電氣設(shè)備過負(fù)荷原因---精品資料

1、電氣設(shè)備過負(fù)荷原因 電動機和電容器 1 電動機過負(fù)荷原因 ? 電氣設(shè)備過負(fù)荷原因 （以電 動機、電力電 容器為例） 字面上講，過負(fù)荷就是設(shè)備承受的負(fù)荷 （功率）超過其額定值 的現(xiàn)象。 對于電氣設(shè)備，其特點之一就是過電流。 2 電動機過負(fù)荷原因 ? 電動機過負(fù)荷 原因一）電能質(zhì)量差 包括： A ）電壓偏移； B ）頻率偏離； C）非正弦電壓； D）不對 稱電壓 3 電動機過負(fù)荷原因 A ）電壓偏移 ? 電壓升高時，電動機的勵磁電流增加很多， 定 子的銅損、定子和轉(zhuǎn)子的鐵損也要增大， 結(jié)果是使電動機過熱。 ? 電壓降低時，電動機處 于欠壓運行狀態(tài)， 電動機的帶負(fù)載能力下降， 定子電流和轉(zhuǎn) 子電流都

2、會增加，使繞組中的 銅損增加， 溫度上升。嚴(yán)重時會發(fā)生堵轉(zhuǎn)。 4 電動機過負(fù)荷原因 B）頻率偏離 ? 頻率增 加時，定子電流、轉(zhuǎn)子電流都增加，導(dǎo) 致繞組銅損增加，電機溫度上升。 ? 頻率減小時， 如果電壓不變，有可能使磁路飽 和，勵磁電流增加，溫度升高。C）非正弦電壓 ? 非正弦電壓作用下產(chǎn)生的非正弦電流一方面電 動機運轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，損耗加大；另外一方面，諧波 電流產(chǎn)生的鐵損遠(yuǎn)大于正弦基波，從而使溫 度上升。 5 電動機過負(fù)荷原因 D）不對稱電 壓 ? 不對稱電壓會造成電動機各相電流的不平 衡，從機電手冊知道，線電壓的不平衡度 為 4時，所引起的不平衡線電流高達(dá) 25 30。 ? 電流不平衡就必然

3、有負(fù)序電流，但是 幅值相同的定子正序電流和定子負(fù)序電流在電 動機中產(chǎn)生的熱量并不相同。 6 電動機過 負(fù)荷原因 ? 三相定子電流 I和 I產(chǎn)生氣隙旋轉(zhuǎn)磁場。 對于定子繞組而言，為正、反同 步轉(zhuǎn)速， 設(shè)定子繞組正序電阻為 R，定子繞組負(fù)序 電阻為 R，且 RR（因為都 是對應(yīng)與 50Hz 的交流電阻） ，則在正序電流 I和負(fù)序電流 I的共同作用下，定子銅損 為： 2 2 ?Ps = 3（ I + + I ? ） ? R+ 7 電動機過負(fù)荷原因 ? 但是通過三相定子電流 I和 I產(chǎn) 生的正反 旋轉(zhuǎn)磁場，前者相對與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速近似為零。 即轉(zhuǎn)子感生電流的頻率很低， 相對應(yīng) 轉(zhuǎn)子 ' R+ 電阻表

4、現(xiàn)為 （已折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子繞 組對正序旋轉(zhuǎn)磁場電阻） ，而后者相對 于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差率為（ 2S），所以電動機在 額定轉(zhuǎn)速時 2 ? S ，即轉(zhuǎn)子感生電流的 2 頻 率近似為 100Hz，這時轉(zhuǎn)子電阻表現(xiàn)為其 ' R? 100Hz 下的交流電阻 （已折合到定子側(cè) 的 轉(zhuǎn)子繞組對負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場電阻） 。 8 電動機過負(fù)荷原因 ? 對于籠型異步電機，轉(zhuǎn)子對負(fù)序 電流和正 序電流所表現(xiàn)出的電阻之比為： ' R? K R = ' = 1.25 ? 6 R+ ? 因此在 I和 I的共 同作用下，轉(zhuǎn)子銅損為 （不計勵磁之路） 2 ' 2 ' ?PR = 3I + R+

5、+ 3I ? R? 2 2 ' = 3（ I + + K R ? I ? ） R+ 9 電動機過負(fù)荷原因 ? 從上述分析可以看到，由于轉(zhuǎn)子銅損與電 阻成正比，故數(shù) 值相同的負(fù)序電流產(chǎn)生的 銅損等于正序電流銅損的 K R 倍。 ? 因此，建立電動機過負(fù)荷 保護(hù)模型時必須 對負(fù)序電流予以足夠的重視。 （有針對負(fù) 序電流的電動機的負(fù)序保護(hù)） 10 電動機過負(fù)荷原因 ? 為了簡單地反映 I和 I不同的發(fā)熱效應(yīng)，英國 GEC 公司提出了一 個粗略反映上述發(fā)熱效應(yīng)的 I eq 等“效電流” ，即： 2 2 2 I eq = K1 ? I + + K 2 ? I ? ? 式中， K1 0.5，防止正

6、常啟動過程中保護(hù)誤動；? K1 1，在整定的啟動時間過后，正序電流的熱效應(yīng)不再故意減?。?? K236，模擬負(fù)序電流的增強發(fā)熱效應(yīng)，一般為保險起見，可取為 6。? 反時限模型中的設(shè)備電流應(yīng)該取 “等效電流” 。I eq 11 電動機過負(fù)荷原因 二） 斷相運行（嚴(yán)重的不對稱電壓） ? 斷相平衡運行時，電動機三相電源處于嚴(yán) 重不平衡狀態(tài)， 產(chǎn)生的不平衡三相電流使 得電機發(fā)熱嚴(yán)重。 ? 另外一方面，斷相運行時，電動機的負(fù)荷 能 力下降，這就可能使電動機發(fā)生堵轉(zhuǎn)的 現(xiàn)象，使定子電流急劇增加。 12 電動機過負(fù)荷原 因 ? 斷相時，電動機帶負(fù)荷能力下降的程度與 電動機繞組接線方式有關(guān)。 ? 對于 Y 接

7、線， 其斷相時，只有兩個繞組通電；? 對于 ?接線，斷相時，仍有三個繞組通電。? 因此， Y接線電動機斷相時帶負(fù)荷能力下降 較多，對于 4kW 以上的電動機，一般多采 用?接線。 13 電動機過負(fù)荷原因 三）繁重的工作制 ? 電動機頻繁起動、制動、反轉(zhuǎn)、長時間低速運 行 （過負(fù)荷） 都是發(fā)熱嚴(yán)重的工作狀態(tài)。 四）不穩(wěn)定、易變化的負(fù)荷 ? 沖擊性負(fù)荷會引 起電動機電流的變化， 轉(zhuǎn)速不穩(wěn)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到機械應(yīng)力， 最終損壞。五）機械故障 ? 如 軸承磨損，嚴(yán)重時會使轉(zhuǎn)子和定子相碰， 形成附加的阻力矩，導(dǎo)致電流增加，溫度上升。 14電力電容器過負(fù)荷原因 并聯(lián)電力電容器是電網(wǎng)無功補償?shù)闹匾O(shè)備， 應(yīng) 用

8、十分廣泛， 數(shù)量 眾多。 一）過電壓引起的過負(fù)荷 并聯(lián)電容器的無功功率為：Q = UI = U 2 C并 聯(lián)電容器的有功損耗為： P = Q ? tg = U 2 C ? tg 電容 ?器 的有功損耗也是與電壓平方成正比，電 壓 上升造成電容器損耗增加，溫度上升， 嚴(yán)重時導(dǎo) 致?lián)舸?。另外?絕緣介質(zhì)長期在高溫下 老化，會 影響其使用壽命。 ? 過電壓也會反映到電流上。 15 電力電容器過負(fù)荷原因 ? 電 壓升高的原因： （ 1）電容器連接處電網(wǎng)母線電壓過高。（2）電容器采用 Y 接法時，若電容器組中個 別電容器損壞退出運行，可能會因不平衡 使某一相上出現(xiàn)較大的過電壓。 （3）電容無功補償裝置中

9、，為了抑制合閘涌流和高次諧波的影響，通常串接電抗器， 但串接電抗器后，電容器上電壓會高于母 線電壓，從而引起電容器電壓升高。 16 電力電容 器過負(fù)荷原因 二）過電流引起過負(fù)荷 1）電容器在合閘投入電網(wǎng)時產(chǎn)生的合閘涌流。 一般 限制為正常工作電流的 68 倍，頻率 高，可以達(dá)到 2.5 3kHz 。 17 電力電容器過負(fù)荷原 因 2 ）電壓波形畸變引起電容器過電流。? 電網(wǎng)中由于大功率可控硅整流器等非線性設(shè)備投 運及變壓器鐵芯的磁飽和等都會使電壓波形發(fā)生 畸變。 ? 由于容抗與頻率的增加，諧 波次數(shù)越高， 對該次 諧波表現(xiàn)出來的容抗越小， 諧波電流就越大。 當(dāng) 電容與電源及線路阻 抗、串接電抗

10、器阻抗形成諧 振時， 可能出現(xiàn)對某次諧波電流的放大現(xiàn)象。 使 得流過電容器 的電流大大超過額定電流。 18 電力電容器過負(fù)荷原因 電容器的電流 放大現(xiàn)象 & I sh XC h hX S hX L & I ch 如圖所示為 h 次諧波電流分布圖。 圖中電容器同一母線上有一諧 波電 流源，即 h次諧波恒流源 ， & Ih 流入系統(tǒng)和電容器的 h次諧波電 & & I sh I ch 流分別 為 、 。對中低壓系 統(tǒng)的 h 次諧波阻抗，有 ， & Ih Z sh X sh即 忽略電阻，由純電抗組 成， 電容器組則一般串有電抗 XC = KL 器 ， X

11、 L X L ，配電系統(tǒng)中 K L = 3% ? 12% 的 電容器 。 19 電力電容器過負(fù)荷原因 由上圖有 I&h = I&sh + I&ch ，由于電容器組和系統(tǒng) 參數(shù)的共同 作用，在某次諧波電流下會出現(xiàn)：1）I ch > I h ，即 I ch I h > 1 ，電容器組 h次諧波電流放大； 2）I sh > I h，即 I sh I h > 1，系統(tǒng)對 h次諧波電流放大； 3）I ch > I h， I sh > I h ，稱為 h 次諧波電流嚴(yán)重放大。 并聯(lián)無功補償電容器對諧波電流的放大是電力系 統(tǒng)中帶 有普遍性的問題。據(jù)

12、統(tǒng)計，因諧波而損壞的電氣設(shè)備中， 電容器占 40。一旦電 容器對某次諧波出現(xiàn)放大作用， 不僅使電容器產(chǎn)生過流、過壓，也危及系統(tǒng)安全。 20 電 力電容器過負(fù)荷原因 由圖可得：（并聯(lián)電流分流作用） & 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電力電容器過負(fù)荷原因 電容器組諧波放大及諧振條件 由電容器組中電流公式可得到：I ch 1 = I h 1 + （h 2 K L ? 1） X C hX SI ch I h > 1

13、，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 電力電容器過負(fù)荷原因 此時電容器組對 h 次諧波電流放大，下表列 出了取 不同的值時， 可能產(chǎn)生諧波電流放 大的諧波次數(shù)及頻率。 KL h（次） f（Hz） 0 無窮 無 窮 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 電力電容 器過負(fù)荷原因 ? 可見，電容器組串 3的電抗器時， 5.77 次 以下諧波會產(chǎn)生放大。欲使 3 次及以上

14、次數(shù) 的諧波電流不產(chǎn)生放大，必須使 K L 12% 。 ? 如果 h = 1 K L ，則有 h = X C X L 。 24 電力電容器過負(fù)荷原因 ? 即電容器組的電容與電感產(chǎn)生 h次諧波電流串聯(lián) 諧 振，此時若母線上存在較小的 h 次諧波電壓 Uk，也 會在電容器組產(chǎn)生很大的 h 次諧波 電流。若電容器 組的串聯(lián)等值電阻為 RC0，則電容器組的 h 次諧波 電流為 I h = U h RC 0 。 ? 對于并聯(lián)補償電容器組來說， 產(chǎn)生h次諧波串聯(lián)諧 振，相當(dāng)于成為 h次單調(diào)諧濾波 器，而并聯(lián)用的電 容器承受諧波的能力是很差的， 此時有可能使電 容器過流、 過壓甚至于 損壞電容器。 25 電

15、力電容器過負(fù)荷原因 對 h次諧波嚴(yán)重放大的條件 對 h次諧波嚴(yán)重放大， 是指電容器和系統(tǒng)對 h 次諧波電流均放大。 ? 用系統(tǒng)的短路容量可以近似估算出系統(tǒng)的 諧波阻抗。若系統(tǒng)和電容器的額定電壓分 別為 USN 和 UCN ，電容器的額定容量為 QCN， 則系統(tǒng)電抗與電容器容抗之比 2 X S U SN QCN QCN KS = = × 2 = XC S K U SN SK 26 電力電容器過負(fù)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) 將則諧波嚴(yán)重放大條件為： h2

16、 KS I ch I h = 1 (1 + ) 1 1 ?2 ? 2 I sh I h = (1 + ) 1 1 ? 2 (h K L ? 1解) 兩h K個 S不 等式，得到 ?同 2時 2滿 2 足兩式的 值為 1 ( K L + 2 K S ) h 2 (2 K L當(dāng) +諧 K波 S次 ) 數(shù)滿足上式時， 電容器組和系統(tǒng)對 h次諧波電流都產(chǎn)生放大。 27 電力電容器過負(fù)荷原因 當(dāng) = ?1 時，(h 2 K L ? 1) h 2 K S = ?1 h = 1 (K L + K S ) = X C ( X L + X C ) ?此時電容器組系統(tǒng)的電抗發(fā)生并聯(lián)諧振， 電容器組和系統(tǒng)的 h 次

17、諧波電流都達(dá)到最大 值。 28 電力電容器過負(fù)荷原因 ? 當(dāng)電容器組附近 存在 3 次及以上的諧波電流 源時，為避免電容器組與系統(tǒng)對諧波電流 放大，按照上述分析 應(yīng)該增加 KL ，使之在 h3以上時，都不產(chǎn)生諧波電流放大。當(dāng)系統(tǒng)的短路容量較大，而電容器的容量較小 時，有 KS<<KL ，為避免 h次諧波放大，則 有h 2 (2 K L + K S ) 1 KL 。由表可知，為避免 h3次以上的諧波電流放大，仍應(yīng)取 KL 12 。 29 電力電容器 過負(fù)荷原因 ? 系統(tǒng)的參數(shù)會隨著系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和負(fù)荷狀況而 變化，因此在由并聯(lián)無功補償電容 器的系統(tǒng)中要時刻注意避免諧波放大現(xiàn)象的發(fā)生。 30

18、 電容器過電流允許值 ? 電容器運行 中關(guān)于過電流的規(guī)定：電容器 在額定頻率和額定正弦波電壓下，其有效 值電流不大于 1.3 倍額定電流。很多人將其 理解為：總的電流有效值不大于 1.3 倍額定值。 2 2 I C1 + I CN < 1.3 31 電容器過電流允許值 ? 電容器的過電流受過熱條件限制， 檢驗其過熱能 力的試驗 是溫升試驗，該試驗是在工頻正弦波條 件下進(jìn)行的。 ? GB3983.2-89 對電容的溫升試驗規(guī) 定的工頻試驗 GB3983.2-89 容量為 1.58QN ，該值是按照最大容量 1.1CN、允許最大工頻 電壓 1.1UN 和允許最大工頻電流 1.3IN 的條件確

19、定的，相應(yīng)的工頻試驗電壓約為 1.26UN (1.26 ×1.26=1.58 )，試驗持續(xù)時間 48h。這時電容器過電流的基本約束條件。 32 電容器 過電流允許值 ? 電容器的發(fā)熱功率 Pt 由兩部分組成，介質(zhì)損耗功 率 Pj 和導(dǎo)體電阻損耗功 率 Pr。 ? 電容器的基波介質(zhì)損耗功率 Pj1 和導(dǎo)體電阻損耗功 率 Pr1和發(fā)熱功率 Pt1 分別如 下三式所示。 I 12 Pj1 = U 12 Ctg = tg = I 12 R1b C tg 2 b= Pt1 = Pj1 + Pr1 = I 1 R1 (b + 1) R1C Pr1 = I 12 R1 ? b 為電容器基波介質(zhì)損耗

20、與導(dǎo)體電阻損耗之比，它與電容器內(nèi)部材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)。 33 電容器過電流允許值 ? 電容器的諧波介質(zhì)損耗功率 Pjh 和導(dǎo)體電阻損耗 功率 Prh 和發(fā)熱功率 Ph分別如下三式所示。 2 2 Ih I h R1b 2 Pjh = U h hCtg h = tg = h Ch 2 2 Prh = I h Rh = h I h R1 b Pth = Pjh + Prh = I R1 ( + h電容器過電流允 ) 許h 2值 h 34 ?電容器在 h 次諧波下的介質(zhì)損耗角正切與工 頻基波的介質(zhì)損耗角正切約相等，其h次諧 h ，為電波電阻 Rh 與基波電阻 R1的比值為 阻諧波系數(shù)， 0<a<

21、;1(集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng) 造 成的)。電容器內(nèi)部導(dǎo)體電阻在強電磁 場的作用下，其 a值較大，a可取 0.75 或者 1。 ? 電 容器的 h 次諧波損失 Pth 在等值為工頻時的 損失為：' Pth b P = I R1 (b + 1) = Pth = I R1 ( + h ) h ' th '2 h 2 h 35電 容器過電流允許值 ? 相應(yīng)地可以推導(dǎo)出 h 次諧波等值工頻等溫電 ' ' 流 I h 和等值工頻的等溫總電流 I ：b h + h ' Ih = Ih? = dh ? Ih b +1 b h + h dh = b +1 I = I

22、+I ' 2 1 '2 h 2 2 = I 12 + d h I h 2 2 = I1 1 + d h C h (Ch 電= I容 h器 I1過 ) 電36 1.3I N流允許值 ? 式中，dh為 h次諧波電流等值基波發(fā)熱系數(shù)， 或簡稱諧波電流等溫系數(shù)。 ? 全 膜電容器的介質(zhì)損失較小， 其 b 值較小。內(nèi)熔絲電容器和內(nèi)電阻電容器的導(dǎo)體電阻 損失較 大，其 b值也較小。 b較小的電容器， 其 dh 值較大，其諧波過電流能力較小。 37 電容器 過電流允許值 ? 雖然用上面分析的熱等效電流能夠判斷電 容器的諧波過電流是否允許， 但 是其計算 復(fù)雜，使用不方便。 ? 在許多場合需要

23、直接簡單判斷電容器諧波 電流是否超過 規(guī)定，這需要結(jié)合電容器運 行的實際情況才能作出判斷。 38 電容器過電流允許值 ? 作為 無功補償用的并聯(lián)電容器， 在最大電 流運行時，通常只有一個諧波次數(shù)的電流 最大，可稱 作主諧波電流，其余諧波次數(shù) 統(tǒng)稱為雜散諧波。雜散諧波電流比主諧波 電流小很多，其中 最大的和次大的雜散諧 波電流可分別稱作第一和第二雜散諧波電 流，在一般情況下，其值 分別不大于主諧 波電流的 50和 25。 39 電容器過電流允許值 ? 高壓并聯(lián)電容器的主I 12要諧波次數(shù)是 3、5、7 次，按照上述條件分析，設(shè)主諧波電流、 第一、和第二雜散諧波電 流為 I0、Iz1、Iz2。并且設(shè) Iz1/I0=z1 ， Iz2/I0=z2 ，取，可以推導(dǎo)出 電容器主要諧波電流允 許值的關(guān)系式： 2 2 I 12 + d 02 I 02 + d z21 z12 I 02 + d z22 z 2 I 02 1.69 I N 2 1.69 I N2 d