廠用電高周影響及其應(yīng)對(duì)措施分析

陳丹平，魯貽龍，曾誠(chéng)實(shí)

(1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002;2.荊門供電公司，湖北 荊門 448002)

1 引言

頻率是電能質(zhì)量和電力系統(tǒng)安全的重要指標(biāo)之一，我國(guó)電力系統(tǒng)的額定頻率(fN)為50Hz，其偏差范圍為±(0.2～0.5)Hz。甩負(fù)荷引起了電網(wǎng)頻率超過(guò)了允許的范圍，即產(chǎn)生了高周。引起電網(wǎng)高周現(xiàn)象的原因主要有以下幾種情況:

(1)電網(wǎng)發(fā)生故障，保護(hù)快速切除;

(2)電網(wǎng)發(fā)生震蕩時(shí)送電端或送電的邊遠(yuǎn)電廠頻率升高;

(3)電網(wǎng)中大量甩負(fù)荷;

(4)聯(lián)絡(luò)線路發(fā)生故障并切除后。

高周現(xiàn)象的出現(xiàn)會(huì)嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)組和電網(wǎng)安全的運(yùn)行，同時(shí)也給整個(gè)電力系統(tǒng)的優(yōu)質(zhì)運(yùn)行帶來(lái)不利影響，因此在發(fā)電機(jī)側(cè)以及機(jī)組較多的地方一般裝設(shè)有高周切機(jī)保護(hù)。

2 甩負(fù)荷引起高周的機(jī)理分析

高周產(chǎn)生的理論過(guò)程如下:

其中，TJ為慣性時(shí)間常數(shù)，Tm為原動(dòng)機(jī)加于電機(jī)軸的機(jī)械力矩，Te為阻力力矩。

穩(wěn)態(tài)時(shí)，Tm-Te=0，ω≠const，轉(zhuǎn)子加速力矩為零，恒速運(yùn)行。

電機(jī)由于各種原因?qū)е碌呢?fù)荷減少之后，相應(yīng)的Te減少，這時(shí)Tm-Te＞0，ω≠const，轉(zhuǎn)子獲得一個(gè)加速的力矩，因此電機(jī)轉(zhuǎn)子要加速運(yùn)行，而又轉(zhuǎn)速增大必然會(huì)導(dǎo)致頻率升高。

機(jī)組轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)微分方程為:

3 高周對(duì)電機(jī)等負(fù)載影響分析

甩負(fù)荷引起了高周，研究高周對(duì)電機(jī)等負(fù)載的影響即研究頻率升高對(duì)電機(jī)等負(fù)載的影響，以下從轉(zhuǎn)速、磁通、力矩、發(fā)熱、出力、定子電流等方面就高周對(duì)電機(jī)等負(fù)載的影響作出分析。

3.1 轉(zhuǎn)速升高的影響

甩負(fù)荷瞬間，電機(jī)頻率升高，電機(jī)的調(diào)速器和制動(dòng)設(shè)備有惰性，甩負(fù)荷后不能立即收到調(diào)速效果，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速增加。如果阻力矩很小，比如說(shuō)是空載，隨著轉(zhuǎn)速的升高，電機(jī)轉(zhuǎn)子與軸承的磨擦阻力增加，尤其是與空氣的磨擦阻力將劇烈的增加，直到電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與阻力矩相平衡，但此時(shí)的轉(zhuǎn)速，其離心力可能已經(jīng)達(dá)到破壞電機(jī)轉(zhuǎn)子使整流子飛出，使槽內(nèi)的轉(zhuǎn)子繞組飛出，即飛車事故。

3.2 對(duì)磁通的影響

電壓不變時(shí)，E=4.44Nfφm

其中，E為電機(jī)線圈電動(dòng)勢(shì)，N為線圈匝數(shù)，f為電網(wǎng)頻率，φm為磁通。磁通與頻率成反比例變化。頻率降低時(shí)，磁通增加;頻升高時(shí)，磁通減小。另外，電磁轉(zhuǎn)矩Tem=CmΦmI2cosφ2，對(duì)于制成的電機(jī)Cm是常數(shù)，I2cosφ2是轉(zhuǎn)子電流的有功分量。磁通減少，電磁轉(zhuǎn)矩將會(huì)減小，從而影響所帶負(fù)載的運(yùn)行能力。

3.3 對(duì)發(fā)熱的影響

電動(dòng)機(jī)內(nèi)溫度的升降與熱源和散熱情況有關(guān)，熱源是導(dǎo)線和鐵芯，其熱量的大小與電流和磁通有關(guān)，進(jìn)而與損耗有關(guān)。

頻率的變化影響電機(jī)的損耗，而鐵芯損耗包括磁滯損耗和渦流損耗，磁滯損耗:

式中，kh為不同材料的計(jì)算系數(shù)，α為由實(shí)驗(yàn)確定的指數(shù)。

渦流損耗:

式中，ρ、d分別為硅鋼片的電阻率和厚度。

由上兩式可知，磁滯損耗和渦流損耗均與頻率成正比例的變化，當(dāng)頻率升高，磁滯損耗和渦流損耗增加，即鐵芯損耗增加，電機(jī)運(yùn)行時(shí)，電機(jī)中的損耗轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?，使電機(jī)各部分的溫度升高，將高于周圍介質(zhì)的溫度，如果超過(guò)允許的溫升，電機(jī)將過(guò)熱，加速電機(jī)老化，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致電機(jī)燒毀。

3.4 對(duì)出力的影響

如果電動(dòng)機(jī)所帶的機(jī)械阻力力矩與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，則電動(dòng)機(jī)的出力與頻率成正比例變化。如果電動(dòng)機(jī)所帶的機(jī)械其阻力力矩與轉(zhuǎn)速有關(guān)，則電動(dòng)機(jī)的出力隨頻率變化而變化較為厲害。例如，給水泵的電動(dòng)機(jī)，其出力的變化與頻率變化的七次方成比例。

另外，電機(jī)的冷卻空氣溫度對(duì)出力也有影響，當(dāng)冷卻空氣溫度高于額定溫度時(shí)，電動(dòng)機(jī)的出力就會(huì)降低，反之則會(huì)升高。

3.5 對(duì)定子電流的影響

定子電流內(nèi)，負(fù)載電流分量的變化差不多與頻率成正比例，而空載電流分量的變化與頻率成反比例。所以，頻率升高，負(fù)載電流分量增大，空載電流分量減小，通常前者占優(yōu)勢(shì)。所以頻率升高時(shí)，定子電流通常是增大的。電機(jī)電流增大，將會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的相關(guān)保護(hù)動(dòng)作，切掉電機(jī)，從而影響所帶負(fù)荷的運(yùn)行。

另外，甩負(fù)荷后對(duì)機(jī)組形成了一次較大的熱沖擊，甩負(fù)荷后會(huì)使原來(lái)運(yùn)行相對(duì)平穩(wěn)的機(jī)組受到一次不平衡的沖擊，誘發(fā)機(jī)組振動(dòng)突變。

4 案例分析

圖1為試驗(yàn)用電氣一次接線圖，10kV母線分別由直接發(fā)電機(jī)經(jīng)廠高變對(duì)其進(jìn)行充電;400V母線均并列運(yùn)行，為廠用電負(fù)荷提供自用電，400V母線之間采用T接方式以保證兩路廠用電的可靠。

圖1 試驗(yàn)用電氣一次主接線圖

實(shí)驗(yàn)方法如下:

10kV 1M僅由3F機(jī)組供電，其他機(jī)組在停機(jī)狀態(tài)，3F與6F機(jī)組自用電T接方式并聯(lián)運(yùn)行;機(jī)組自用電所帶負(fù)荷均為純水泵和壓油泵(編號(hào)分別為1#、2#)。

合上10kV1M母線G1C03和G1105開(kāi)關(guān)，斷開(kāi)其他10kV母線兩側(cè)開(kāi)關(guān);合上開(kāi)關(guān)031T06、06 1T03以完成6F機(jī)組自用電負(fù)荷轉(zhuǎn)移至3F機(jī)組自用電，3F機(jī)組自用電出力增加至額定負(fù)載(700MW);

當(dāng)純水泵壓力上升至17Bar時(shí)，手動(dòng)停泵，開(kāi)始進(jìn)行3F的甩負(fù)荷:斷開(kāi)與3F自用電相連的T連接，甩掉6F的機(jī)組自用電。

整個(gè)試驗(yàn)中，對(duì)400V母線電壓、電流，重要饋線電流，純水壓力、流量等狀態(tài)量進(jìn)行測(cè)量，并用故障錄波裝置記錄這些狀態(tài)量在甩負(fù)荷前后的變化波形。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果如下:

6F 2#泵保險(xiǎn)燒壞后切泵，3F 2#泵熱偶動(dòng)作后切泵。

圖1～圖3故障錄波器所采集波形，途中曲線由圖上部至圖下部分別為400V母線三相電壓，3F 1#純水泵三相電流以及頻率的變化情況。其中圖2表示由正常狀態(tài)過(guò)度到甩負(fù)荷狀態(tài)的波形，圖3為甩負(fù)荷過(guò)渡到正常狀態(tài)波形。

圖2 正常狀態(tài)過(guò)度到甩負(fù)荷狀態(tài)的波形

由圖1可以得，機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)頻率為50.03Hz，電壓電流均為工頻下的正弦量，突然甩負(fù)荷，頻率升高到最高時(shí)的71.215Hz，并且這一過(guò)程持續(xù)了3s左右，電壓、電流正弦波形變化的周期變短。

母線電壓在甩負(fù)荷后有段時(shí)間的降低，水泵電流由甩負(fù)荷前的一個(gè)較小的值增大到較大的值。

圖2中，母線電壓恢復(fù)到甩負(fù)荷前的值，水泵電流降為了零，系統(tǒng)頻率也恢復(fù)到了甩負(fù)荷前的值。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)可以看出，甩負(fù)荷引起高周，導(dǎo)致了電流、電壓等一系列相關(guān)量得變化，這與上面的理論分析相符。

圖3 甩負(fù)荷過(guò)渡到正常狀態(tài)波形

電機(jī)甩負(fù)荷，引起頻率高出正常水平，勢(shì)必會(huì)引起電機(jī)調(diào)速、勵(lì)磁調(diào)節(jié)、保護(hù)等裝置的動(dòng)作。同時(shí)由于電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和系統(tǒng)勵(lì)磁的調(diào)節(jié)，電壓慢慢恢復(fù)到正常水平，頻率也恢復(fù)到正常的范圍內(nèi)。

由于調(diào)速系統(tǒng)和勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)動(dòng)作需要一定的反應(yīng)時(shí)間，在這一時(shí)間內(nèi)，電機(jī)發(fā)熱溫度迅速上升，6F2#泵保險(xiǎn)燒毀，再加上定子電流的增大，達(dá)到了熱偶保護(hù)動(dòng)作的條件，熱偶保護(hù)動(dòng)作切掉3F2#泵。

圖4

5 高周的應(yīng)對(duì)措施

綜合以上理論和實(shí)驗(yàn)分析可知，發(fā)電機(jī)甩負(fù)荷，電機(jī)轉(zhuǎn)速上升，頻率升高，引起高周，導(dǎo)致電機(jī)定子電流過(guò)大，電機(jī)發(fā)熱等，高周對(duì)故障電機(jī)和非故障電機(jī)將都會(huì)有影響，為了消除或減小高周對(duì)廠用電電機(jī)類負(fù)荷的影響，本文給出以下應(yīng)對(duì)措施:

對(duì)于故障電機(jī):

(1)故障電機(jī)在高周持續(xù)時(shí)間(3s左右，)內(nèi)啟用備泵，由于啟動(dòng)過(guò)快，這時(shí)大的定子電流及由于高周所引起的電機(jī)過(guò)熱會(huì)導(dǎo)致電機(jī)相關(guān)保護(hù)動(dòng)作再次切泵的危險(xiǎn)，對(duì)于這種情況，為了保護(hù)主設(shè)備及廠用電重要負(fù)荷的運(yùn)行，同時(shí)在保證電機(jī)安全的情況下，可以將電機(jī)保護(hù)的整定值取得相對(duì)較高，以躲過(guò)高周的影響;

(2)故障電機(jī)備泵啟動(dòng)較慢在高周持續(xù)時(shí)間外啟動(dòng)成功，電機(jī)所帶負(fù)荷仍然正常運(yùn)行。

對(duì)于非故障電機(jī)

(1)由于高周引起大的定子電流在高周持續(xù)時(shí)間內(nèi)，導(dǎo)致非故障電機(jī)切機(jī)，同樣為了保護(hù)重要設(shè)備的安全運(yùn)行，可將電機(jī)整定值取相對(duì)較高點(diǎn)，以躲過(guò)高周對(duì)重要負(fù)荷的影響;

(2)在高周持續(xù)時(shí)間外，非故障電機(jī)啟動(dòng)成功，沒(méi)受高周的影響，仍正常運(yùn)行。

另外:

(1)裝設(shè)高周切機(jī)保護(hù)，在電網(wǎng)發(fā)生故障，高周現(xiàn)象比較嚴(yán)重，威脅重要廠用電負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，可以及時(shí)的切掉發(fā)電機(jī)，保住重要負(fù)荷的運(yùn)行;

(2)采用電機(jī)軟啟動(dòng)方式平穩(wěn)的啟動(dòng)電機(jī)，以減少由于電機(jī)啟動(dòng)過(guò)快造成的過(guò)載和大的啟動(dòng)電流及沖擊電流對(duì)電網(wǎng)相關(guān)設(shè)備和相關(guān)保護(hù)的影響;

圖5 兩臺(tái)電機(jī)自動(dòng)控制示意圖

(3)可以將變頻調(diào)速和軟啟動(dòng)相結(jié)合的方法，如圖5所示，圖中兩臺(tái)互為備用的電機(jī)，1#電動(dòng)機(jī)采用變頻器調(diào)速控制，2#電動(dòng)機(jī)采用軟啟動(dòng)器控制，兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)可以分別單獨(dú)啟動(dòng)、停止，互為備用，也可以組合起來(lái)進(jìn)行自動(dòng)控制。正常情況下應(yīng)使變頻器始終處于工作狀態(tài)，根據(jù)負(fù)荷的大小自動(dòng)調(diào)速。當(dāng)1#電機(jī)故障或不能滿足流量要求時(shí)，則用手動(dòng)或自動(dòng)的方式投入2#電動(dòng)機(jī)。這樣既可解決普通軟啟動(dòng)器只在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)起作用，一旦啟動(dòng)完畢，控制電路就將軟啟動(dòng)器旁路，相當(dāng)于電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后就處于全壓恒速運(yùn)行，不能解決節(jié)能問(wèn)題，又可很好的解決電網(wǎng)高周引起的電機(jī)轉(zhuǎn)速升高、電機(jī)啟動(dòng)引起的過(guò)載再次切泵等問(wèn)題，并可降低成本。

6 總結(jié)

文章對(duì)高周產(chǎn)生及其影響進(jìn)行了嚴(yán)格的理論分析與推導(dǎo)，并且在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了甩負(fù)荷實(shí)驗(yàn)，以對(duì)高周的產(chǎn)生及其影響進(jìn)行相應(yīng)的驗(yàn)證，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)，得出了高周的產(chǎn)生，導(dǎo)致了電機(jī)水泵的燒毀，以及保護(hù)裝置的一系列動(dòng)作。并在文章最后對(duì)應(yīng)該高周的措施進(jìn)行了分析與歸納。

［1］冉啟仁.發(fā)電廠的高周切機(jī)保護(hù)［J］.福建電力與電工.

［2］程旻，吳琛，李玲芳.2007年云南電網(wǎng)高周切機(jī)方案研究［Z］.云南電力調(diào)度中心.

［3］辜承林，陳喬夫，熊永前.電機(jī)學(xué)［M］.華中科技大學(xué)出版社.