流应该取“等效电流” 。 I eq 11 电动机过负荷原因 二)断相运行(严重的不对称电压) ? 断相平衡运行时,电动机三相电源处于严 重不平衡状态,产生的不平衡三相电流使 得电机发热严重。 ? 另外一方面,断相运行时,电动机的负荷 能力下降,这就可能使电动机发生堵转的 现象,使定子电流急剧增加。 12 电动机过负荷原因 ? 断相时,电动机带负荷能力下降的程度与 电动机绕组接线方式有关。 ? 对于Y接线,其断相时,只有两个绕组通电; ? 对于?接线,断相时,仍有三个绕组通电。 ? 因此,Y接线电动机断相时带负荷能力下降 较多,对于4kW以上的电动机,一般多采 用?接线。 13 电动机过负荷原因
7、 三)繁重的工作制 ? 电动机频繁起动、制动、反转、长时间低速运 行(过负荷)都是发热严重的工作状态。 四)不稳定、易变化的负荷 ? 冲击性负荷会引起电动机电流的变化,转速不 稳,内部结构受到机械应力,最终损坏。 五)机械故障 ? 如轴承磨损,严重时会使转子和定子相碰,形 成附加的阻力矩,导致电流增加,温度上升。 14 电力电容器过负荷原因 并联电力电容器是电网无功补偿的重要设备,应 用十分广泛,数量众多。 一)过电压引起的过负荷 并联电容器的无功功率为: Q = UI = U 2C 并联电容器的有功损耗为: P = Q ? tg = U 2C ? tg ? 电容器的有功损耗也是与电压平方成正
8、比,电压 上升造成电容器损耗增加,温度上升,严重时导 致击穿。另外,绝缘介质长期在高温下老化,会 影响其使用寿命。 ? 过电压也会反映到电流上。 15 电力电容器过负荷原因 ? 电压升高的原因: (1)电容器连接处电网母线电压过高。 (2)电容器采用Y接法时,若电容器组中个 别电容器损坏退出运行,可能会因不平衡 使某一相上出现较大的过电压。 (3)电容无功补偿装置中,为了抑制合闸涌 流和高次谐波的影响,通常串接电抗器, 但串接电抗器后,电容器上电压会高于母 线电压,从而引起电容器电压升高。 16 电力电容器过负荷原因 二)过电流引起过负荷 1)电容器在合闸投入电网时产生的合闸涌流。 一般限制为
9、正常工作电流的68倍,频率 高,可以达到2.53kHz。 17 电力电容器过负荷原因 2)电压波形畸变引起电容器过电流。 ? 电网中由于大功率可控硅整流器等非线性设备投 运及变压器铁芯的磁饱和等都会使电压波形发生 畸变。 ? 由于容抗与频率的增加,谐波次数越高,对该次 谐波表现出来的容抗越小,谐波电流就越大。当 电容与电源及线路阻抗、串接电抗器阻抗形成谐 振时,可能出现对某次谐波电流的放大现象。使 得流过电容器的电流大大超过额定电流。 18 电力电容器过负荷原因 电容器的电流 放大现象 & I sh XC h hX S hX L & I ch 如图所示为h次谐波电流分布图。 图中电容器同一母线
10、上有一谐 波电流源,即h次谐波恒流源 , & Ih 流入系统和电容器的h次谐波电 & & I sh I ch 流分别为 、 。对中低压系 统的h次谐波阻抗,有 , & Ih Z sh X sh 即忽略电阻,由纯电抗组成, 电容器组则一般串有电抗 XC = KL 器 , X L X L ,配电系统中 K L = 3% ? 12% 的电容器 。 19 电力电容器过负荷原因 由上图有 I&h = I&sh + I&ch ,由于电容器组和系统参数的共同 作用,在某次谐波电流下会出现: 1)I ch I h ,即 I ch I h 1 ,电容器组h次谐波电流放大; 2)I sh I h,即 I sh I
11、 h 1,系统对h次谐波电流放大; 3)I ch I h,I sh I h ,称为h次谐波电流严重放大。 并联无功补偿电容器对谐波电流的放大是电力系统中带 有普遍性的问题。据统计,因谐波而损坏的电气设备中, 电容器占40。一旦电容器对某次谐波出现放大作用, 不仅使电容器产生过流、过压,也危及系统安全。 20 电力电容器过负荷原因 由图可得:(并联电流分流作用) & I ch = & I sh = hX S & Ih hX S + (hX L ? X C h) hX L ? X C h & Ih hX S + (hX L ? X C h) 21 电力电容器过负荷原因 电容器组谐波放大及谐振条件
12、由电容器组中电流公式可得到: I ch 1 = I h 1 + (h 2 K L ? 1) X C hX S I ch I h 1 ,在上式中必然有:( h 2 K L ? 1) X C hX S 0 若 ( h 2 K L ? 1) 0 ,得到: 1 K L h 即 22 电力电容器过负荷原因 此时电容器组对h次谐波电流放大,下表列 出了取不同的值时,可能产生谐波电流放 大的谐波次数及频率。 KL h(次) f(Hz) 0 无穷 无穷 3 5.77 288.5 4 5.00 250 5 4.47 223.6 6 4.08 204.1 12 2.88 144.3 23 电力电容器过负荷原因 ?
13、 可见,电容器组串3的电抗器时,5.77次 以下谐波会产生放大。欲使3次及以上次数 的谐波电流不产生放大,必须使K L 12% 。 ? 如果 h = 1 K L ,则有 h = X C X L 。 24 电力电容器过负荷原因 ? 即电容器组的电容与电感产生h次谐波电流串联谐 振,此时若母线上存在较小的h次谐波电压Uk,也 会在电容器组产生很大的h次谐波电流。若电容器 组的串联等值电阻为RC0,则电容器组的h次谐波 电流为 I h = U h RC 0 。 ? 对于并联补偿电容器组来说,产生h次谐波串联谐 振,相当于成为h次单调谐滤波器,而并联用的电 容器承受谐波的能力是很差的,此时有可能使电
14、容器过流、过压甚至于损坏电容器。 25 电力电容器过负荷原因 对h次谐波严重放大的条件 对h次谐波严重放大,是指电容器和系统对 h次谐波电流均放大。 ? 用系统的短路容量可以近似估算出系统的 谐波阻抗。若系统和电容器的额定电压分 别为USN和UCN,电容器的额定容量为QCN, 则系统电抗与电容器容抗之比 2 X S U SN QCN QCN KS = = 2 = XC S K U SN SK 26 电力电容器过负荷原因 X 令 = (hX L ? X C h) hX S , L = K L X C , 2 X S = K S X C 代入,得 = (h K L ? 1) 将 则谐波严重放大条件
15、为: h2 KS I ch I h = 1 (1 + ) 1 1 ?2 ? 2 I sh I h = (1 + ) 1 1 ? 2 (h K L ? 1) h K S ? 2 2 2 解两个不等式,得到同时满足两式的 值为 1 ( K L + 2 K S ) h 2 (2 K L + K S ) 当谐波次数满足上式时,电容器组和系统对h次谐波 电流都产生放大。 27 电力电容器过负荷原因 当 = ?1 时,(h 2 K L ? 1) h 2 K S = ?1 h = 1 (K L + K S ) = X C ( X L + X C ) ? 此时电容器组系统的电抗发生并联谐振, 电容器组和系统的
16、h次谐波电流都达到最大 值。 28 电力电容器过负荷原因 ? 当电容器组附近存在3次及以上的谐波电流 源时,为避免电容器组与系统对谐波电流 放大,按照上述分析应该增加KL,使之在 h3以上时,都不产生谐波电流放大。当系 统的短路容量较大,而电容器的容量较小 时,有KSKL,为避免h次谐波放大,则 有h 2 (2 K L + K S ) 1 K L 。由表可知,为避免 h3次以上的谐波电流放大,仍应取KL 12 。 29 电力电容器过负荷原因 ? 系统的参数会随着系统结构和负荷状况而 变化,因此在由并联无功补偿电容器的系 统中要时刻注意避免谐波放大现象的发生。 30 电容器过电流允许值 ? 电容器运行中关于过电流的规定:电容器 在额定频率和额定正弦波电压下,其有效 值电流不大于1.3倍额定电流。很多人将其 理解为:总的电流有效值不大于1.3倍额定 值