电气设备过负荷原因

1 电气设备过负荷原因 电动机和电容器 2 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 3 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 4 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 使绕组中的铜损增加 温度上升 严重时会发生堵转 5 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 6 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 7 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R R 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 8 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转差率为 2 S 所以电动机在额定转速时 即转子感生电流的频率近似为100Hz 这时转子电阻表现为其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 9 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 因此在I 和I 的共同作用下 转子铜损为 不计励磁之路 10 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 故数值相同的负序电流产生的铜损等于正序电流铜损的倍 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 11 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 等效电流 即 式中 K1 0 5 防止正常启动过程中保护误动 K1 1 在整定的启动时间过后 正序电流的热效应不再故意减小 K2 3 6 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流应该取 等效电流 12 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 13 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 14 电动机过负荷原因 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 15 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 并联电容器的有功损耗为 电容器的有功损耗也是与电压平方成正比 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 16 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 17 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 一般限制为正常工作电流的6 8倍 频率高 可以达到2 5 3kHz 18 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 19 电力电容器过负荷原因 如图所示为h次谐波电流分布图 图中电容器同一母线上有一谐波电流源 即h次谐波恒流源 流入系统和电容器的h次谐波电流分别为 对中低压系统的h次谐波阻抗 有 即忽略电阻 由纯电抗组成 电容器组则一般串有电抗器 配电系统中的电容器 电容器的电流放大现象 20 电力电容器过负荷原因 由上图有 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 即 电容器组h次谐波电流放大 2 即 系统对h次谐波电流放大 3 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 21 电力电容器过负荷原因 由图可得 并联电流分流作用 22 电力电容器过负荷原因 电容器组谐波放大及谐振条件由电容器组中电流公式可得到 若 在上式中必然有 即 得到 23 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 24 电力电容器过负荷原因 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 如果 则有 25 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 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 此时有可能使电容器过流 过压甚至于损坏电容器 26 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 27 电力电容器过负荷原因 令 将代入 得则谐波严重放大条件为 解两个不等式 得到同时满足两式的值为 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 28 电力电容器过负荷原因 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h次谐波电流都达到最大值 当 时 29 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h 3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KS KL 为避免h次谐波放大 则有 由表可知 为避免h 3次以上的谐波电流放大 仍应取KL 12 30 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 31 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 32 电容器过电流允许值 电容器的过电流受过热条件限制 检验其过热能力的试验是温升试验 该试验是在工频正弦波条件下进行的 GB3983 2 89对电容的温升试验规定的工频试验容量为1 58QN 该值是按照最大容量1 1CN 允许最大工频电压1 1UN和允许最大工频电流1 3IN的条件确定的 相应的工频试验电压约为1 26UN 1 26 1 26 1 58 试验持续时间48h 这时电容器过电流的基本约束条件 33 电容器过电流允许值 电容器的发热功率Pt由两部分组成 介质损耗功率Pj和导体电阻损耗功率Pr 电容器的基波介质损耗功率Pj1和导体电阻损耗功率Pr1和发热功率Pt1分别如下三式所示 b为电容器基波介质损耗与导体电阻损耗之比 它与电容器内部材料和结构有关 34 电容器过电流允许值 电容器的谐波介质损耗功率Pjh和导体电阻损耗功率Prh和发热功率Ph分别如下三式所示 35 电容器过电流允许值 电容器在h次谐波下的介质损耗角正切与工频基波的介质损耗角正切约相等 其h次谐波电阻Rh与基波电阻R1的比值为 为电阻谐波系数 0 a 1 集肤效应和邻近效应造成的 电容器内部导体电阻在强电磁场的作用下 其a值较大 a可取0 75或者1 电容器的h次谐波损失Pth在等值为工频时的损失为 36 电容器过电流允许值 相应地可以推导出h次谐波等值工频等温电流和等值工频的等温总电流 37 电容器过电流允许值 式中 dh为h次谐波电流等值基波发热系数 或简称谐波电流等温系数 全膜电容器的介质损失较小 其b值较小 内熔丝电容器和内电阻电容器的导体电阻损失较大 其b值也较小 b较小的电容器 其dh值较大 其谐波过电流能力较小 38 电容器过电流允许值 虽然用上面分析的热等效电流能够判断电容器的谐波过电流是否允许 但是其计算复杂 使用不方便 在许多场合需要直接简单判断电容器谐波电流是否超过规定 这需要结合电容器运行的实际情况才能作出判断 39 电容器过电流允许值 作为无功补偿用的并联电容器 在最大电流运行时 通常只有一个谐波次数的电流最大 可称作主谐波电流 其余谐波次数统称为杂散谐波 杂散谐波电流比主谐波电流小很多 其中最大的和次大的杂散谐波电流可分别称作第一和第二杂散谐波电流 在一般情况下 其值分别不大于主谐波电流的50 和25 40 电容器过电流允许值 高压并联电容器的主要谐波次数是3 5 7次 按照上述条件分析 设主