廠用電高周影響及其應對措施分析

陳丹平，魯貽龍，曾誠實

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

1 引言

頻率是電能質量和電力系統安全的重要指標之一，我國電力系統的額定頻率(fN)為50Hz，其偏差范圍為±(0.2～0.5)Hz。甩負荷引起了電網頻率超過了允許的范圍，即產生了高周。引起電網高周現象的原因主要有以下幾種情況:

(1)電網發生故障，保護快速切除;

(2)電網發生震蕩時送電端或送電的邊遠電廠頻率升高;

(3)電網中大量甩負荷;

(4)聯絡線路發生故障并切除后。

高周現象的出現會嚴重影響發電機組和電網安全的運行，同時也給整個電力系統的優質運行帶來不利影響，因此在發電機側以及機組較多的地方一般裝設有高周切機保護。

2 甩負荷引起高周的機理分析

高周產生的理論過程如下:

其中，TJ為慣性時間常數，Tm為原動機加于電機軸的機械力矩，Te為阻力力矩。

穩態時，Tm-Te=0，ω≠const，轉子加速力矩為零，恒速運行。

電機由于各種原因導致的負荷減少之后，相應的Te減少，這時Tm-Te＞0，ω≠const，轉子獲得一個加速的力矩，因此電機轉子要加速運行，而又轉速增大必然會導致頻率升高。

機組轉子運動微分方程為:

3 高周對電機等負載影響分析

甩負荷引起了高周，研究高周對電機等負載的影響即研究頻率升高對電機等負載的影響，以下從轉速、磁通、力矩、發熱、出力、定子電流等方面就高周對電機等負載的影響作出分析。

3.1 轉速升高的影響

甩負荷瞬間，電機頻率升高，電機的調速器和制動設備有惰性，甩負荷后不能立即收到調速效果，使發電機轉速增加。如果阻力矩很小，比如說是空載，隨著轉速的升高，電機轉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，直到電機的轉矩與阻力矩相平衡，但此時的轉速，其離心力可能已經達到破壞電機轉子使整流子飛出，使槽內的轉子繞組飛出，即飛車事故。

3.2 對磁通的影響

電壓不變時，E=4.44Nfφm

其中，E為電機線圈電動勢，N為線圈匝數，f為電網頻率，φm為磁通。磁通與頻率成反比例變化。頻率降低時，磁通增加;頻升高時，磁通減小。另外，電磁轉矩Tem=CmΦmI2cosφ2，對于制成的電機Cm是常數，I2cosφ2是轉子電流的有功分量。磁通減少，電磁轉矩將會減小，從而影響所帶負載的運行能力。

3.3 對發熱的影響

電動機內溫度的升降與熱源和散熱情況有關，熱源是導線和鐵芯，其熱量的大小與電流和磁通有關，進而與損耗有關。

頻率的變化影響電機的損耗，而鐵芯損耗包括磁滯損耗和渦流損耗，磁滯損耗:

式中，kh為不同材料的計算系數，α為由實驗確定的指數。

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，當頻率升高，磁滯損耗和渦流損耗增加，即鐵芯損耗增加，電機運行時，電機中的損耗轉變為熱量，使電機各部分的溫度升高，將高于周圍介質的溫度，如果超過允許的溫升，電機將過熱，加速電機老化，嚴重時將導致電機燒毀。

3.4 對出力的影響

如果電動機所帶的機械阻力力矩與轉速無關，則電動機的出力與頻率成正比例變化。如果電動機所帶的機械其阻力力矩與轉速有關，則電動機的出力隨頻率變化而變化較為厲害。例如，給水泵的電動機，其出力的變化與頻率變化的七次方成比例。

另外，電機的冷卻空氣溫度對出力也有影響，當冷卻空氣溫度高于額定溫度時，電動機的出力就會降低，反之則會升高。

3.5 對定子電流的影響

定子電流內，負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，負載電流分量增大，空載電流分量減小，通常前者占優勢。所以頻率升高時，定子電流通常是增大的。電機電流增大，將會導致電機的相關保護動作，切掉電機，從而影響所帶負荷的運行。

另外，甩負荷后對機組形成了一次較大的熱沖擊，甩負荷后會使原來運行相對平穩的機組受到一次不平衡的沖擊，誘發機組振動突變。

4 案例分析

圖1為試驗用電氣一次接線圖，10kV母線分別由直接發電機經廠高變對其進行充電;400V母線均并列運行，為廠用電負荷提供自用電，400V母線之間采用T接方式以保證兩路廠用電的可靠。

圖1 試驗用電氣一次主接線圖

實驗方法如下:

10kV 1M僅由3F機組供電，其他機組在停機狀態，3F與6F機組自用電T接方式并聯運行;機組自用電所帶負荷均為純水泵和壓油泵(編號分別為1#、2#)。

合上10kV1M母線G1C03和G1105開關，斷開其他10kV母線兩側開關;合上開關031T06、06 1T03以完成6F機組自用電負荷轉移至3F機組自用電，3F機組自用電出力增加至額定負載(700MW);

當純水泵壓力上升至17Bar時，手動停泵，開始進行3F的甩負荷:斷開與3F自用電相連的T連接，甩掉6F的機組自用電。

整個試驗中，對400V母線電壓、電流，重要饋線電流，純水壓力、流量等狀態量進行測量，并用故障錄波裝置記錄這些狀態量在甩負荷前后的變化波形。

實驗數據及結果如下:

6F 2#泵保險燒壞后切泵，3F 2#泵熱偶動作后切泵。

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表示由正常狀態過度到甩負荷狀態的波形，圖3為甩負荷過渡到正常狀態波形。

圖2 正常狀態過度到甩負荷狀態的波形

由圖1可以得，機組正常運行時，系統頻率為50.03Hz，電壓電流均為工頻下的正弦量，突然甩負荷，頻率升高到最高時的71.215Hz，并且這一過程持續了3s左右，電壓、電流正弦波形變化的周期變短。

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

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

根據實驗可以看出，甩負荷引起高周，導致了電流、電壓等一系列相關量得變化，這與上面的理論分析相符。

圖3 甩負荷過渡到正常狀態波形

電機甩負荷，引起頻率高出正常水平，勢必會引起電機調速、勵磁調節、保護等裝置的動作。同時由于電機調速系統和系統勵磁的調節，電壓慢慢恢復到正常水平，頻率也恢復到正常的范圍內。

由于調速系統和勵磁調節系統動作需要一定的反應時間，在這一時間內，電機發熱溫度迅速上升，6F2#泵保險燒毀，再加上定子電流的增大，達到了熱偶保護動作的條件，熱偶保護動作切掉3F2#泵。

圖4

5 高周的應對措施

綜合以上理論和實驗分析可知，發電機甩負荷，電機轉速上升，頻率升高，引起高周，導致電機定子電流過大，電機發熱等，高周對故障電機和非故障電機將都會有影響，為了消除或減小高周對廠用電電機類負荷的影響，本文給出以下應對措施:

對于故障電機:

(1)故障電機在高周持續時間(3s左右，)內啟用備泵，由于啟動過快，這時大的定子電流及由于高周所引起的電機過熱會導致電機相關保護動作再次切泵的危險，對于這種情況，為了保護主設備及廠用電重要負荷的運行，同時在保證電機安全的情況下，可以將電機保護的整定值取得相對較高，以躲過高周的影響;

(2)故障電機備泵啟動較慢在高周持續時間外啟動成功，電機所帶負荷仍然正常運行。

對于非故障電機

(1)由于高周引起大的定子電流在高周持續時間內，導致非故障電機切機，同樣為了保護重要設備的安全運行，可將電機整定值取相對較高點，以躲過高周對重要負荷的影響;

(2)在高周持續時間外，非故障電機啟動成功，沒受高周的影響，仍正常運行。

另外:

(1)裝設高周切機保護，在電網發生故障，高周現象比較嚴重，威脅重要廠用電負荷運行時，可以及時的切掉發電機，保住重要負荷的運行;

(2)采用電機軟啟動方式平穩的啟動電機，以減少由于電機啟動過快造成的過載和大的啟動電流及沖擊電流對電網相關設備和相關保護的影響;

圖5 兩臺電機自動控制示意圖

(3)可以將變頻調速和軟啟動相結合的方法，如圖5所示，圖中兩臺互為備用的電機，1#電動機采用變頻器調速控制，2#電動機采用軟啟動器控制，兩臺電動機可以分別單獨啟動、停止，互為備用，也可以組合起來進行自動控制。正常情況下應使變頻器始終處于工作狀態，根據負荷的大小自動調速。當1#電機故障或不能滿足流量要求時，則用手動或自動的方式投入2#電動機。這樣既可解決普通軟啟動器只在電動機啟動時起作用，一旦啟動完畢，控制電路就將軟啟動器旁路，相當于電動機啟動后就處于全壓恒速運行，不能解決節能問題，又可很好的解決電網高周引起的電機轉速升高、電機啟動引起的過載再次切泵等問題，并可降低成本。

6 總結

文章對高周產生及其影響進行了嚴格的理論分析與推導，并且在此基礎上進行了甩負荷實驗，以對高周的產生及其影響進行相應的驗證，并且通過實驗，得出了高周的產生，導致了電機水泵的燒毀，以及保護裝置的一系列動作。并在文章最后對應該高周的措施進行了分析與歸納。

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