抑制柴油发电机组中性线的三次谐波环流方法
|
功能说明与康明斯知识 |
抑制柴油发电机组中性线的三次谐波环流方法 |
摘要：柴油发电机组中性线的三次谐波环流其产生根源是发电机本身产生的，在三相绕组星形连接并引出中性线条件下，当三相中的三次谐波电压同相位，在中性点叠加，从而在中性线-绕组回路中产生环流。它的危害非常显著且是多方面的，这不仅是电能质量问题，更是直接影响柴油发电机组安全、寿命和可靠运行的严重隐患。
一、三次谐波环流产生的原因与危害
要理解这个问题，首先要了解两个关键点，即三次谐波的特性和发电机的绕组结构。
1、三次谐波的来源
（1）发电机气隙磁场的非正弦性：在理想情况下，发电机转子（励磁系统）产生的磁场在气隙中是正弦分布的。但在现实中，由于磁路饱和、电极反应、齿槽效应等因素，实际产生的气隙磁场并非完美的正弦波，而是含有大量谐波的畸变波。
（2）谐波分解：根据傅里叶分析，任何非正弦波都可以分解为一个基波（50Hz）和一系列频率为基波整数倍的高次谐波（如3次150Hz，5次250Hz等）。
（3）三次谐波的特殊性：在对称三相系统中，三次谐波以及其奇数倍谐波（如3次、9次、15次等，也称为“零序分量”）有一个共同特点：它们在A、B、C三相中是同相位、同幅值的。
2、环流的形成路径
现代柴油发电机组通常采用“星形（Y）连接”并引出中性线（N）的绕组形式。
（1）星形连接的特点：在星形连接中，三相绕组的末端连接在一起，形成中性点。
（2）三次谐波电压叠加：由于A、B、C三相的三次谐波电压相位完全相同，当它们在中性点汇合时，不是相互抵消，而是直接叠加。
（3）环流路径：这个叠加起来的三次谐波电压（3倍于单相三次谐波电压）作用在中性线和发电机绕组构成的闭合回路上，就会驱动一个强大的三次谐波电流在中性线中流动。这个电流就是所谓的“三次谐波环流”。
二、多台并机三次谐波环流分析
在柴油发电机及供电系统中三相负载不平衡时对两种供电制的影响是在四线制中除引起三相电压不对称外，主要表现为中性线电流的增大；在三线制中表现为电压不对称程度的增大，所以中性点偏移将比前者大得多。
1、影响因素
在四线制中，当两台或多台机组并联运行时，中线就会产生三次谐波、环流，环流的大小与下列因素有关：
（1）三相负载的不平衡度；
（2）两机有功负载分配的不平衡度；
（3）两机无功负载分配即功率因数的差异程度。
2、产生过程
无论是单机或多机并联运行，由于三相功率不平衡，将使发电机中性点对负载中性点有位移。在四线制系统中就以中线电流即零序电流的形式反映出来。三相不平衡度越大，中线电流也就越大。中线电流的波形主要是基波，而且这个电流是流过发电机中性点与负载中性点的。
在三相四线制系统中，即使负载平衡，也会有零序电流分量，主要是三次及三的倍数次谐波。在三相制发电机系统里，线电压的向量和等于零，即不含零序分量。如果没有中线，线电流中也不含零序分量，因为这时零序阻抗无穷大。三次谐波以及三的倍数次谐波电势在三相绕组里是大小相等而相位相同。在三角形连接的发电机绕组里，它仍产生环流；在星形连接的发电机绕组里，当无中线时，它们相互抵消；当有中线时，它仍相互叠加，也就是说中线上的三次谐波电流为线电流零序分量的3倍。
单机运行时，零序分量电流要经过负载才能形成通路，它们所遇到的阻抗将很大，但在多机组并联运行时，它们可以在发电机之间环流，此时零序阻抗要小得多。尽管零序电势较基本顺序电势要小得多，也可能形成很大的零序电流。当两台机组并联运行，且负载分配均匀、功率因素相同、相角相差180°时，各机组的三次及三的倍数次谐波电势互相抵消或大部分抵消；但由于发电机制造工艺上的差异，使谐波分量幅值不同，或各发电机组所承担的有功功率不同，以及无功功率分配不均匀等，可能在并联运行机组的中线上形成很大的中线电流。以200kW发电机为例，正常情况下，一般中线电流约为10A，但某些发电站的中线电流可达30～50A，有的甚至高达80A，中线有可能因过热而烧毁。
当三相负载平衡、无功功率也基本相同、而两机有功功率分配不均匀时，因两机三次谐波相位不同，这时会出现的主要是三次谐波的中线电流。
当三相负载平衡、有功功率分配均匀、而无功功率分配不均匀即功率因数不相同时，中线上亦会出现三次谐波电流，此电流主要在各发电机之间环流。当发电站总容量很大时，机组并联运行，当改变一台发电机的励磁电流，例如增加时，则它的电势增加，因为它的原动机功率不变，所以它所承担的有功功率不变；但无功电流则增大，同时该机的功率角即电势与电力网电压之间的夹角将要减小。相反，如果减小励磁电流时，则该机的功率角加大。对于柴油发电站来说，电网容量与发电机容量相差不大，当改变发电机励磁电流时，电网电压将升高或降低。所以当发电机励磁电流增加较大时，该机过激，其他发电机可能欠激，即该机呈感性，其他发电机呈容性。
所以，当机组之间无功功率分配不均时，不仅因励磁电流增加，电势增加而引起三次谐波电势分量也增加大，而且因为功率角的变化，使各机组三次谐波电流的相位不同，因此各机组将出现很大的三次谐波电流。
综上所述，由发电机流向负载的中线电流主要由三相负载不平衡所引起，发电机之间的三次谐波环流主要由两机有功负载分配不均匀（即功率因数不同）所引起。
三、三次谐波环流的危害与处理
1、三次谐波环流的危害
这个环流如果不加以抑制，会带来一系列问题：
（1）发电机过热：额外的谐波电流会导致发电机绕组和中性点连接处产生额外的铜耗（I²R损耗），引起局部过热，加速绝缘老化，缩短发电机寿命。
（2）中性线过载：中性线上的三次谐波电流可能远大于相线电流（理论上最高可达到相线电流的1.73倍），导致中性线过热、烧毁，甚至引发火灾。
（3）输出电压波形畸变：环流会影响发电机的内部电势，导致其输出的相电压和线电压波形发生畸变，电能质量下降。
（4）干扰保护设备：谐波可能导致继电器、断路器等保护设备误动作或拒动作，影响供电系统的可靠性。
（4）降低带载能力：由于发热是限制发电机输出能力的主要因素，谐波环流造成的额外发热会迫使发电机降低额定功率运行。
2、抑制方法
有如前述，中性点上的三次谐波电流，徒然使发电机发热，降低其出力，因此应当加以限制。
由于工艺及经济上的原因，从电机结构上完全克服三次谐波电流是因难的，所以要从发电机的运行方式及系统上采取一些措施以克服三次谐波电流的影响。
（1）中性点引出线上装设刀开关。
在每台发电机的中性点引出线上装设刀开关，以切断三次谐波电流的回路。在运行中，可根据谐波电流的大小和分布情况，断开一些发电机的中线，使这些发电机运行于三相三线制；未断开中线的发电机则运行于三相四线制，承担系统中的单相220V的负荷。但系统中至少应保持一台发电机运行于三相四线制，如图1所示。
|
图1 中性点引出线上装设刀开关示意图 |
这种方法的缺点是：单相负荷集中于少数几台或一台发电机，增加了这些发电机的三相负荷不平衡度。当发电机母线或网络发生单相接地短路时，其短路容量减小，短路电流集中在这些发电机上。
（2）中性点引出线上装设电抗器。
在每台发电机中性点引出线上装设电抗器，如图2所示。
|
图2 中性点引出线上装设电抗器示意图 |
加装电抗器后，有效地限制了三次谐波电流。其缺点是加装电抗器后引起了负载中性点的偏移，加大了三相电压的不平衡度（图3），降低了单相短路保护的灵敏度。
|
图3 加电抗器后的中性点移矢量图 |
装电抗器后，引起负载中性点偏移，其值为
式中：
为各支路的导纳。
由上式可知，ZN越大，则 U00′越大，即加大了三相电压的不平衡度。所以在考虑采用装设中线电抗的方法时应两者兼顾，即既能使中线谐波电流限制在允许范围内，又能保证中线点电压偏移不太大。该类电抗器数据见表9-4和表9-5。
|
表1 XL中性电抗器
|
|
表2 XL中性电抗器外形尺寸（mm）（温升低于变压器60℃）
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
表中电抗器的额定电流按电机电流的25％考虑，并且当电抗器通过额定电流时，在其上所产生的电压降应小于10V。
（3）在激磁回路中加直流均压线。
由前述可知，由于无功负荷分配不均匀，将在各机组之间出现很大的三次谐波环流，在每台发电机的激磁回路中加直流均压线，能使无功负荷分配趋于均匀，即不至产生一机超前、一机滞后的现象，这样就抑制了出现三次谐波环流的重要因素。
总之，发电机中线电流除与发电机的结构、制造工艺有关外，也与系统接线方式和发电机运行方式有关。并联运行的发电机的有功和无功分配与原动机的调速特性及发电机的外特性有直接关系，机组特性直接影响负载分配的均衡度。所以并联运行的发电机组的特性不能相差太大。若机组特性相近，谐波电势差可能不大或平衡，中线上的谐波电流就比较小，此时可将所有发电机中性点直接与中线相联，对于400／230V的接零系统而言，即将所有发电机的中性点与零线相连并接地。
发电机运行时，若每相电流都不超过额定值，一般要求各相电流不平衡之差不大于额定电流的20％，两机负载分配不均匀度控制在10％以内。三相负载对称、并列运行的机组之间负载分配也均匀、且功率因素相同，一般运行较好，中线电流不会很大。
总结：
柴油发电机组的三次谐波环流绝不是一个可以忽视的“小问题”。 它是一个从内部（发电机绕组）到外部（中性线、负载），从短期（过热、跳闸）到长期（绝缘老化、寿命缩短） 都会产生严重影响的系统性危害。因此，通过理解和应用上述原理与方法，可以有效地对其进行管理和抑制，保障柴油发电机组的安全、稳定和长效运行。此外，应在采购柴油发电机组时，就应向制造商明确提出对电压波形畸变率（THD）和三次谐波含量的要求，确保其采用了有效的内部抑制措施（如三角形阻尼绕组）。
---------------
■ 质量量方针
以最低的成本及时向用户提供产品和服务，始终如一地满足或超出客户提出的标准和要求。
■ 获取资讯
了解更多柴油发电机组的产品动态和资讯，请关注康明斯官网，官方互联网发布渠道：https://www.sgfdj.com
- 上一篇：小型柴油发电机控制箱电气线路与配置
- 下一篇：多台柴油发电机组间的电抗同步并车原理
