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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 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 = (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。 2 2 I C1 + I CN 1.3 31 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 GB3983.2-89 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 （1.261.26=1.58），试验持续时间48h。这时 电容器过电流的基本约束条件。 32 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。 I 12 Pj1 = U 12Ctg = tg = I 12 R1b C tg 2 b= Pt1 = Pj1 + Pr1 = I 1 R1 (b + 1) R1C Pr1 = I 12 R1 ? 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。 33 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。 2 2 Ih I h R1b 2 Pjh = U h hCtg h = tg = hC h 2 2 Prh = I h Rh = h I h R1 b Pth = Pjh + Prh = I R1 ( + h ) h 2 h 34 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 h ，为电 波电阻Rh与基波电阻R1的比值为 阻谐波系数，0a1（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 ： Pth b P = I R1 (b + 1) = Pth = I R1 ( + h ) h th 2 h 2 h 35 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 I h 和等值工频的等温总电流 I ： b h + h Ih = Ih ? = dh ? Ih b +1 b h + h dh = b +1 I = I +I 2 1 2 h 2 2 = I 12 + d h I h 2 2 = I1 1 + d h C h (Ch = I h I1 ) 36 1.3I N 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。 37 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。 38 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。 39 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