电气设备过负荷原因

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： 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 转子的转差率为（2－S），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，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” 。 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 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 2ωC 并联电容器的有功损耗为： P = Q ? tgδ = U 2ωC ? tgδ ? 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。 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。 一般限制为正常工作电流的6－8倍，频率 高，可以达到2.5—3kHz。 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 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 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 ? 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 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 β = (hX L ? X C h) hX S ， L = K L X C ， 2 X S = K S X C 代入，得 β = (h K L ? 1) 将 则谐波严重放大条件为： h2 KS I ch I h = 1 (1 + β ) ≥ 1 1 ?2≤ β ≤? 2 I sh I h = β (1 + β ) ≥ 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 β 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 β = ?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 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<要谐波次数是3、5、7 次，按照上述条件分析，设主谐波电流、 第一、和第二杂散谐波电流为I0、Iz1、Iz2。 并且设Iz1/I0=z1，Iz2/I0=z2，取，可以推导出 电容器主要谐波电流允许值的关系式： 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 N ? I 12 2 d 02 + d z21 z12 + d z22 z 2 40 I0 ≤ 电容器过电流允许值 工频电压（U/UN） 主谐波次数 3次谐波电流比z3 5次谐波电流比z5 7 7次谐波电流比z7 z 谐波次数 1 3 5 7 主谐波 总合成电流有效值 等值系数d 1.00 1.29 1.61 1.89 1.10 0.43 0.22 0.11 0.43 1.21 1.05 0.48 0.24 0.12 0.48 1.19 1.00 0.52 0.26 0.13 0.52 1.16 1.10 3 1 0.5 0.25 1.05 3 1 0.5 0.25 1.00 3 1 0.5 0.25 1.10 5 0.5 1 0.25 1.10 0.19 0.38 0.10 0.38 1.19 1.05 5 0.5 1 0.25 1.05 0.21 0.43 0.11 0.43 1.16 1.00 5 0.5 1 0.25 1.00 0.23 0.46 0.12 0.46 1.13 1.10 7 0.25 0.5 1 1.10 0.08 0.17 0.33 0.33 1.16 1.05 7 0.25 0.5 1 1.05 0.09 0.18 0.37 0.37 1.13 1.00 7 0.25 0.5 1 1.00 0.10 0.20 0.40 0.40 1.10 41 过电流允许值（I/IN） 电容器过电流允许值 ? 表中工频加谐波的总电流有效值I在1.1－ 1.21IN之间变化，在电压U=1.1UN时，3、5、 7次谐波允许电流分别不应超过0.43IN、 0.38IN和0.33IN。 ? 谐波次数较低的谐波过电流允许值较大一 些。降低工频电压可以提高主谐波过电流 的允许值，但是总电流的允许值需要相应 下降。 42

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