諧波和傳遞電壓對(duì)發(fā)電機(jī)消弧線圈中性點(diǎn)電壓的影響

劉 黎，蔡 勇，金祖山，徐 華

（1.浙江省電力試驗(yàn)研究院，杭州 310014；2.浙江省電力公司超高壓建設(shè)分公司，杭州 310008）

目前我國(guó)發(fā)電機(jī)組中性點(diǎn)大量采用消弧線圈補(bǔ)償方式。消弧線圈的作用是：當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，通過(guò)消弧線圈提供電感電流以補(bǔ)償接地電容電流，使接地電流減小并自動(dòng)熄滅電弧，同時(shí)可防止大接地電流燒毀定子線圈和鐵心。但補(bǔ)償后，在發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行工況下，母線三相電壓不平衡度會(huì)間歇性明顯變大，中性點(diǎn)偏移電壓增大并超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求（小于10%相電壓），導(dǎo)致零序電壓保護(hù)發(fā)出報(bào)警信號(hào)并有可能動(dòng)作，嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

當(dāng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中發(fā)生單相接地、斷線及其它異常情況時(shí)，往往通過(guò)電壓表指示的不平衡來(lái)分析判斷并作出處理。因電壓不平衡而誤認(rèn)接地，卻找不到故障點(diǎn)；而真正的接地故障卻因?yàn)椴檎視r(shí)間過(guò)長(zhǎng)而被耽誤，引起事故擴(kuò)大。在分析母線三相電壓不平衡度間歇性增大原因時(shí)，除了考慮系統(tǒng)的不對(duì)稱度KC、阻尼率d、脫諧度v之外，還應(yīng)該考慮發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的特殊性，對(duì)諧波和運(yùn)行方式進(jìn)行分析。

1 消弧線圈檔位的選擇

當(dāng)中性點(diǎn)裝設(shè)消弧線圈補(bǔ)償后，中性點(diǎn)電壓由不對(duì)稱電壓U0變?yōu)槲灰齐妷篣N。

式中：UP為相電壓。

因此，影響消弧線圈中性點(diǎn)位移電壓UN的因素有：

（1）系統(tǒng)不對(duì)稱電壓 U0（電網(wǎng)不對(duì)稱度 KC）。系統(tǒng)不對(duì)稱電壓U0為不帶消弧線圈時(shí)，系統(tǒng)三相電容不對(duì)稱而造成的不對(duì)稱電壓。影響U0大小的因素很多，主要與電網(wǎng)三相對(duì)地電容差異、三相負(fù)荷差異等有關(guān)。

（2）阻尼率d。阻尼率d=R/wL，其中R為系統(tǒng)回路的電阻，L為消弧線圈的補(bǔ)償電感。發(fā)電機(jī)單元阻尼率較小，特別是當(dāng)消弧線圈無(wú)阻尼電阻設(shè)置時(shí)，R基本為傳導(dǎo)電阻，與消弧線圈感抗相比，阻尼率d數(shù)值較小，一般可以忽略不計(jì)。

（3）脫諧度 v。 v=（IC-IL）/IC， 其中 IL為消弧線圈補(bǔ)償感性電流，IC為發(fā)電機(jī)單元系統(tǒng)對(duì)地電容電流。當(dāng)阻尼率忽略不計(jì)后，發(fā)電機(jī)單元系統(tǒng)中性點(diǎn)位移電壓UN將隨著脫諧度變化而變化。

中性點(diǎn)位移電壓過(guò)大將導(dǎo)致三相電壓有較大的偏移，對(duì)設(shè)備絕緣尤其不利。因此，國(guó)家相關(guān)規(guī)程針對(duì)消弧線圈對(duì)補(bǔ)償系統(tǒng)脫諧度的要求是：

發(fā)生單相接地故障時(shí)，消弧線圈補(bǔ)償裝置應(yīng)使流經(jīng)故障點(diǎn)的殘流盡量小。消弧線圈補(bǔ)償脫諧度應(yīng)盡量小，并盡可能只包含主接地電流的有功分量和不能被補(bǔ)償?shù)母叽沃C波電流。

中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的發(fā)電機(jī)，在正常情況下，脫諧度不應(yīng)太小，長(zhǎng)時(shí)間中性點(diǎn)位移電壓不應(yīng)超過(guò)額定相電壓10%，相對(duì)地電壓升高值不得危害電網(wǎng)的正常絕緣。

顯然，上述要求相互關(guān)聯(lián)又彼此矛盾，需要根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況進(jìn)行最優(yōu)配置。

2 諧波的影響

通過(guò)錄波儀對(duì)發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的中性點(diǎn)電壓波形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，中性點(diǎn)電壓的典型波形、頻譜分析如圖1、圖2所示。

正常運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)的電壓以三次諧波電壓即150 Hz為主要成分，同時(shí)包含50 Hz基波和其它諧波成分。三次諧波以相電壓的形式存在，發(fā)電機(jī)一般與Δ/Y變壓器組成單元制接線，以線電壓方式對(duì)外輸出，三次諧波電壓相互抵消，因此三次諧波不會(huì)影響輸出的電壓質(zhì)量，但會(huì)對(duì)中性點(diǎn)位移電壓帶來(lái)較大影響。發(fā)電機(jī)中的三次諧波電壓是由發(fā)電機(jī)本身產(chǎn)生的,主要與結(jié)構(gòu)、繞組型式、制作工藝等因素有關(guān)，屬于發(fā)電機(jī)的固有特性，因此無(wú)法完全消除。

圖1 中性點(diǎn)電壓典型波形示意圖

圖2 中性點(diǎn)電壓頻譜圖

以某水力發(fā)電廠4號(hào)發(fā)電機(jī)組為例，中性點(diǎn)為手動(dòng)調(diào)節(jié)消弧線圈接地方式，依次放置5 A，5.9 A，7.1 A，8.4 A，10 A五個(gè)檔位，測(cè)試電容電流為5.04 A，繪制出脫諧度與中性點(diǎn)位移電壓、電壓比值的關(guān)系如圖3、圖4。

從圖3、圖4可以看出，隨著脫諧度的增大，50 Hz基波電壓迅速下降。而三次諧波分量則隨著脫諧度的增加而緩慢增加。當(dāng)脫諧度大于20%以后，中性點(diǎn)位移電壓有效值已與三次諧波電壓的大小基本相同。三次諧波隨脫諧度增加而略增屬于正常現(xiàn)象，一方面發(fā)電機(jī)三次諧波的產(chǎn)生與發(fā)電機(jī)繞組間的分布參數(shù)有關(guān)，當(dāng)繞組線圈末端的消弧線圈檔位改變時(shí)，三次諧波也隨之改變；另一方面三次諧波的感抗比工頻大三倍，容抗則小三倍。當(dāng)工頻接近諧振狀態(tài)時(shí)，三次諧波的感抗遠(yuǎn)大于容抗。隨著消弧線圈補(bǔ)償電流的增大，消弧線圈感抗逐漸減小，三次諧波感抗以三倍速率減小與容抗的差距，導(dǎo)致三次諧波幅值略增。

圖3 脫諧度與中性點(diǎn)位移電壓關(guān)系圖

圖4 脫諧度與電壓比值關(guān)系圖

由于三次諧波的影響，消弧線圈脫諧度增大到一定程度后，降低中性點(diǎn)位移電壓有效值的效果并不明顯。無(wú)論消弧線圈如何調(diào)整檔位，位移電壓與相電壓的比值都會(huì)維持在6.5%～8.5%（400～500 V，工頻諧振點(diǎn)除外），見(jiàn)圖4。當(dāng)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓出現(xiàn)異常不平衡波動(dòng)或開(kāi)關(guān)不同期合閘等異常情況時(shí)，中性點(diǎn)零序工頻分量增加，很可能導(dǎo)致總的中性點(diǎn)位移電壓超過(guò)10%設(shè)定值。

因此，對(duì)消弧線圈檔位的調(diào)整不能僅根據(jù)傳統(tǒng)消弧線圈工頻電壓的理論計(jì)算結(jié)果，還需要對(duì)發(fā)電機(jī)本身的諧波進(jìn)行測(cè)試，在實(shí)際運(yùn)行的基礎(chǔ)上優(yōu)化檔位的選擇。

3 傳遞電壓的影響

當(dāng)發(fā)電機(jī)變壓器高、中壓側(cè)系統(tǒng)為不直接接地系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱接地故障、斷路器不同期操作以及負(fù)荷不平衡等情況，中性點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)明顯的零序工頻電壓分量U0，此分量將通過(guò)電磁和靜電的耦合傳遞到變壓器低壓側(cè)，即發(fā)電機(jī)側(cè)傳遞電壓U1為：

式中：C0為主變壓器低壓側(cè)相對(duì)地電容；C12為主變壓器高壓繞組和低壓繞組之間的電容；v為脫諧度，過(guò)補(bǔ)償時(shí)為負(fù)，欠補(bǔ)償時(shí)為正。因此，傳遞電壓的大小與消弧線圈的補(bǔ)償情況密切相關(guān)。

如果消弧線圈在欠補(bǔ)償條件下運(yùn)行，低壓側(cè)阻抗為容性，則脫諧度越小，等效電容也越小，在低壓側(cè)出現(xiàn)的傳遞電壓就會(huì)越大。如果消弧線圈處于過(guò)補(bǔ)償運(yùn)行狀態(tài)，低壓側(cè)阻抗是感性的，如果脫諧度太小，感抗與主變壓器高壓繞組和低壓繞組之間的電容可能會(huì)發(fā)生串聯(lián)諧振，將在低壓側(cè)產(chǎn)生嚴(yán)重的諧振過(guò)電壓。即使達(dá)不到諧振參數(shù)條件，也會(huì)由于電容效應(yīng)而在低壓側(cè)出現(xiàn)較高的過(guò)電壓。

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，斷路器不同期操作以及負(fù)荷不平衡等情況傳遞的電壓較小，但傳遞過(guò)來(lái)的零序電壓將與原有的電壓疊加，造成三相電壓不平衡加劇，疊加的結(jié)果（特別是由于諧波影響，中性點(diǎn)電壓已達(dá)7%～8%相電壓時(shí)）很可能會(huì)超過(guò)10%相電壓的規(guī)定值。

需要注意的是：當(dāng)高、中壓系統(tǒng)發(fā)生單相接地等故障時(shí)，高、中壓側(cè)中性點(diǎn)將出現(xiàn)較大的零序電壓，傳遞過(guò)來(lái)的電壓將有可能危及低壓系統(tǒng)的絕緣。

4 結(jié)論和建議

（1）發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)位移電壓過(guò)高通常是多種因素綜合影響造成的，除了考慮單元結(jié)構(gòu)中三相對(duì)地電容不平衡、不同工況下系統(tǒng)補(bǔ)償運(yùn)行狀態(tài)等影響因素外，還必須考慮諧波和傳遞過(guò)電壓的影響。

（2）發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的三次諧波不能完全消除，在工作點(diǎn)避開(kāi)諧振點(diǎn)的情況下，消弧線圈的檔位選擇應(yīng)考慮三次諧波電壓影響,根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況最優(yōu)選擇。有條件時(shí)可以考慮采取抑制諧波的措施，或者在監(jiān)控系統(tǒng)中增加諧波功能，實(shí)時(shí)監(jiān)控50 Hz基波和三次諧波的變化情況，有利于及時(shí)查找故障原因。

（3）在主變高、中壓側(cè)不接地運(yùn)行時(shí)，應(yīng)特別注意監(jiān)控中性點(diǎn)電壓，防止傳遞過(guò)電壓的影響。在同樣的脫諧度時(shí)，采用欠補(bǔ)償方式的傳遞過(guò)電壓水平低于過(guò)補(bǔ)償方式。因此在主變不接地運(yùn)行時(shí)，應(yīng)盡量保證消弧線圈的欠補(bǔ)償狀態(tài)。

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