浅谈康明斯柴油发电机组三相电压不平衡的原因

美奥动力为您介绍康明斯柴油发电机组三相电压不平衡的原因。

三相电压不平衡是指在三相交流电系统中，三相电压的幅值或相位差异不同，导致负载在不同相之间得到的电压不一致。这种情况可能会导致电气设备工作不稳定，甚至损坏，因此需要及时排查和解决。

以下是导致康明斯柴油发电机组三相电压不平衡的一些常见原因：

1. 不均衡负载：当负载在三相之间分布不均，或者负载功率在不同相之间不同，会导致电流分布不均，进而导致电压不平衡。

2. 供电侧不平衡：如果外部电网的供电不平衡，比如在三相电源输入端电压幅值或相位差不同，将会影响发电机组输出电压的平衡。

3. 发电机内部问题：发电机内部元件损坏、绕组接触不良、定子和转子的不均衡等问题，都可能导致输出电压不平衡。

4. 发动机不平衡：柴油发电机组的发动机是发电机输出电压的动力来源，如果发动机内部存在不平衡现象，会直接影响到输出电压的稳定性。

5. 电压调节系统故障：柴油发电机组配备了电压调节器来维持输出电压稳定，若电压调节系统发生故障，可能会导致电压不平衡。

6. 电缆和连接问题：电缆损坏、接触不良或连接松动等都可能造成电流在三相之间不平衡，进而导致电压不平衡。

为了解决康明斯柴油发电机组三相电压不平衡的问题，需要进行以下步骤：

1. 定期检查和维护发电机组，确保内部元件的完好和电气连接良好。

2. 对发电机组进行负载均衡，尽量保证负载在三相之间分布均匀。

3. 检查外部电源供电是否平衡，如有问题应及时联系电力公司进行调整。

4. 检查电压调节系统是否正常工作，如有故障及时进行修复或更换。

5. 检查电缆和连接是否牢固可靠，必要时更换损坏的电缆或重新连接接触不良的部分。

通过以上步骤，可以有效地解决康明斯柴油发电机组三相电压不平衡的问题，确保发电机组稳定输出符合要求的电压。

 

康明斯公司在本文中分析了的原因及解决措施，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X_d与交轴同步电抗X_q同期性地变动，或同步发电机在异步运行时，其电抗将在X_d~X_q之间同期性地变动，如果与电机外电路的容抗X_c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X_aq与发电机直轴电抗X_ad参数周期性变化，当与外电路的容抗X_c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。

 

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U_ab=U_bc-=U_ca=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U_a、U_b、U_c为三相对称电势，C₀为相对地电容，L_a、L_b、L_c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。

 

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）。

 

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U_A、U_B、U_C时，设流过三相PT一次绕组Y₀接线的励磁电流为I_AM、I_BM，I_CM，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I_1M相同，设I_1AM=I_1M∠0°，I_1BM=I_1M∠-120°，I_1CM=I_1M∠120°。则流过中性点基波电流为I_1M=I_1AM=I_1BM=I_1CM=0（图6a）。而励磁电流中的3次谐波角差为零度，即I_3AM=I_3M∠3×0°=I_3M∠0°，I_3BM=I_3M∠-3×120°=I_3M∠-360°=I_3M∠0°，I_3CM=I_3M∠3×120°=I_3M∠360°=I_3M∠0°，即流过中性点的电流l₀。即是3次谐波电流l₀=l₃₀=I_3M∠0°+I_3M∠0°I_3M∠0°=3I_3M∠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，I_1AM=I_1BM=I_1CM≠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。

 

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。

 

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。